艦船主變流機組火花試驗分析

蔣超利,吳旭升,高嵬,馮國利,孫盼

(海軍工程大學電氣工程學院,430033,武漢)

主變流機組是艦船上重要的交直流應急供電設備,對艦船的性能和安全有著舉足輕重的影響。調查發現,某艦于2015年和2017年分別出現了由機組直流電機火花偏大導致的輸出功率和轉矩不足現象,甚至是轉子燒毀等問題,對該艦的日常戰備訓練和安全運行造成了一定的影響,也對如何在線連續監測機組換向火花提出了新的要求。

主變流機組主要由直流電機和同步電機串聯組成,通過控制系統調節直流電機和同步電機的運行狀態。通常情況下,機組由直流電機啟動,當直流電機轉速達到額定轉速時,同步電機并網運行。在正常工況下,同步電機從電網獲取電能,拖動直流電機旋轉,使直流電機處于發電狀態,一方面給全艦部分直流負載供電,一方面給蓄電池組充電;在應急工況下,由蓄電池組向直流電機供電,帶動同步電機旋轉發電,保障全艦所有應急安全設備的用電需求。

目前,關于主變流機組的研究主要包括:文獻[1]對主變流機組的動態性能進行了深入研究,分析了機組在并網、突加突卸負載和短路工況下的運行特性;文獻[2-3]對機組中交流電機的勵磁控制系統進行了研究,分析了機組狀態切換及并網運行時勵磁電流的變化特性,為機組同步電機勵磁系統的設計提供了一定的參考;文獻[4]建立了機組的數學模型,并根據數學模型仿真研究了機組在啟動、并網和狀態切換時的運行特點,但該模型直接將電機發電狀態等效為電流源和導納的并聯,將電機電動狀態等效為負載,難以對直流電機電樞電流、同步電機端電壓等進行定量分析,與實際結果存在一定的誤差。關于艦船主變流機組的火花偏大問題,目前尚未見到相關研究,而關于單獨直流電機進行火花檢測的研究則相對較多,主要包括:①對換向火花的光譜圖像進行處理并提取火花圖像特征參數,根據火花特征參數判斷電機火花等級,但該方法對測試精度要求較高,火花特征參數不易確定[5];②采用光電倍增管測定火花發光能量,但該方法需要拆開電機,不適用于對電火花的連續監測[6];③用巔值伏特計測定火花的電壓幅值,將電壓的大小和火花等級對應起來,但該方法容易受到外界環境因素的干擾,難以保證電壓檢測精度[7]。

虛擬故障注入技術是一種靈活性較高的方法,相對于硬件故障注入技術,具有故障注入范圍廣、無需昂貴的附加硬件設備、不會對硬件造成任何損壞以及便于進行數據回收等優勢。從上文可以看出,目前采用虛擬故障技術對主變流機組火花偏大的研究較少。因此,本文在前人的研究基礎上,建立主變流機組數學模型,并根據數學模型搭建機組的仿真模型,通過引入Cassie電弧模型實現機組火花偏大的虛擬注入,通過仿真和試驗研究了火花偏大對機組運行特性的影響,結果表明,火花偏大會使直流電機電樞電流下降、紋波系數增大。本文研究可為機組火花偏大的檢測提供一種思路和參考。

1 主變流機組數學模型

圖1 主變流機組總體結構圖

1.1 直流電機數學模型

構建直流電機的等效電路模型,如圖2所示。由圖2可得直流電機電壓方程為

(1)

式中:Ud為直流電機的端電壓;Ea為反電動勢;Ia為電樞電流;Ra為電樞電阻;Uf為固定勵磁繞組勵磁電壓;Rf為固定勵磁繞組勵磁電阻;If為固定勵磁繞組勵磁電流;Lf為固定勵磁繞組勵磁電感;t為時間;Mfk為直流電機固定勵磁繞組和控制勵磁繞組之間的互感;Ik為控制勵磁繞組勵磁電流;Uk為控制勵磁繞組勵磁電壓;Rk為控制勵磁繞組勵磁電阻;Lk為控制勵磁繞組勵磁電感。

圖2 直流電機的等效電路模型

根據直流電機的基本方程,可得反電動勢為

Ea=Keφωm

(2)

φ=k1If+k2Ik

(3)

