摘 要：为保证无刷励磁发电机的正常运行，提高发电模块的寿命和可靠性，对旋转整流器进行故障检测是非常必要的。对此，借助matlab仿真软件，对励磁机励磁电流的谐波成分进行仿真分析，并提出了采用数字电路和模拟电路这两种在线、非侵入式的旋转整流器故障检测方案，实现了旋转整流器故障在线诊断模块，并展望了下一步工作。
　　关键词：整流器；旋转；励磁系统；电路
　　中图分类号：tp271 文献标识码：a 文章编号：2095-6835（2014）10-0101-02
　　随着发电模块单机容量大幅度的增加，发电模块的寿命和可靠性显得更为重要，而旋转整流器是无刷励磁系统（由旋转整流器（功率二极管）、励磁机、励磁调节器等组成）中的重要环节，当遇到过电压、过电流和其他非正常情况时，旋转整流器中的功率二极管可能会出现开路或短路故障。当功率二极管开路时，励磁调节器需要立即增加励磁电流，来维持励磁机的输出，这就可能造成励磁调节器过励故障；当功率二极管短路时，有很高的电流流经励磁机电枢，会导致励磁机过热甚至损坏。
　　为了保证无刷励磁发电机的正常运行，提高发电模块的寿命和可靠性，对旋转整流器进行故障检测是非常必要的。此外，在发电机运行时，无刷励磁部分始终处于高速旋转状态，各种状态信号难以直接获取，使得旋转整流器的在线故障检测变得更加困难。因此，必须进行专题研究加以突破，研究出适合于舰用环境的、高可靠性的在线故障诊断模块。
　　1 旋转整流器
　　旋转整流器是无刷励磁同步电机的重要组成部分，它将与同步电机同轴的交流励磁机发出的三相交流电整流成直流，为同步电机提供励磁电源，实现同步电机的无刷励磁。由于旋转整流器是无刷同步电机内部唯一的电子器件，装在电机转轴上，当电机运行时，随电机转子一起旋转，所以，它必须承受较大的离心力和一定的机械振动力；同时，还要承受元件整流所产生的热应力。旋转整流器失效，会导致同步电机不能正常运行，因此对旋转整流器进行设计、对整流元件的性能进行选择成为了无刷同步电机设计的一个关键环节。
　　2 仿真分析
　　根据同步发电机数学模型，应用matlab中的simpower systems库的同步发电机的仿真模块，它由一个包括阻尼绕组影响的6阶状态方程组来描述，可以较为精确地模拟励磁机特性，并利用powergui模块进行谐波分析。
　　仿真结果如图1所示，无刷励磁系统在正常情况下，励磁机励磁电流除了直流分量外，还含有少量的6次谐波，其幅值约为直流分量的3.1%.该6次谐波由励磁机电枢电流的基波电流产生的5次、7次谐波磁势和5次、7次谐波电流产生的基波磁势，通过气隙在励磁机励磁绕组上感应而产生的。
　　旋转整流器的故障初期表现为一管开路或一管短路。当一只功率二极管损坏后，励磁机就处于不对称运行状态，每相电枢电流都含有大量不对称的直流、基波、2次谐波和3次谐波等各次谐波分量；而三相电流的各次谐波分量又会在励磁绕组上感应出相应的谐波分量。如果考虑到旋转整流器的换相重叠角和发电机励磁绕组阻抗角的影响，对故障情况下励磁机励磁电流的谐波分析则相当复杂。但利用无刷励磁系统仿真模型进行故障情况下的仿真，可以简捷、有效地得出谐波分析结果。
　　从图1可以看出，一管开路时，励磁机励磁电流的2次谐波最大，约为直流分量的9.6%；1次谐波的幅值虽然比2次谐波小，但相差不大，约为直流分量的8.8%；6次谐波的幅值减小为直流分量的2.5%.一管短路时，励磁机励磁电流的1次谐波最大，约为直流分量的37.9%；2次谐波的幅值相对较小，约为直流分量的8.7%；6次谐波则减小到直流分量的0.4%.
