某型充電發(fā)電機(jī)可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

呂飛，張松濤，吉哲

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某型充電發(fā)電機(jī)可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

呂飛，張松濤，吉哲

（海軍蚌埠士官學(xué)校機(jī)電系，安徽蚌埠 233012）

十二相整流充電發(fā)電機(jī)常應(yīng)用于需要高品質(zhì)直流電源的場(chǎng)所，充電發(fā)電機(jī)的可靠性試驗(yàn)可以為該型電機(jī)的運(yùn)行狀況、維護(hù)保養(yǎng)及確定修理周期提供科學(xué)依據(jù)。文章結(jié)合可靠性試驗(yàn)的基本理論，分析了充電發(fā)電機(jī)恒定應(yīng)力加速可靠性試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)輸出作為直流電動(dòng)機(jī)電源的能量反饋試驗(yàn)拖動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了基于PSCAD/EMTDC的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仿真分析。仿真結(jié)果表明能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)快、穩(wěn)定性良好。

充電發(fā)電機(jī) 可靠性試驗(yàn) PSCAD/EMTDC 加速壽命試驗(yàn)

0 引言

十二相整流的直流電壓脈動(dòng)系數(shù)比三、六相整流的電壓脈動(dòng)系數(shù)小得多，在需要較高品質(zhì)直流電源的場(chǎng)所，往往采用十二相整流充電發(fā)電機(jī)來提供高品質(zhì)、大功率的直流電源[1]。該型電機(jī)由于結(jié)構(gòu)、功能復(fù)雜而引發(fā)的故障概率逐漸增多，往往電機(jī)中某一零部件失敗，都可能導(dǎo)致整機(jī)的失敗。對(duì)電機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)研究，初步確定其可靠性特征，可以為該型電機(jī)的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)、維護(hù)和保養(yǎng)以及確定修理周期提供科學(xué)依據(jù)[2]。

該文針對(duì)研究對(duì)象，結(jié)合可靠性試驗(yàn)的基本理論，分析給出了充電發(fā)電機(jī)恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)輸出做為直流電動(dòng)機(jī)電源的能量反饋試驗(yàn)拖動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了基于PSCAD/EMTDC可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仿真分析研究。

1 充電發(fā)電機(jī)可靠性試驗(yàn)方案

1.1可靠性試驗(yàn)類型及方法

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽囼?yàn)是指為調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的各種試驗(yàn)，其目的是通過試驗(yàn)結(jié)果分析和故障機(jī)理分析，評(píng)估產(chǎn)品可靠性水平，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，提出有針對(duì)性的改進(jìn)建議，以便提高產(chǎn)品的可靠性。

可靠性試驗(yàn)的類型很多，而且類型的劃分又各不相同。按試驗(yàn)?zāi)康膭澐郑煞譃楣こ淘囼?yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)。以試驗(yàn)場(chǎng)所劃分，可分為使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等[3]。

壽命試驗(yàn)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品的壽命特征的可靠性試驗(yàn)，是可靠性試驗(yàn)中最重要、最基本的試驗(yàn)。壽命試驗(yàn)按照樣品失效情況可分為完全壽命試驗(yàn)、截尾壽命試驗(yàn)及加速壽命試驗(yàn)[4]。

1.2充電發(fā)電機(jī)可靠性模型

可靠性模型是根據(jù)系統(tǒng)單元的可靠性框圖，按照單元串連、并聯(lián)的模型公式，得出系統(tǒng)的可靠性模型。

該型充電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步發(fā)電機(jī)本體、整流裝置、交流勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、內(nèi)置溫度傳感器等組成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能原理，充電發(fā)電機(jī)可靠性框圖如圖1所示。發(fā)電機(jī)本體、交流勵(lì)磁機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)為串連模型，而且發(fā)電機(jī)本體和勵(lì)磁機(jī)都可等效為各自定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的串聯(lián)模型?？梢姡灰@些定子和轉(zhuǎn)子繞組中有一個(gè)部分出現(xiàn)故障，則會(huì)引起該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的故障。

