某直流發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載電流降低故障分析及解決

向濤峰

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

某直流發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載電流降低故障分析及解決

向濤峰

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

通過對(duì)某電機(jī)擴(kuò)大機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的研究，針對(duì)出現(xiàn)的負(fù)載電流降低的故障，從電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的工作原理出發(fā)，推導(dǎo)出發(fā)電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并列出故障樹，確定換向極繞組電阻Rh隨溫度升高而增大是該發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載電流降低的主要因素。分析了整改措施，并利用Matlab/Simulink建立發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過整改后的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)系統(tǒng)，故障得到了圓滿解決［1］。

電機(jī)擴(kuò)大機(jī)；直流發(fā)電系統(tǒng)；傳遞函數(shù)；故障樹；仿真模型

引言

電機(jī)擴(kuò)大機(jī)又叫交磁擴(kuò)大機(jī)，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可用于直流發(fā)電系統(tǒng)，是一種可以將小信號(hào)放大到幾萬倍的功率放大器。本文介紹的是某個(gè)利用電機(jī)擴(kuò)大機(jī)進(jìn)行功率放大的直流發(fā)電系統(tǒng)在工作時(shí)出現(xiàn)的負(fù)載電流降低的故障分析及解決，系統(tǒng)的負(fù)載電流指標(biāo)將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。

1　故障現(xiàn)象

該發(fā)電系統(tǒng)中的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)由柴油機(jī)組拖動(dòng)，負(fù)載為螺線管。某次工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，該發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載電流隨著工作時(shí)間的增加而不斷降低，在3 h后，額定電流由200 A降低到186 A。

2　原直流發(fā)電系統(tǒng)電路原理分析

電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的基本工作原理與普通直流發(fā)電機(jī)一樣，主要區(qū)別在于擴(kuò)大機(jī)利用了交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，使一套電樞繞組實(shí)現(xiàn)兩極放大，從而提高了放大系數(shù)［2-3］。原發(fā)電系統(tǒng)電路原理圖1所示，圖中：Lk、Rk分別為控制繞組電感和電阻；Lq、Rq分別為交軸輔助繞組電感和電阻；Rmk、Rmq為控制繞組和交軸輔助繞組的磁化電阻；ik為控制繞組的電流；eq為交軸輸出電動(dòng)勢(shì)；iq為交軸輔助繞組的電流；ed為直軸輸出電動(dòng)勢(shì)；i為負(fù)載電流；L、R分別為負(fù)載的電感和直流電阻；Lh和Rh分別為換向極繞組的電感和電阻，Uf為反饋電壓。

當(dāng)柴油機(jī)帶動(dòng)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在控制繞組上加上勵(lì)磁電壓Uk，則空載電壓的建立過程如下：

圖1　原直流發(fā)電系統(tǒng)電路原理圖

對(duì)式（1-5）采取拉氏變換，得到該發(fā)電系統(tǒng)近似為3個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)再加上反饋環(huán)節(jié)組成，對(duì)應(yīng)的方框圖見下頁圖2。正常工作時(shí)該系統(tǒng)通過電壓（由負(fù)載電流轉(zhuǎn)換）負(fù)反饋將負(fù)載電流的峰值限制在200A。

圖2　原直流發(fā)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)

3　故障定位

該發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載電流i與勵(lì)磁電壓Uk等因素有關(guān)，列出故障樹如圖3所示。

圖3　原直流發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載電流降低故障樹

針對(duì)故障樹所列出各種可能性，進(jìn)行逐一分析：1）勵(lì)磁電壓因素。該電機(jī)擴(kuò)大機(jī)在試驗(yàn)過程中的勵(lì)磁電壓由試驗(yàn)臺(tái)外部設(shè)備提供，經(jīng)測(cè)試符合使用要求，并且在以往調(diào)試中均能正常使用。2）負(fù)載電感L變化因素。由于磁導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的升高而略為下降，因此負(fù)載電感對(duì)輸出電流的影響是正方向的，只會(huì)讓負(fù)載電流略變大，所以該因素不予考慮。3）負(fù)載電阻R變化因素。長期工作后，負(fù)載（螺線管）的電阻會(huì)隨溫度升高而變大。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)工作3 h后，負(fù)載（螺線管）溫度升高到約35℃。設(shè)常溫20℃時(shí)負(fù)載電阻為R，則由相關(guān)計(jì)算可以得到負(fù)載電阻升高到約1.06 R，因此負(fù)載電阻在長期工作后會(huì)使電流略變小。4）換向極繞組電感Lh變化因素。同二的分析方法，該因素不予考慮。5）換向極繞組電阻Rh變化因素。由于換向極位于電機(jī)擴(kuò)大機(jī)內(nèi)部，工作3 h后，溫度會(huì)升高到100℃左右。設(shè)常溫20℃時(shí)換向極繞組電阻為Rh，由相關(guān)計(jì)算可以得到換向極繞組電阻升高到約1.33 Rh，因此換向極繞組電阻在長期工作后會(huì)使電流大大減少。對(duì)比三和五，由于負(fù)載電阻比換向極繞組的溫度升高要小的多，由此帶來前者比后者阻值增加要小的多。換向極繞組電阻的增大很大程度上增強(qiáng)了電壓負(fù)反饋，使得負(fù)載電流隨著工作時(shí)間的增加而逐步降低。據(jù)此分析得出換向極繞組電阻Rh隨溫度升高而增大是該發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載電流降低的主要因素。

