車載發電機定子繞組故障分析及其散熱系統的研究

倪高紅

（南京萊斯信息技術股份有限公司，江蘇南京，210007）

0 引言

車載指揮信息系統的總體集成技術日臻完善，使用靜音發電機組代替普通的發電機組提供電子設備電源，是發展趨勢。普通發電機組噪聲大，震動強，給操作人員帶來嚴重的環境污染。靜音發電機組運行平穩，噪聲小，提供了良好的操作環境。發電機組本體采用厚厚的海綿殼體包裹，吸收了機組運行產生的噪聲。海綿殼體是一把雙韌劍，一方面，它能大大的降低噪聲；另一方面，它隔絕了發電機運行時產生的熱量與周圍的空氣環境，機組的散熱唯一依靠水循環冷卻系統。

1 故障現象描述

某車載指揮信息系統，安裝了18NE型熊貓發電機組，正常使用一年后，某天，啟動發電機，系統運行一段時間后，設備突然斷電，機組的柴油發動機運行平穩，但發電機控制面板顯示無交流電壓輸出的故障報警。停機檢查，定子繞組沒有斷路，但定子繞組輸出端與發電機金屬殼體短路，這說明，定子繞組與硅鋼片已經短路，發電機定子繞組失效。導致繞組與電機外殼絕緣失效的原因只能有兩種可能：負載短路引起繞組大電流而燒毀，與機殼絕緣失效；散熱系統運行不正常，繞組過熱引起的絕緣失效。

圖1 18NE熊貓發電機T形等效電路及輸出電壓負反饋控制電路

2 18NE型熊貓發電機組電路分析

為了找出故障發生的原因，首先需要分析發電機帶載運行的電路原理。18NE型發電機有Z繞組和H繞組，串聯后與輸出控制盒中的電容C組成激磁回路；串聯繞組中間抽頭的H繞組提供負載電源。從費爾公司熊貓發電機交流電路以及輸出控制電路原理，仔細分析，得出18NE熊貓發電機T形等效電路以及H繞組輸出電壓負反饋控制電路，如圖1所示。

圖中[1]∶

Rm1+ Rm2 +j(Xm1+Xm2)—H繞組和Z繞組激磁阻抗;

XC —激磁電容容抗;

R1+X1σ—H繞組漏阻抗；

R2+X2σ—Z繞組漏阻抗，激磁電流I很小，產生的電壓可忽略；

S—發電機轉子轉差率，由于轉子轉速大于同步轉速，S＜0；

R3/S + j X2σ—折合到H繞組邊的轉子漏阻抗；

R3 ＊（1—S）/S — 等效輸入電磁負載（S＜0，從發動機側吸收功率）；

ZL —車載電子設備總阻抗；

Im —激磁電流；

IL —負載電流；

I3 —折合到H繞組邊的轉子電流。

熊貓發電機一般要求在空載情況下啟動。啟動時，轉子剩磁切割定子繞組，經實際測量，Z繞組Z2端感應產生4V左右的初始電壓，經并聯電容C產生激磁電流 ，通過磁路耦合對轉子正向激磁，經過多次正反饋，到達穩態。定子總繞組與電容C組成諧振電路， 諧振電流為發電機穩態的激磁電流Im，產生主磁通，H繞組輸出穩定的電壓。

帶載后，負載電流變為IL，轉子電流產生相應的變化，I3與負載電流大小相等，相位相反，保證了激磁電流Im恒定，磁動勢守恒[2]；由于轉子電流增大，電磁制動轉矩變大，轉速下降，轉子磁場切割繞組速度下降，H繞組電壓下降，控制器以一定的頻率采樣輸出的電壓，計算出前次采樣與之后的采樣電壓的差值，輸出驅動信號，控制步進電機油門閥桿機構，增加油門和節氣閥，發動機增加機械轉矩，用來平衡轉子增加的電磁制動轉矩，轉子轉速回升，保證發電機H繞組的電壓恒定；發動機輸出的機械功率，除去機械摩擦，傳遞到轉子的電磁功率為P=(I3)2×R×（（1—S）/S） ；該電磁功率通過磁路耦合，再傳遞到定子繞組，忽略發電機繞組的銅損、鐵損以及磁滯損耗，該功率消耗在整車的電子設備的電源功率上。

負載短路，ZL=0，負載電流IL=E1/（R1+X1σ），轉子的電磁轉矩劇增，控制器經過多次采樣，多次連續控制油門增大，仍然不能到達平衡狀態，步進電機帶動油門閥桿瞬間抵達上限位，限位信號送入控制器，控制器判斷發電機組過載，控制器關閉燃油泵的電源，機組停止運行。

以上的分析，負載短路時，發動機會自動增加油門，機組有大的轟鳴聲，然后瞬間停止運行；但實際發生故障時的情形為：系統穩定工作一段時間后，輸出負載電壓突然消失，發動機仍然穩定運行。因此，可以判定：繞組失效不是由于負載短路引起。

3 發電機組冷卻水循環系統分析

熊貓發電機組為全水冷循環系統，冷卻水進入發電機，進入發動機，經過增壓循環水泵，注入冷卻水箱再循環至發電機組內部；水箱內安裝有大量的蛇形水管，外側有風機散熱。圖2為18NE熊貓發電機冷卻循環水路原理圖。

風機的電源線串接了一個溫度傳感器開關，該溫度開關安裝在發動機出水口的管路上。當水溫達到85OC左右，溫度開關閉合，風機啟動，將散熱水箱冷卻水的熱量吹出；熱量吹出后，水溫下降，溫度開關斷開，風機停止運轉。該過程循環往復。

該發電機組繞組更換后，能正常工作，但與其他發電機組工作出現一個不同點，同樣運行在南方的發電機組，夏天運行時，大約3分鐘后，冷卻系統的風機就會啟動，而該機組需要15分鐘后才能啟動風機，就是說，15分鐘后，溫度傳感器開關才閉合，這是不正常的現場，更換傳感器開關，重新啟動發電機，3分鐘后風機自動。

圖2 18NE熊貓發電機冷卻循環水路原理圖

分析表明，溫度傳感器故障是導致定子繞組失效的原因，由于溫度傳感器靈敏度失效，當發動機水溫到達設計得溫度85OC時，傳感器開關沒有及時閉合，風機沒有啟動，導致發電機內部的熱量不能及時散熱。長期高溫環境下，發電機定子繞組老化嚴重，槽中繞組元件絕緣度降低，在系統中偶然產生浪涌時，導致繞組元件的端部與硅鋼片高壓擊穿，從而導致短路、拉弧。

4 結論

車載發電機組提供電子設備的電源，能否可靠的運行是機動指揮系統的關鍵要素。在發電機組安裝的過程中，特別需要注意散熱系統的安裝，循環水路的管子是否選型是否正確，循環水管與金屬管路的密封、循環水泵的增壓是否滿足水循環的阻力以及風扇的排風口是否有阻擋等等。