圖1 充電發(fā)電機(jī)可靠性框圖

1.3充電發(fā)電機(jī)小子樣加速壽命試驗(yàn)方案

該型充電發(fā)電機(jī)屬于比較特殊、復(fù)雜、昂貴和高可靠性的產(chǎn)品，通常進(jìn)行小子樣條件下的可靠性性試驗(yàn)。為了研究小子樣產(chǎn)品的可靠性，常用的措施是將產(chǎn)品置于較為嚴(yán)酷條件下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]提出了將產(chǎn)品置于嚴(yán)酷條件（提高產(chǎn)品承受的應(yīng)力）下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

為了盡量縮短試驗(yàn)時(shí)間，又要保證小子樣條件下進(jìn)行壽命評(píng)估的可信度，考慮采用加速壽命試驗(yàn)方法。在不改變充電發(fā)電機(jī)失效機(jī)理的條件下，通過提高其承受的應(yīng)力，來加速電機(jī)的失效。由于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法較為成熟，它的精度也高一些，且操作簡(jiǎn)單，所以進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持加速應(yīng)力恒定。

通過對(duì)該型電機(jī)失效機(jī)理的分析[6]，選擇溫度應(yīng)力和電應(yīng)力作為加速應(yīng)力，采用適度提高電機(jī)所處環(huán)境的溫度和增大電機(jī)負(fù)載，利用二者組合的方法來提高試驗(yàn)應(yīng)力，加速電機(jī)繞組絕緣材料的老化；選擇適當(dāng)增大電機(jī)空載起動(dòng)、停車的次數(shù)和突加、突卸負(fù)載的次數(shù)，加速轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的變形。根據(jù)充電發(fā)電機(jī)具體應(yīng)用場(chǎng)所及使用情況，制定具體的環(huán)境模擬與電機(jī)運(yùn)行加速壽命試驗(yàn)方案。

2 充電發(fā)電機(jī)可靠性試驗(yàn)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1充電發(fā)電機(jī)帶電阻性負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中是用汽輪機(jī)或柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室中顯然不可能用此方法進(jìn)行試驗(yàn)，一般采用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)充電發(fā)電機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

充電發(fā)電機(jī)帶電阻性負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。圖2中為直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，G為充電發(fā)電機(jī)，R為負(fù)載。

圖2 充電發(fā)電機(jī)帶電阻性負(fù)載試驗(yàn)

該型充電發(fā)電機(jī)的額定功率約為900 kW，如果按照試驗(yàn)運(yùn)行周期5000 h，充電發(fā)電機(jī)效率為95％，電動(dòng)機(jī)效率為92％計(jì)算，該試驗(yàn)總共所需用電量約為500萬度，取電費(fèi)約為0.8元/度，則試驗(yàn)機(jī)組僅用電經(jīng)費(fèi)就將高達(dá)約400萬元人民幣。

2.2充電發(fā)電機(jī)能量反饋試驗(yàn)系統(tǒng)

充電發(fā)電機(jī)帶電阻性負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)存在耗電量大，試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高的問題。本文采用能量反饋可靠性試驗(yàn)拖動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3中T為三相同步電動(dòng)機(jī)，為直流電動(dòng)機(jī)，G為充電發(fā)電機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，直流電動(dòng)機(jī)的另一端經(jīng)齒輪箱與充電發(fā)電機(jī)連接，三相同步電動(dòng)機(jī)由高壓交流電網(wǎng)（10 kV）直接供電，另有一套起動(dòng)電源（690 V），采用三相可控整流橋起動(dòng)柜起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。

如圖3所示，接通整流橋驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)（）到額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)三相同步電動(dòng)機(jī)（T）勵(lì)磁電流，建立電壓為10 kV；將三相同步電動(dòng)機(jī)與10 kV高壓交流電網(wǎng)并網(wǎng)，切斷整流橋，由三相同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)組（G）空載運(yùn)行；調(diào)整充電發(fā)電機(jī)空載電壓，可模擬緩慢加載、突加負(fù)載等試驗(yàn)；合上發(fā)電機(jī)輸出開關(guān)，使發(fā)電機(jī)輸出電功率。

