某型充電發電機可靠性試驗系統設計與仿真

呂飛，張松濤，吉哲

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某型充電發電機可靠性試驗系統設計與仿真

呂飛，張松濤，吉哲

（海軍蚌埠士官學校機電系，安徽蚌埠 233012）

十二相整流充電發電機常應用于需要高品質直流電源的場所，充電發電機的可靠性試驗可以為該型電機的運行狀況、維護保養及確定修理周期提供科學依據。文章結合可靠性試驗的基本理論，分析了充電發電機恒定應力加速可靠性試驗方案，設計了發電機輸出作為直流電動機電源的能量反饋試驗拖動系統，并進行了基于PSCAD/EMTDC的可靠性試驗系統的動態性能仿真分析。仿真結果表明能量反饋可靠性試驗系統響應快、穩定性良好。

充電發電機 可靠性試驗 PSCAD/EMTDC 加速壽命試驗

0 引言

十二相整流的直流電壓脈動系數比三、六相整流的電壓脈動系數小得多，在需要較高品質直流電源的場所，往往采用十二相整流充電發電機來提供高品質、大功率的直流電源[1]。該型電機由于結構、功能復雜而引發的故障概率逐漸增多，往往電機中某一零部件失敗，都可能導致整機的失敗。對電機進行可靠性試驗研究，初步確定其可靠性特征，可以為該型電機的運行、監測、維護和保養以及確定修理周期提供科學依據[2]。

該文針對研究對象，結合可靠性試驗的基本理論，分析給出了充電發電機恒定應力加速壽命試驗方案，設計了發電機輸出做為直流電動機電源的能量反饋試驗拖動系統，并進行了基于PSCAD/EMTDC可靠性試驗系統的動態性能仿真分析研究。

1 充電發電機可靠性試驗方案

1.1可靠性試驗類型及方法

可靠性是產品在規定的條件下、規定時間內完成規定功能的能力。可靠性試驗是指為調查、分析和評價產品的可靠性而進行的各種試驗，其目的是通過試驗結果分析和故障機理分析，評估產品可靠性水平，發現產品可靠性的薄弱環節，提出有針對性的改進建議，以便提高產品的可靠性。

可靠性試驗的類型很多，而且類型的劃分又各不相同。按試驗目的劃分，可分為工程試驗和統計試驗。以試驗場所劃分，可分為使用現場試驗和實驗室試驗等[3]。

壽命試驗是評價產品的壽命特征的可靠性試驗，是可靠性試驗中最重要、最基本的試驗。壽命試驗按照樣品失效情況可分為完全壽命試驗、截尾壽命試驗及加速壽命試驗[4]。

1.2充電發電機可靠性模型

可靠性模型是根據系統單元的可靠性框圖，按照單元串連、并聯的模型公式，得出系統的可靠性模型。

該型充電發電機結構復雜，是由旋轉磁場同步發電機本體、整流裝置、交流勵磁機、勵磁調節裝置、內置溫度傳感器等組成，根據其結構和功能原理，充電發電機可靠性框圖如圖1所示。發電機本體、交流勵磁機和勵磁調節系統為串連模型，而且發電機本體和勵磁機都可等效為各自定子繞組和轉子繞組的串聯模型。可見，只要這些定子和轉子繞組中有一個部分出現故障，則會引起該發電機系統的故障。

圖1 充電發電機可靠性框圖

1.3充電發電機小子樣加速壽命試驗方案

該型充電發電機屬于比較特殊、復雜、昂貴和高可靠性的產品，通常進行小子樣條件下的可靠性性試驗。為了研究小子樣產品的可靠性，常用的措施是將產品置于較為嚴酷條件下進行可靠性試驗。文獻[5]提出了將產品置于嚴酷條件（提高產品承受的應力）下進行可靠性試驗。

為了盡量縮短試驗時間，又要保證小子樣條件下進行壽命評估的可信度，考慮采用加速壽命試驗方法。在不改變充電發電機失效機理的條件下，通過提高其承受的應力，來加速電機的失效。由于恒定應力加速壽命試驗方法較為成熟，它的精度也高一些，且操作簡單，所以進行壽命試驗時應保持加速應力恒定。

通過對該型電機失效機理的分析[6]，選擇溫度應力和電應力作為加速應力，采用適度提高電機所處環境的溫度和增大電機負載，利用二者組合的方法來提高試驗應力，加速電機繞組絕緣材料的老化；選擇適當增大電機空載起動、停車的次數和突加、突卸負載的次數，加速轉子勵磁繞組的變形。根據充電發電機具體應用場所及使用情況，制定具體的環境模擬與電機運行加速壽命試驗方案。

2 充電發電機可靠性試驗拖動系統設計

2.1充電發電機帶電阻性負載試驗系統

發電機在實際工作中是用汽輪機或柴油機作為原動機，在實驗室中顯然不可能用此方法進行試驗，一般采用電動機作為原動機拖動充電發電機進行可靠性試驗。

充電發電機帶電阻性負載試驗系統示意圖，如圖2所示。圖2中為直流電動機作為原動機，G為充電發電機，R為負載。

圖2 充電發電機帶電阻性負載試驗

該型充電發電機的額定功率約為900 kW，如果按照試驗運行周期5000 h，充電發電機效率為95％，電動機效率為92％計算，該試驗總共所需用電量約為500萬度，取電費約為0.8元/度，則試驗機組僅用電經費就將高達約400萬元人民幣。

2.2充電發電機能量反饋試驗系統

充電發電機帶電阻性負載試驗系統存在耗電量大，試驗經費高的問題。本文采用能量反饋可靠性試驗拖動系統，如圖3所示。

圖3中T為三相同步電動機，為直流電動機，G為充電發電機。同步電動機和直流電動機同軸連接，直流電動機的另一端經齒輪箱與充電發電機連接，三相同步電動機由高壓交流電網（10 kV）直接供電，另有一套起動電源（690 V），采用三相可控整流橋起動柜起動直流電動機。

