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基于泊松定子的发电机故障分析 摘要：为解决车用发电机实际运行过程中可能出现难以发现的轻微匝间短路故障，首先建立了发电机正常状态下的数学模型，对发电机出现定子匝间短路故障进行分析；然后，建立了发电机短路故障数学模型并通过park矢量进行坐标系转换，在MATLAB中搭建动力学模型；最后，模拟了发电机系统出现不停程度下的短路故障，利用谐波分析法分析正常和故障状态下的电流、电磁转矩信号，提取故障特征参数。研究结果表明：短路故障造成电流1.0次谐波增长，电磁转矩出现2.0次谐波大幅变化。 发电机组作为机械-电磁耦合组件，其系统具有高度电气化和结构紧凑化的特点，导致实际运行中可能出现各种各样的故障高磊等综上所述：基于理论分析方法能够从故障机理的层面对故障产生成因进行分析，然而繁琐的计算求解使得精度受到限制；基于试验台架的分析方法是根据现场实物搭建，还原了实际运行情况，但对于机械系统不能够制造出的状态难以进行分析；利用先进仿真软件既能得到实验平台类似的结论更能大幅度节省成本，然而却依赖于仿真模型的正确性和准确性，且忽略实际系统在运行中的非必要因素。因此，对发电机组进行动力学分析时需要综合考虑分散在系统中的动力学、电磁学等因素，本文首先建立发电机正常和故障状态下的数学模型，通过park矢量法进行理论分析，利用MATLAB搭建发电机动力学模型，模拟出现不同故障程度的匝间短路故障，对运行过程中的状态参数进行谐次谱分析，提取故障特征参数。1 发电机短路故障下的建模分析 正常状态的发电机数学模型建立适当的数学模型是解决发电机动静态特性和控制诊断技术的基础。在建立数学模型时，先做如下假设建立电压方程为 式中： 式中：式(1)中：定子电压为 根据磁链方程 式中：由于定子和转子三相之间的互感与主磁通对应，且绕组在空间呈现120°对称，有按照定子、转子分开的形式，可写为 式中：关于电磁转矩的计算方法较多，常见的有根据磁场能量储能对角位移的偏导数，有根据基波磁动势进行推导，也有电磁力与切向半径的积分，本文采用的电磁转矩大小的表达式为 式中： 式中： 故障状态下的发电机数学模型当发生电机定子绕组短路故障时，电机结构不再对称，假设定子三相绕组Y型连接，定子A相绕组发生匝间短路故障，其物理模型如图1所示。图1中，定子A相绕组分为正常绕组部分及短路绕组部分，短路绕组系数可表示为 式中：定子电压则式(1)可改写为 发电机各绕组的磁链可表示为 式中： 其中结合式(5)和式(6),可得故障状态下的电磁转矩为 式中：对该故障模型进行矢量变换，可消除两相绕组间的电磁耦合，从而简化该故障状态下发电机的数学模型。其中，由三相坐标系转变为任意转速的两相旋转 将式(7)中的变换代入 式中：短路匝A2的电压表达式的  发电机短路故障动力学建模若取三相静止电流为特征量，利用park矢量变换到两相静止的 由三相电流连接可知，三相电流各相之间相隔120°,即矢量和为0,则有 将式(12)代入式(13),并化简为 由式(14)可知，如果以矢量的两个分量使用Simulink进行仿真，根据上述park矢量变换，将发电机正常和故障状态下的数学模型转换为动力学仿真模型(见图2)。模型的仿真参数如下： 额定功率24 kW;额定转速1 500 r/min; 额定电压400 V;额定电流43.2 A;极对数2;连接形式Y型；功率因数0.8;定子电阻0.106 5 Ω;转子电阻0.066 Ω;定子漏感1