某直流发电系统负载电流降低故障分析及解决

向涛峰

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

某直流发电系统负载电流降低故障分析及解决

向涛峰

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

通过对某电机扩大机发电系统的研究，针对出现的负载电流降低的故障，从电机扩大机的工作原理出发，推导出发电系统的传递函数，并列出故障树，确定换向极绕组电阻Rh随温度升高而增大是该发电系统负载电流降低的主要因素。分析了整改措施，并利用Matlab/Simulink建立发电系统的仿真模型进行对比仿真，发现经过整改后的电机扩大机系统，故障得到了圆满解决［1］。

电机扩大机；直流发电系统；传递函数；故障树；仿真模型

引言

电机扩大机又叫交磁扩大机，具有许多独特的优点，可用于直流发电系统，是一种可以将小信号放大到几万倍的功率放大器。本文介绍的是某个利用电机扩大机进行功率放大的直流发电系统在工作时出现的负载电流降低的故障分析及解决，系统的负载电流指标将直接影响到整个系统的性能。

1　故障现象

该发电系统中的电机扩大机由柴油机组拖动，负载为螺线管。某次工作时发现，该发电系统的负载电流随着工作时间的增加而不断降低，在3 h后，额定电流由200 A降低到186 A。

2　原直流发电系统电路原理分析

电机扩大机的基本工作原理与普通直流发电机一样，主要区别在于扩大机利用了交轴电枢反应磁场，使一套电枢绕组实现两极放大，从而提高了放大系数［2-3］。原发电系统电路原理图1所示，图中：Lk、Rk分别为控制绕组电感和电阻；Lq、Rq分别为交轴辅助绕组电感和电阻；Rmk、Rmq为控制绕组和交轴辅助绕组的磁化电阻；ik为控制绕组的电流；eq为交轴输出电动势；iq为交轴辅助绕组的电流；ed为直轴输出电动势；i为负载电流；L、R分别为负载的电感和直流电阻；Lh和Rh分别为换向极绕组的电感和电阻，Uf为反馈电压。

当柴油机带动电机扩大机恒速旋转时，在控制绕组上加上励磁电压Uk，则空载电压的建立过程如下：

图1　原直流发电系统电路原理图

对式（1-5）采取拉氏变换，得到该发电系统近似为3个惯性环节串联再加上反馈环节组成，对应的方框图见下页图2。正常工作时该系统通过电压（由负载电流转换）负反馈将负载电流的峰值限制在200A。

图2　原直流发电系统传递函数

3　故障定位

该发电系统的负载电流i与励磁电压Uk等因素有关，列出故障树如图3所示。

图3　原直流发电系统负载电流降低故障树

针对故障树所列出各种可能性，进行逐一分析：1）励磁电压因素。该电机扩大机在试验过程中的励磁电压由试验台外部设备提供，经测试符合使用要求，并且在以往调试中均能正常使用。2）负载电感L变化因素。由于磁导率会随着温度的升高而略为下降，因此负载电感对输出电流的影响是正方向的，只会让负载电流略变大，所以该因素不予考虑。3）负载电阻R变化因素。长期工作后，负载（螺线管）的电阻会随温度升高而变大。经测试，该系统工作3 h后，负载（螺线管）温度升高到约35℃。设常温20℃时负载电阻为R，则由相关计算可以得到负载电阻升高到约1.06 R，因此负载电阻在长期工作后会使电流略变小。4）换向极绕组电感Lh变化因素。同二的分析方法，该因素不予考虑。5）换向极绕组电阻Rh变化因素。由于换向极位于电机扩大机内部，工作3 h后，温度会升高到100℃左右。设常温20℃时换向极绕组电阻为Rh，由相关计算可以得到换向极绕组电阻升高到约1.33 Rh，因此换向极绕组电阻在长期工作后会使电流大大减少。对比三和五，由于负载电阻比换向极绕组的温度升高要小的多，由此带来前者比后者阻值增加要小的多。换向极绕组电阻的增大很大程度上增强了电压负反馈，使得负载电流随着工作时间的增加而逐步降低。据此分析得出换向极绕组电阻Rh随温度升高而增大是该发电系统负载电流降低的主要因素。

4　整改措施

因为换向极绕组电阻Rh在长时间工作后温度急剧升高是故障主要因素，所以从这个主要因素考虑整改措施。如图4所示，将反馈电压取样从电机扩大机内部的换向极调整到电机扩大机外部的负载线路中，在负载线路中串联一个高精度的分流器，再将分流器的输出信号进行隔离放大k倍，从而得到新的反馈电压Uf。

图4　改进发电系统电路原理图

由于反馈电压取样用的分流器位于外部空间，且阻值Rf极小，因此工作时温度变化也非常小，所以可以将Rf近似的看作常数。改进后的发电系统传递函数如图5所示：

图5　改进发电系统传递函数

5　仿真验证

本文利用Matlab软件的Simulink动态仿真工具通过分析控制系统的传递函数，建立发电系统的仿真模型如下页图6所示，对发电系统的负载电流进行仿真。

在发电系统工作3h后，测得相关电阻参数。柴油机转速1500r/min恒定，在电机扩大机励磁输入端给定幅值为1V，周期为2s的正负交替脉冲信号，仿真步长设为Ts=1e-5s进行仿真。仿真得到负载电流i的波形如图7-1所示。可以发现电流i呈现周期性变化，周期同给定信号，电流峰值降低到180多安培。

图6　原发电系统仿真模型

图7　电流仿真波形

6　结语

电机扩大机由于具有很多优良性能，在很多领域都有广泛运用。本文针对其系统出现的负载电流降低的故障，从电机扩大机的工作原理出发，列出故障树，确定换向极绕组电阻Rh在长时间工作后，阻值随温度升高而迅速增大是故障的主要原因。采取相关措施整改后的该直流发电系统，故障得到了圆满解决。

［1］魏克新，王云亮，陈志敏.MATLAB语言与自动控制系统设计［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［2］杨学东，高森.某型电源车电机扩大机典型故障剖析及排除方法［J］.移动电源与车辆，2014（3）:35-36.

［3］温蕴璆，史乃.电机学［M］.北京:机械工业出版社，2000.

（编辑：王佳艺）

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

向涛峰（1980—），男，湖北宜昌人，硕士，毕业于重庆大学，工程师，研究方向：电力电子与电气传动。