式中:Ke為反電動勢常數;φ為勵磁磁通;ωm為機械轉速;k1為固定勵磁繞組勵磁系數;k2為控制勵磁繞組勵磁系數。

同理,轉矩方程為

(4)

(5)

式中:p為極對數;J為轉動慣量;Tz為直流電機電磁轉矩;Ts為同步電機電磁轉矩。

1.2 直流電機與同步電機的機械耦合方程

直流電機拖動同步電機共軸旋轉,轉速相同,可以將同步電機看作是直流電機的機械負載,直流電機和同步電機轉矩滿足方程

（5）固定貿易成本 （ln open）對中國機械運輸設備出口的三元邊際影響顯著為正，表明 “一帶一路”沿線各國的經濟自由度越高，越有利于中國機械運輸設備的出口。

(6)

式中:G為機組旋轉部分的飛輪轉矩;n為機組轉速。

2 主變流機組仿真研究

根據第1節的數學模型,可以建立主變流機組的仿真模型[9-10],機組整體仿真框圖如圖3所示。

圖3 機組總體仿真框圖

從圖3可以看出,直流電機拖動同步電機共軸旋轉,通過控制直流電機轉速可以保持同步電機電壓電流的頻率穩定,通過控制同步電機的勵磁電流可以保持端電壓幅值的穩定。同步電機向交流負載供電,同時作為直流電機的負載。

當機組處于正常工況、同步電機接額定負載時,對機組運行狀態進行仿真。設定仿真時間為20 s,仿真結果采用歸一化表示,得到機組轉速、直流電機電樞電流、同步電機三相電流及同步電機端電壓的波形,如圖4所示。

(a)機組轉速

(b)直流電機電樞電流

(c)同步電機三相電流

(d)同步電機端電壓圖4 額定工況下機組運行狀態的仿真波形圖

由圖4可以看出,機組轉速、直流電機電樞電流、同步電機三相電流、同步電機端電壓在經過大約2 s的波動后,均達到額定值1并保持穩定,可見仿真模型對機組轉速和電壓幅值的控制效果較好,并且仿真結果與理論分析及實際情況基本一致,驗證了所建模型的正確性。

3 火花偏大機理及仿真研究

3.1 電磁火花的產生機理分析

直流電機運行時,隨著電樞的旋轉,組成電樞繞組的元件會不斷從一條支路離開并進入相鄰的支路,期間元件會被電刷短路,元件中電流改變方向的過程稱為換向過程,如圖5所示。

(a)電刷與換相片 (b)電刷與換相片1和 (c)電刷與換向片1完全接觸 換相片2同時接觸 2完全接觸圖5 直流電機換向過程示意圖

為了便于理解,對直流電機換向過程進行了簡化,僅以單疊繞組中元件1中電流的變化來說明換向的具體過程。假設電刷的寬度與換相片的寬度相等,電樞繞組從右向左運動,根據相對運動原則,可以看作是電刷從左向右運動。圖5a是電刷與換相片1完全接觸的情況,此時流過元件1中的電流為順時針方向,記為+Ia。圖5b是電刷與換相片1和換相片2同時接觸的情況,此時元件1被短路,元件1中的電流記為換向電流I,當元件1中的感應電動勢為0時,I為0,當元件1中的感應電動勢不為0時,I不為0。根據楞次定律可知,I的方向與換向前元件1中的電流保持一致,對換向過程有一定的阻礙作用。圖5c是電刷與換向片2完全接觸時的情況,此時元件1中的電流方向變為逆時針方向,記為-Ia。從換向開始到換向結束所用的時間稱為換向周期,一般情況下換向周期很小,只有幾毫秒,但換向過程的好壞直接影響到直流電機的工作性能,當換向不良時,在電刷和換相片之間會產生電火花。火花較小時,對直流電機的運行特性影響不大,但火花偏大時,會燒壞電刷或換相片,使電機不能正常工作,嚴重時在正負電刷之間會形成很長的電弧,導致環火故障,燒壞電樞繞組。

根據產生換向火花的原因,可以將火花分為電磁性火花和機械性火花兩大類,其中又以電磁性火花為主。直流電機在換向過程中,組成電樞繞組的元件中的電流方向會改變。在一個換向周期內,由于換向元件中的電流由Ia變為-Ia,將會在元件內部產生自感電動勢。另外,由于在實際直流電機中,同一個換相片會與多個元件相連,因此元件之間會產生互感電動勢,自感電動勢和互感電動勢的矢量和稱為電抗電動勢,根據楞次定律可知,電抗電動勢對直流電機的換向過程起阻礙作用。