圖3 充電發(fā)電機(jī)能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，充電發(fā)電機(jī)（G）負(fù)載只有直流電動(dòng)機(jī)電樞回路，發(fā)電機(jī)的輸出電功率即為直流電動(dòng)機(jī)的輸入電功率，所以該系統(tǒng)為能量全部隨動(dòng)反饋系統(tǒng)。只需調(diào)節(jié)充電發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流就可以改變輸出功率大小。

圖4 充電發(fā)電機(jī)能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)能量流程圖

充電發(fā)電機(jī)能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的能量流程如圖4所示，發(fā)電機(jī)輸出功率（P）全部反饋給直流電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)輸出（2）只要補(bǔ)償整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的損耗功率。經(jīng)估算能量反饋試驗(yàn)系統(tǒng)耗電量（P）為電阻性負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)的15％左右，大大節(jié)約了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[7]。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)仿真及分析

3.1試驗(yàn)系統(tǒng)仿真模型

PSCAD／EMTDC 是一款電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，由于具有計(jì)算容量大、元件模型庫(kù)完整、界面友好及開放性良好等特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校和電氣工程師廣泛使用。

文獻(xiàn)[8]給出了十二相（四Y移15°）同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)及仿真模型，三相同步電動(dòng)機(jī)的仿真模型、直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型可直接從PSCAD元件模型庫(kù)中直接調(diào)用。

能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)是由三臺(tái)同軸電機(jī)組成，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程與單臺(tái)電機(jī)不同，轉(zhuǎn)子同時(shí)受到三臺(tái)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的作用，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，如式（1）所示。

利用PSCAD元件庫(kù)中的基本運(yùn)算模塊搭建成轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的仿真模型如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程仿真框圖

將十二相同步發(fā)電機(jī)、三相同步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)以及試驗(yàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程仿真模型進(jìn)行組合可得到整個(gè)系統(tǒng)的總仿真模型。

3.2試驗(yàn)系統(tǒng)突加突卸載動(dòng)態(tài)仿真

仿真說明：試驗(yàn)系統(tǒng)空載穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)機(jī)組由三相同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，充電發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的開關(guān)為斷開狀態(tài)。21 s時(shí)閉合充電發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)之間的開關(guān)，發(fā)電機(jī)突加負(fù)載，試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)組由空載狀態(tài)過渡到負(fù)載狀態(tài)。27 s時(shí)斷開發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)之間的開關(guān)，試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)組由負(fù)載狀態(tài)過渡到空載狀態(tài)。

突加突卸載過程中，三相同步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和充電發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖6所示，充電發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流仿真波形如圖7所示。

（a）三相同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（T）波形

（b）直流電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（T、T）波形

圖6 突加突卸載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形

（a）充電發(fā)電機(jī)輸出電壓（E）波形

（b）充電發(fā)電機(jī)輸出電流（I）波形

圖7 突加突卸載時(shí)充電發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流仿真波形

由圖6、圖7所示，21 s前試驗(yàn)系統(tǒng)充電發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行，21 s時(shí)突加負(fù)載，約2 s后（23 s），系統(tǒng)帶載穩(wěn)定運(yùn)行，27 s時(shí)突卸負(fù)載，約4 s后（31 s），系統(tǒng)恢復(fù)空載穩(wěn)定運(yùn)行。仿真結(jié)果表明能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)快、穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)論

可靠性試驗(yàn)研究可為充電發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況、維護(hù)保養(yǎng)及確定修理周期提供科學(xué)依據(jù)。設(shè)計(jì)合理的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)是試驗(yàn)的重點(diǎn)，而試驗(yàn)系統(tǒng)仿真是實(shí)際試驗(yàn)的前提工作。本文結(jié)合可靠性試驗(yàn)的基本理論，分析設(shè)計(jì)充電發(fā)電機(jī)可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真分析，仿真結(jié)果表明能量反饋可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)快、穩(wěn)定性良好。

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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(dòng)。Email: lf19828050@163.com