如圖3所示，接通整流橋驅動直流電動機（）到額定轉速，調節三相同步電動機（T）勵磁電流，建立電壓為10 kV；將三相同步電動機與10 kV高壓交流電網并網，切斷整流橋，由三相同步電動機拖動機組（G）空載運行；調整充電發電機空載電壓，可模擬緩慢加載、突加負載等試驗；合上發電機輸出開關，使發電機輸出電功率。

圖3 充電發電機能量反饋可靠性試驗系統原理圖

系統穩定運行后，充電發電機（G）負載只有直流電動機電樞回路，發電機的輸出電功率即為直流電動機的輸入電功率，所以該系統為能量全部隨動反饋系統。只需調節充電發電機勵磁電流就可以改變輸出功率大小。

圖4 充電發電機能量反饋可靠性試驗系統能量流程圖

充電發電機能量反饋可靠性試驗系統的能量流程如圖4所示，發電機輸出功率（P）全部反饋給直流電動機，同步電動機輸出（2）只要補償整個試驗系統的損耗功率。經估算能量反饋試驗系統耗電量（P）為電阻性負載試驗系統的15％左右，大大節約了試驗經費[7]。

3 試驗系統仿真及分析

3.1試驗系統仿真模型

PSCAD／EMTDC 是一款電力系統電磁暫態仿真軟件，由于具有計算容量大、元件模型庫完整、界面友好及開放性良好等特點，被國內外科研機構、學校和電氣工程師廣泛使用。

文獻[8]給出了十二相（四Y移15°）同步發電機的數學及仿真模型，三相同步電動機的仿真模型、直流電動機的仿真模型可直接從PSCAD元件模型庫中直接調用。

能量反饋可靠性試驗系統是由三臺同軸電機組成，系統的轉子運動方程與單臺電機不同，轉子同時受到三臺電機電磁轉矩的作用，系統轉子運動方程，如式（1）所示。

利用PSCAD元件庫中的基本運算模塊搭建成轉子運動方程的仿真模型如圖5所示。

圖5 試驗系統轉子運動方程仿真框圖

將十二相同步發電機、三相同步電動機、直流電動機以及試驗系統轉子運動方程仿真模型進行組合可得到整個系統的總仿真模型。

3.2試驗系統突加突卸載動態仿真

仿真說明：試驗系統空載穩定運行，系統機組由三相同步電動機拖動，充電發電機以額定轉速運行，發電機與直流電動機的開關為斷開狀態。21 s時閉合充電發電機與直流電動機之間的開關，發電機突加負載，試驗系統機組由空載狀態過渡到負載狀態。27 s時斷開發電機與直流電動機之間的開關，試驗系統機組由負載狀態過渡到空載狀態。

突加突卸載過程中，三相同步電動機、直流電動機和充電發電機的電磁轉矩仿真波形如圖6所示，充電發電機輸出電壓、電流仿真波形如圖7所示。

（a）三相同步電動機電磁轉矩（T）波形

（b）直流電動機、發電機電磁轉矩（T、T）波形

圖6 突加突卸載時電磁轉矩仿真波形

（a）充電發電機輸出電壓（E）波形

（b）充電發電機輸出電流（I）波形

圖7 突加突卸載時充電發電機輸出電壓、電流仿真波形

由圖6、圖7所示，21 s前試驗系統充電發電機空載穩定運行，21 s時突加負載，約2 s后（23 s），系統帶載穩定運行，27 s時突卸負載，約4 s后（31 s），系統恢復空載穩定運行。仿真結果表明能量反饋可靠性試驗系統響應快、穩定性良好。

4 結論

可靠性試驗研究可為充電發電機的運行狀況、維護保養及確定修理周期提供科學依據。設計合理的可靠性試驗系統是試驗的重點，而試驗系統仿真是實際試驗的前提工作。本文結合可靠性試驗的基本理論，分析設計充電發電機可靠性試驗系統，并對可靠性試驗系統進行動態性能仿真分析，仿真結果表明能量反饋可靠性試驗系統響應快、穩定性良好。

[1] 馬偉明, 胡安, 袁立軍. 十二相同步發電機整流系統直流測突然短路的研究[J]. 中國電機工程學報, 1999, 19(3): 31-36.

[2] 黃洪劍, 林瑞光. 無刷直流電機加速壽命試驗[J]. 中小型電機, 2000, 27(6): 43-46.

[3] 金碧輝. 系統可靠性工程[M]. 北京: 國防工業出版社, 2004.

[4] 劉明治. 可靠性試驗[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004.

[5] 李超, 王金諾. 小子樣機械產品可靠性試驗研究[J]. 中國機械工程, 2004, 15(21): 1898-1902.

[6] 孫云鵬. 某型充電發電機可靠性及壽命試驗系統研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2006.

[7] 付立軍, 馬偉明, 劉德志. 十二/三相感應發電機的數值仿真與試驗[J]. 電工技術學報, 2005, 20(6): 6-10.

[8] 孫云鵬, 付立軍, 劉德志. 某型發電機可靠性試驗系統研究[J]. 海軍工程大學學報, 2007, 19(1): 5-9.

Design and Simulation of the Reliability Test System for A Charging Generator

Lyu Fei, Zhang Songtao, Ji Zhe

(Electromechanical Department, Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China)

TM3

A

1003-4862（2017）08-0056-04

2017-05-02

呂飛（1982-），男，碩士，講師。研究方向：電力電子與電力傳動。Email: lf19828050@163.com