　　分析上述数据可以得出以下两点结论：①旋转整流器发生故障后，1次谐波、2次谐波幅值增长明显，6次谐波幅值减小；②当发生一管开路故障时，2次谐波幅值较大；而发生一管短路故障时，1次谐波幅值较大。
　　3 故障诊断模块实现方案
　　通过以上内容可知，在旋转整流器工作正常时，励磁机励磁电流中含高频小幅纹波。当旋转整流器出现一只管短路或开路时，励磁机励磁电流中含低频大幅纹波，可以通过实时监测励磁机励磁电流中纹波的水平，来判断旋转二级管工作状态；如果旋转二级管故障，则输出继电器信号。该故障诊断模块的实现有数字电路和模拟电路两种方案。
　　3.1 数字电路方案
　　数字电路实现方案由基于t

ms320f2812芯片的dsp最小系统、励磁电流采样电阻、信号调理、led和继电器等组成。通过采样电阻、ad芯片采样励磁机励磁电流，并用fft软件来计算励磁电流中的谐波，根据其谐波大小，来判断二级管的相应工作状态，作出故障显示和输出继电器信号。数字电路方案成本高、性能先进、通信性强，但开发难度大，开发周期较长。
　　3.2 模拟电路方案
　　模拟电路实现方案可由励磁电流采样电阻、滤波器、自动增益放大器、纹波放大器、led和继电器等组成。该方案通过采样电阻采集励磁机励磁电流信号，通过滤波器、自动增益放大器、纹波放大器和精密整流器，来抽取旋转整流器故障诊断用谐波。根据精密整流器输出大小，来判断旋转二级管是否正常工作，并作出相应显示和输出继电器信号。模拟电路方案成本低、性能一般，易于开发且开发周期短。
　　根据实际需求，考虑研制周期、模块成本和开发难度等因素，本论文中故障诊断模块采用模拟电路方案。
　　4 诊断方案设计
　　故障诊断模块与发电机的连接如图2所示，模块与励磁机励磁绕组、励磁调节器连接，通过实时监测励磁机励磁电流中纹波的水平来判断其工作状态。如果旋转二级管故障，则输出常开或常闭触点信号。
　　故障诊断系统功能结构图设计如图3所示，并据此设计电路原路图。各模块设计方案如下：①输入滤波器。采样电阻r和发电机的励磁机励磁绕组相连，当发电机空载时，在采样电阻上的电压降经输入滤波器放大为1 v；在发电机的各种负载情况时，该电压的变化范围为1～4 v。②自动增益放大器。由于输入滤波器的输出电压范围为1～4 v，相应的谐波也会变化，为了避免故障诊断模块把这种电压变化诊断为旋转整流器故障，自动增益放大器根据信号变化自动调节放大器的信号偏置，来使监测电路检测到的纹波为一固定幅度的信号。③纹波放大器。当旋转整流器都正常工作时，磁场电流的纹波为小幅值高频纹波； 当有二级管故障时，该纹波为大幅值低频纹波（是二级管正常工作时的1/6～1/3）。因此，该纹波放大器起低频高增益和高频低增益放大的作用。同时，为了兼容不同的无刷励磁发电机，该放大器提供了高频增益的调节电位器，以备用户调 　　节使用。④精密整流器。该精密整流器将纹波放大器输出的纹波整流成直流输出。⑤反时限定时器。当二极管短路故障时，精密整流器输出的直流电压经过反时限定时器。立即驱动报警继电器动作；当二极管开路故障时，精密整流器输出的直流电压经过反时限定时器延时一定时间后。驱动报警继电器动作。⑥继电器驱动。继电器的驱动电路由晶体管等组成。⑦led。自动增益放大器用于显示励磁机励磁电流纹波水平、故障诊断模块的用户设定和故障显示。⑧avr纹波放大器。由于avr输出的励磁电压由脉冲组成，励磁电流中含有大量纹波，这就使得诊断旋转二级管的开路故障较为困难。为了消除avr这种固有纹波的影响，在模块中，avr电压输出的f+端经过滤波器，零点调节，avr纹波放大器后，输出信号到输入滤波器，以消除由于avr输出的励磁电流中固有纹波的影响。⑨电源。整个模块的电源由变压器-整流器-晶体管组成典型的供电电源。
　　5 结束语
　　本论文用matlab对励磁机励磁电流的谐波成分进行仿真研究，通过比较数字电路和模拟电路两种方案，设计了模拟电路方案以检测其谐波来实现旋转二级管故障诊断，方案易于实现、成本低。在今后的研究中，还应该在现有matlab离线仿真模型的基础上，建立在线仿真试验平台，用于故障诊断模块的试验和测试；同时，还可以利用小型发电机和二极管整流桥等试验设备，来模拟旋转整流器一管开路、一管短路等故障，以进行故障诊断模块的动模试验。
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　　〔编辑：李珏〕