此外,當直流電機空載時,勵磁磁動勢單獨作用產生的氣隙磁通密度為一平頂波,且關于磁極軸線上下對稱,此時電刷所在位置對應的磁通密度為零。當直流電機接負載時,流入電樞繞組的電流會感應出一個磁通,該磁通會導致氣隙磁通的空間分布發生畸變,這個過程稱為電樞反應。由于電樞反應,氣隙磁通密度為零的空間幾何位置會發生偏移,使電刷處的磁通密度不為零。當換向元件與電刷接觸時,會切割磁感線感應出旋轉電動勢,同理,該旋轉電動勢總是對直流電機的換向過程起阻礙作用。

電抗電動勢和電樞反應電動勢越大,對電流換向的阻礙就越大,換向結束時,元件中剩余的附加電流也就越大。換向元件與電刷空間分離時,元件中儲存的能量會以孤光放電的形式釋放出來,因而在電刷和換向器之間產生火花放電現象。

根據以上分析,可以將機組直流電機電刷和換相片之間的火花看成是電弧,該電弧串聯在直流電機電樞回路中,在火花不大時,這部分電弧主要起到串聯分壓的作用。由于直流電機存在多個電刷和換向片,且轉速較快,電刷的寬度較窄,因而兩電弧之間的時間間隔較短,即電弧周期較小。該結論為后續多個周期電弧的仿真研究提供了思路。

3.2 Cassie電弧模型

目前,常用的電弧模型主要有物理模型和黑盒模型。物理模型可以比較精確地揭示電弧內部物理過程,但需要考慮電場、磁場、熱場等物理場的耦合關系,求解時間較長且求解過程非常復雜,在一定程度上限制了物理模型的使用范圍[11]。黑盒模型不考慮電弧內部復雜的物理過程,將電弧視為一個由時間變量及電弧參數表示的電路元件,反映出電弧電壓、電弧電流、電弧電導等參數之間的相互關系,因其計算和使用較為簡單,多采用黑盒模型進行定性研究[12-14]。

Cassie從宏觀的角度研究了電弧的外特性,于1993年提出了Cassie黑盒電弧模型,該模型基于以下假設[15]:

(1)電弧具有圓柱形的氣體通道,其截面溫度分布均勻;

(2)電弧通道具有明確的界限,在界限以外的氣體電導率很小;

(3)電弧的溫度在時間和空間上保持不變;

(4)不考慮從電極區域散出的能量,電弧等離子體能量和能量散出速度與弧柱橫截面的變化成正比。

基于以上假設,Cassie電弧模型的數學表示式為

(7)

(8)

式中:g為單位長度電弧的電導;τc為時間常數;u為電弧電壓;Uc為電弧電壓梯度;Iarc為電弧電流。

3.3 火花偏大仿真研究

根據第3.1節對直流電機電磁火花機理及第3.2節對Cassie電弧模型的分析,可以將Cassie電弧模型近似為火花數學模型,通過將Cassie電弧模型串聯至直流電機電樞回路中,實現機組火花偏大的虛擬注入,仿真研究火花偏大對機組運行特性的影響并與正常工況下機組的運行特性進行對比。由于Cassie電弧模型一次只能產生一個電弧[16-20],且持續時間極短,與實際機組直流電機存在的火花偏大不一致,因此本文對Cassie電弧模型做了一定改進,使其可以輸出多個周期性電弧電壓,以便于研究分析多個連續周期電弧對機組運行特性的影響。串聯型電弧示意圖及多個連續周期電弧電壓波形如圖6所示。

(a)串聯型電弧

(b)電弧電壓圖6 電弧示意圖

在三相同步電機分別帶20%負載、半載和滿載3種工況下,仿真研究多個連續周期性電弧對機組運行特性的影響。設定在10 s時刻起弧,電弧周期為0.2 s,仿真時間為20 s,分別采集直流電機電樞電流波形并對其進行歸一化,結果如圖7所示。

(a)20%負載

(b)半載

(c)滿載圖7 不同負載下周期性火花偏大時的仿真直流電機電樞電流

從圖7可以看出:無論同步電機帶20%負載、半載還是滿載,在機組直流電機正常工作時(0～10 s),電樞電流均比較平滑,當機組同步電機發生火花偏大后(10～20 s),電樞電流有下降趨勢且開始波動。

