多相整流永磁同步发电机绕组内部相间短路的故障分析
电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员田代宗、孙宇光、王善铭、杜威，在2020年第6期《电工技术学报》上撰文，将多回路法与有限元法相结合，建立了多相整流永磁同步发电机系统绕组内部相间短路的通用数学模型，可计算永磁电机正常及绕组内部故障工况的电气量分布，不仅适用于每相单分支的多相电机，还适用于每相多分支的情况。
在准确计算绕组电流的基础上，进一步计算了故障前后样机内部的温度场分布，结果表明故障导致样机内部温度不再均匀分布。根据仿真和实验结果，分析了该样机相间短路的故障特点，并说明了短路点附近明显升温对永磁电机的严重影响以及不同组三相绕组间相间短路引起整流桥中某些二极管过电流的潜在危害。该文研究为多相永磁同步发电机内部相间短路故障检测提供了依据。
多相整流发电机提供的直流电源，具有直流脉动小、电磁干扰小、可靠性高和效率高等优点，已广泛应用于航空航天、船舶推进等移动平台。作为各种移动体（如飞机、舰船）电源的核心部分，多相发电机带整流系统的安全运行至关重要。由于常用于移动体中，发电机运行的工况和外界环境都比较复杂，在这些复杂条件的作用下，系统更容易出现故障，不仅可能损坏电机，甚至可能直接威胁乘客或工作人员的安全，造成严重事故。
目前对多相同步发电机整流系统的故障研究主要集中在电励磁电机。对于永磁同步发电机，虽然转子上没有绕组，结构比电励磁电机简单，但各种材料、形状和安装位置的永磁体产生的磁场却比电励磁电机复杂，而且绕组内部短路故障还会使磁场发生畸变，进一步增大了计算分析的难度。
此外，一旦检测到短路故障，电励磁电机在停机操作中可采取灭磁措施，以减小停机过程中对电机的损害；而永磁电机由于无法直接调节永磁体产生的磁场，只能逐渐降低转速直至故障电机停机。在停机过程中绕组内部一直存在较大的短路电流，可能烧毁电机，所以对短路故障检测的快速性要求更高。因此，对永磁发电机定子内部短路故障的研究更有必要。
发电机定子内部短路故障包括匝间短路故障和相间短路故障。目前对三相永磁电机匝间短路故障的研究已经比较深入，但这些研究仅针对传统三相永磁电机的定子绕组匝间短路故障，缺乏对内部相间短路故障的研究，并且基本不涉及整流负载。而相间短路故障比匝间短路故障的破坏性更强，所以本文将主要针对多相整流永磁同步发电机系统定子内部相间短路故障进行深入研究，为及时发现并排除故障提供依据。
现有文献中对多相永磁同步发电机整流系统及其故障的研究还不够全面，建立的数学模型仅限于某种特定的多相电机。为了具有更广泛的适用性，本文将多回路分析法与有限元法相结合，建立了多相多分支永磁同步发电机带整流负载系统定子绕组内部相间短路故障的通用数学模型，不仅适用于每相单分支的十二相等多相电机，还适用于每相多分支的情况（比如六相双分支电机）。
图1 多相整流永磁同步发电机相间短路示意图
图2 基于多回路-有限元数学模型的迭代仿真流程
图3 故障前后电机内部温度场分布
本文在一台六相双分支永磁同步发电机样机上进行了实验，验证了该数学模型的正确性。在此基础上，还分析了实验样机故障前后的温度场分布。最后结合仿真和实验，分析了样机定子绕组相间短路的故障特点及危害，可为故障的及时检测提供依据。
实验和仿真结果表明，发生相间短路故障后，六相整流永磁同步发电机的相电流和分支电流中会出现正常时没有的3次等谐波分量；短路回路中会出现较大的短路电流，主要包含基波、3次等奇数次谐波；直流侧电压、电流中除正常时存在的12次谐波外，还出现了2次等偶数次谐波，严重影响了供电品质。发生在不同桥间的内部相间短路，会在整流元件中产生过电流，将影响整流桥的使用寿命。
同时，故障后电机整体温度会上升且不再均匀分布，特别是短路回路所在绕组，温度明显升高，可能使相间短路故障进一步恶化。所以有必要及时采取监测或保护等措施，保障系统安全、稳定运行。