某直流發電系統負載電流降低故障分析及解決

向濤峰

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

某直流發電系統負載電流降低故障分析及解決

向濤峰

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

通過對某電機擴大機發電系統的研究，針對出現的負載電流降低的故障，從電機擴大機的工作原理出發，推導出發電系統的傳遞函數，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電系統負載電流降低的主要因素。分析了整改措施，并利用Matlab/Simulink建立發電系統的仿真模型進行對比仿真，發現經過整改后的電機擴大機系統，故障得到了圓滿解決［1］。

電機擴大機；直流發電系統；傳遞函數；故障樹；仿真模型

引言

電機擴大機又叫交磁擴大機，具有許多獨特的優點，可用于直流發電系統，是一種可以將小信號放大到幾萬倍的功率放大器。本文介紹的是某個利用電機擴大機進行功率放大的直流發電系統在工作時出現的負載電流降低的故障分析及解決，系統的負載電流指標將直接影響到整個系統的性能。

1　故障現象

該發電系統中的電機擴大機由柴油機組拖動，負載為螺線管。某次工作時發現，該發電系統的負載電流隨著工作時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　原直流發電系統電路原理分析

電機擴大機的基本工作原理與普通直流發電機一樣，主要區別在于擴大機利用了交軸電樞反應磁場，使一套電樞繞組實現兩極放大，從而提高了放大系數［2-3］。原發電系統電路原理圖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為交軸輸出電動勢；iq為交軸輔助繞組的電流；ed為直軸輸出電動勢；i為負載電流；L、R分別為負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。

當柴油機帶動電機擴大機恒速旋轉時，在控制繞組上加上勵磁電壓Uk，則空載電壓的建立過程如下：

圖1　原直流發電系統電路原理圖

對式（1-5）采取拉氏變換，得到該發電系統近似為3個慣性環節串聯再加上反饋環節組成，對應的方框圖見下頁圖2。正常工作時該系統通過電壓（由負載電流轉換）負反饋將負載電流的峰值限制在200A。

圖2　原直流發電系統傳遞函數

3　故障定位

該發電系統的負載電流i與勵磁電壓Uk等因素有關，列出故障樹如圖3所示。

圖3　原直流發電系統負載電流降低故障樹

針對故障樹所列出各種可能性，進行逐一分析：1）勵磁電壓因素。該電機擴大機在試驗過程中的勵磁電壓由試驗臺外部設備提供，經測試符合使用要求，并且在以往調試中均能正常使用。2）負載電感L變化因素。由于磁導率會隨著溫度的升高而略為下降，因此負載電感對輸出電流的影響是正方向的，只會讓負載電流略變大，所以該因素不予考慮。3）負載電阻R變化因素。長期工作后，負載（螺線管）的電阻會隨溫度升高而變大。經測試，該系統工作3 h后，負載（螺線管）溫度升高到約35℃。設常溫20℃時負載電阻為R，則由相關計算可以得到負載電阻升高到約1.06 R，因此負載電阻在長期工作后會使電流略變小。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擴大機內部，工作3 h后，溫度會升高到100℃左右。設常溫20℃時換向極繞組電阻為Rh，由相關計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使電流大大減少。對比三和五，由于負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了電壓負反饋，使得負載電流隨著工作時間的增加而逐步降低。據此分析得出換向極繞組電阻Rh隨溫度升高而增大是該發電系統負載電流降低的主要因素。

4　整改措施

因為換向極繞組電阻Rh在長時間工作后溫度急劇升高是故障主要因素，所以從這個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擴大機內部的換向極調整到電機擴大機外部的負載線路中，在負載線路中串聯一個高精度的分流器，再將分流器的輸出信號進行隔離放大k倍，從而得到新的反饋電壓Uf。

圖4　改進發電系統電路原理圖

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，因此工作時溫度變化也非常小，所以可以將Rf近似的看作常數。改進后的發電系統傳遞函數如圖5所示：

圖5　改進發電系統傳遞函數

5　仿真驗證

本文利用Matlab軟件的Simulink動態仿真工具通過分析控制系統的傳遞函數，建立發電系統的仿真模型如下頁圖6所示，對發電系統的負載電流進行仿真。

在發電系統工作3h后，測得相關電阻參數。柴油機轉速1500r/min恒定，在電機擴大機勵磁輸入端給定幅值為1V，周期為2s的正負交替脈沖信號，仿真步長設為Ts=1e-5s進行仿真。仿真得到負載電流i的波形如圖7-1所示?？梢园l現電流i呈現周期性變化，周期同給定信號，電流峰值降低到180多安培。

圖6　原發電系統仿真模型

圖7　電流仿真波形

6　結語

電機擴大機由于具有很多優良性能，在很多領域都有廣泛運用。本文針對其系統出現的負載電流降低的故障，從電機擴大機的工作原理出發，列出故障樹，確定換向極繞組電阻Rh在長時間工作后，阻值隨溫度升高而迅速增大是故障的主要原因。采取相關措施整改后的該直流發電系統，故障得到了圓滿解決。

［1］魏克新，王云亮，陳志敏.MATLAB語言與自動控制系統設計［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［2］楊學東，高森.某型電源車電機擴大機典型故障剖析及排除方法［J］.移動電源與車輛，2014（3）:35-36.

［3］溫蘊璆，史乃.電機學［M］.北京:機械工業出版社，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，畢業于重慶大學，工程師，研究方向：電力電子與電氣傳動。