當同步電機帶滿載時,直流電機可能會處于正常工作或火花偏大工況。分別對這兩種工況下的直流電機電樞電流進行傅里葉變換,分析紋波系數。選取50個周期的基準數據,設置基準頻率為50 Hz、最大頻率為1 kHz、計算起始時刻分別為8 s和14 s,變換結果如圖8所示。

(a)直流電機正常工作

(b)直流電機火花偏大圖8 不同工況下直流電機電樞電流的傅里葉變換結果

分析圖8可知:在正常工況下,直流分量平均值為1,紋波系數為0,這與軟件本身的理想特性有關;在火花偏大工況下,直流分量平均值為96.75%,紋波系數為0.23%。因此,可以初步確定火花偏大會使直流電機電樞電流紋波系數增大。

4 火花偏大試驗研究

4.1 試驗硬件組成

圖9 總體試驗平臺

由于試驗條件所限,火花偏大試驗在一臺4 kW主變流機組原型樣機上進行。該樣機由一臺直流電機和一臺三相同步電機組成,主要通過調節機組直流電機電刷的位置,使直流電機產生火花偏大現象。在樣機上進行試驗,一方面可以驗證仿真電弧模型的正確性,另一方面可以為機組火花檢測提供參考。試驗總體硬件平臺如圖9所示。樣機部分參數如表1所示。

表1 4 kW主變流機組部分參數

4.2 試驗結果及分析

為便于觀察火花大小,在整個試驗過程中保持室內黑暗。分別在直流電機正常工作及發生火花偏大現象時,同步電機帶20%負載、半載和滿載共6種工況下,采集直流電機電樞電流和同步電機A相電流波形,結果如圖10所示。

(a)直流電機正常工作時同步電機帶20%負載

(b)直流電機正常工作時同步電機帶半載

(c)直流電機正常工作時同步電機帶滿載

(d)直流電機火花偏大時同步電機帶20%負載

(e)直流電機火花偏大時同步電機帶半載

(f)直流電機火花偏大時同步電機帶滿載圖10 直流電機電樞電流和同步電機A相電流試驗波形

綜合觀察和分析圖10a～f,可以得出:在正常工作下,直流電機電樞電流波形較為平直;火花偏大時,直流電機電樞電流存在微小的周期性小脈動;由于樣機功率較小且機組直流電機和同步電機為機械耦合,火花偏大對同步電機交流電流的影響不大。

分別對6組試驗中直流電機電樞電流進行傅里葉變換,并計算電樞電流的紋波系數,結果如表2所示。

表2 直流電機電樞電流的紋波系數

分析表2可以看出:對于縱向對比,無論是否存在火花偏大,隨著同步電機負載的增加,直流電機電樞電流紋波系數逐漸減小,這與負載的穩定性有一定的關系;對于橫向對比,在同等負載條件下,火花偏大時直流電機電樞電流紋波系數比正常工作工況下的紋波系數大,與第3節的仿真結果基本保持一致,也驗證了火花偏大發生后,直流電機電樞電流紋波系數會增加的結論。

5 結 論

針對當前艦船主變流機組存在的火花偏大現象,本文重點研究分析了機組直流電機的數學模型并進行了仿真試驗,仿真結果與理論分析及實際情況基本保持一致,驗證了所建模型的正確性。通過引入Cassie電弧模型,并將該模型串聯至機組直流電機電樞回路中,實現了火花偏大的虛擬注入,研究了火花偏大對機組直流電機電樞電流紋波系數的影響,仿真結果表明,火花偏大會使直流電機電樞電流下降、紋波系數增加,與負載大小無關。在一臺4 kW主變流機組原型樣機上進行試驗驗證,通過調節直流電機刷架的位置,使直流電機發生電磁性火花偏大,研究火花偏大對直流電機電樞電流的影響,試驗結果表明:無論是否存在火花偏大,隨著機組負載的增加,直流電機電樞電流紋波系數減小;在同等負載條件下,火花偏大時直流電機電樞電流的紋波系數比正常工況下的紋波系數大;試驗結果與仿真結果一致,仿真模型正確且有效。本文研究可為機組火花偏大的在線監測及故障診斷提供參考。