4　整改措施

因?yàn)閾Q向極繞組電阻Rh在長時(shí)間工作后溫度急劇升高是故障主要因素，所以從這個(gè)主要因素考慮整改措施。如圖4所示，將反饋電壓取樣從電機(jī)擴(kuò)大機(jī)內(nèi)部的換向極調(diào)整到電機(jī)擴(kuò)大機(jī)外部的負(fù)載線路中，在負(fù)載線路中串聯(lián)一個(gè)高精度的分流器，再將分流器的輸出信號(hào)進(jìn)行隔離放大k倍，從而得到新的反饋電壓Uf。

圖4　改進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)電路原理圖

由于反饋電壓取樣用的分流器位于外部空間，且阻值Rf極小，因此工作時(shí)溫度變化也非常小，所以可以將Rf近似的看作常數(shù)。改進(jìn)后的發(fā)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)如圖5所示：

圖5　改進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)

5　仿真驗(yàn)證

本文利用Matlab軟件的Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具通過分析控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，建立發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型如下頁圖6所示，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載電流進(jìn)行仿真。

在發(fā)電系統(tǒng)工作3h后，測(cè)得相關(guān)電阻參數(shù)。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min恒定，在電機(jī)擴(kuò)大機(jī)勵(lì)磁輸入端給定幅值為1V，周期為2s的正負(fù)交替脈沖信號(hào)，仿真步長設(shè)為Ts=1e-5s進(jìn)行仿真。仿真得到負(fù)載電流i的波形如圖7-1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)電流i呈現(xiàn)周期性變化，周期同給定信號(hào)，電流峰值降低到180多安培。

圖6　原發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

圖7　電流仿真波形

6　結(jié)語

電機(jī)擴(kuò)大機(jī)由于具有很多優(yōu)良性能，在很多領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用。本文針對(duì)其系統(tǒng)出現(xiàn)的負(fù)載電流降低的故障，從電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的工作原理出發(fā)，列出故障樹，確定換向極繞組電阻Rh在長時(shí)間工作后，阻值隨溫度升高而迅速增大是故障的主要原因。采取相關(guān)措施整改后的該直流發(fā)電系統(tǒng)，故障得到了圓滿解決。

［1］魏克新，王云亮，陳志敏.MATLAB語言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］楊學(xué)東，高森.某型電源車電機(jī)擴(kuò)大機(jī)典型故障剖析及排除方法［J］.移動(dòng)電源與車輛，2014（3）:35-36.

［3］溫蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

（編輯：王佳藝）

Fault Analysis and Solution of Load Current in a DC Power Generation System

Xiang Taofeng
（China Shipbuilding Industry Corporation Seven One Zero Institute Research Institute，Yichang Hubei 443003）

This paper studies the motor to expand the machine power system，aiming at the fault of the load current is reduced，the motor from the expanding machine working principle of，the transfer function of the power system is derived and，and a list of fault tree and determine the commutating pole winding resistance RH of with the increase of temperature increase is the main factor of the power system load current is reduced.Analysis of the rectification measures，and the use of Matlab/Simulink to build a power generation system simulation model to compare the simulation，found that after the rectification of the motor to expand the system，the fault has been successfully resolved［1］.

motor expansion machine；DC power generation system；transfer function；fault tree；simulation model

TM855

A

2095-0748（2016）13-0040-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.13

2016-05-30

向濤峰（1980—），男，湖北宜昌人，碩士，畢業(yè)于重慶大學(xué)，工程師，研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。