多相环形无刷励磁机被广泛应用于大容量核电发电机组,实现对其内部故障的可靠保护,对保障核电发电机组的安全运行具有重要意义。因多相环形无刷励磁机为转枢式结构,旋转电枢绕组及二极管故障无法得到直接监测,但依据故障在定子励磁绕组中反应的特征来实现监测是一种有效的途径。本文针对核电多相环形无刷励磁机旋转电枢绕组及二极管故障展开了仿真建模、动模实验、故障特征机理分析以及保护方案设计等一系列研究工作。准确的仿真模型是研究故障特征和保护方案的基础。本文采用多回路方法,基于网络关联变换矩阵建立了核电多相环形无刷励磁机旋转电枢绕组及二极管故障的数学模型,编写了相应的仿真程序,可实现核电多相环形无刷励磁系统正常运行,旋转电枢绕组短路故障和旋转二极管开路故障的仿真。为验证所建立的多回路数学模型的正确性,本文在一台11相环形励磁机样机上分别进行了正常运行、电枢绕组短路故障以及整流二极管开路故障的仿真和实验。通过对比各种工况下样机的仿真波形和实验波形,初步验证了数学模型的正确性。通过对比稳态时的仿真波形和实验波形的谐波含量,进一步验证了数学模型的计算精度。本文从多相环形无刷励磁机的运行特性和电枢侧、励磁侧的相互感应关系入手,分别对励磁机正常运行、旋转电枢绕组短路故障以及旋转二极管开路故障情况下励磁电流的谐波特征及其机理进行了详细的理论分析。利用经过实验验证的多回路数学模型对实际励磁机不同运行工况进行仿真计算,仿真结果验证了理论分析的正确性。仿真结果与理论分析表明,不同运行情况下,励磁机定子励磁电流会出现不同的谐波特征。最后,本文根据仿真计算、实验研究和理论分析所得到的励磁机定子励磁电流的谐波特征,提出了多相环形无刷励磁机旋转电枢绕组及二极管故障的保护原理方法及其定值整定方法:利用谐波电流二、四次谐波比值实现了旋转电枢绕组和二极管故障的区分;利用奇、偶次谐波比值实现了旋转二极管一管开路和相开路故障的区分。本文提出的保护原理不用对励磁机进行改造,具有很强的实用性。本文的研究为实现对核电多相环形无刷励磁机旋转电枢绕组及二极管内部故障的可靠、灵敏保护奠定了基础,对保障大型无刷励磁发电机组的安全运行具有重要意义。