車載發(fā)電機(jī)定子繞組故障分析及其散熱系統(tǒng)的研究

倪高紅

（南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，江蘇南京，210007）

0 引言

車載指揮信息系統(tǒng)的總體集成技術(shù)日臻完善，使用靜音發(fā)電機(jī)組代替普通的發(fā)電機(jī)組提供電子設(shè)備電源，是發(fā)展趨勢。普通發(fā)電機(jī)組噪聲大，震動(dòng)強(qiáng)，給操作人員帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。靜音發(fā)電機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，提供了良好的操作環(huán)境。發(fā)電機(jī)組本體采用厚厚的海綿殼體包裹，吸收了機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)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(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量與周圍的空氣環(huán)境，機(jī)組的散熱唯一依靠水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

1 故障現(xiàn)象描述

某車載指揮信息系統(tǒng)，安裝了18NE型熊貓發(fā)電機(jī)組，正常使用一年后，某天，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，設(shè)備突然斷電，機(jī)組的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，但發(fā)電機(jī)控制面板顯示無交流電壓輸出的故障報(bào)警。停機(jī)檢查，定子繞組沒有斷路，但定子繞組輸出端與發(fā)電機(jī)金屬殼體短路，這說明，定子繞組與硅鋼片已經(jīng)短路，發(fā)電機(jī)定子繞組失效。導(dǎo)致繞組與電機(jī)外殼絕緣失效的原因只能有兩種可能：負(fù)載短路引起繞組大電流而燒毀，與機(jī)殼絕緣失效；散熱系統(tǒng)運(yùn)行不正常，繞組過熱引起的絕緣失效。

圖1 18NE熊貓發(fā)電機(jī)T形等效電路及輸出電壓負(fù)反饋控制電路

2 18NE型熊貓發(fā)電機(jī)組電路分析

為了找出故障發(fā)生的原因，首先需要分析發(fā)電機(jī)帶載運(yùn)行的電路原理。18NE型發(fā)電機(jī)有Z繞組和H繞組，串聯(lián)后與輸出控制盒中的電容C組成激磁回路；串聯(lián)繞組中間抽頭的H繞組提供負(fù)載電源。從費(fèi)爾公司熊貓發(fā)電機(jī)交流電路以及輸出控制電路原理，仔細(xì)分析，得出18NE熊貓發(fā)電機(jī)T形等效電路以及H繞組輸出電壓負(fù)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(chǎn)生的電壓可忽略；

S—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，S＜0；

R3/S + j X2σ—折合到H繞組邊的轉(zhuǎn)子漏阻抗；

R3 ＊（1—S）/S — 等效輸入電磁負(fù)載（S＜0，從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)吸收功率）；

ZL —車載電子設(shè)備總阻抗；

Im —激磁電流；

IL —負(fù)載電流；

I3 —折合到H繞組邊的轉(zhuǎn)子電流。

熊貓發(fā)電機(jī)一般要求在空載情況下啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子剩磁切割定子繞組，經(jīng)實(shí)際測量，Z繞組Z2端感應(yīng)產(chǎn)生4V左右的初始電壓，經(jīng)并聯(lián)電容C產(chǎn)生激磁電流 ，通過磁路耦合對轉(zhuǎn)子正向激磁，經(jīng)過多次正反饋，到達(dá)穩(wěn)態(tài)。定子總繞組與電容C組成諧振電路， 諧振電流為發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)的激磁電流Im，產(chǎn)生主磁通，H繞組輸出穩(wěn)定的電壓。

帶載后，負(fù)載電流變?yōu)镮L，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化，I3與負(fù)載電流大小相等，相位相反，保證了激磁電流Im恒定，磁動(dòng)勢守恒[2]；由于轉(zhuǎn)子電流增大，電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變大，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)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(jì)算出前次采樣與之后的采樣電壓的差值，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)油門閥桿機(jī)構(gòu)，增加油門和節(jié)氣閥，發(fā)動(dòng)機(jī)增加機(jī)械轉(zhuǎn)矩，用來平衡轉(zhuǎn)子增加的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速回升，保證發(fā)電機(jī)H繞組的電壓恒定；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率，除去機(jī)械摩擦，傳遞到轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)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(shè)備的電源功率上。

負(fù)載短路，ZL=0，負(fù)載電流IL=E1/（R1+X1σ），轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩劇增，控制器經(jīng)過多次采樣，多次連續(xù)控制油門增大，仍然不能到達(dá)平衡狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)油門閥桿瞬間抵達(dá)上限位，限位信號(hào)送入控制器，控制器判斷發(fā)電機(jī)組過載，控制器關(guān)閉燃油泵的電源，機(jī)組停止運(yùn)行。

以上的分析，負(fù)載短路時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)增加油門，機(jī)組有大的轟鳴聲，然后瞬間停止運(yùn)行；但實(shí)際發(fā)生故障時(shí)的情形為：系統(tǒng)穩(wěn)定工作一段時(shí)間后，輸出負(fù)載電壓突然消失，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然穩(wěn)定運(yùn)行。因此，可以判定：繞組失效不是由于負(fù)載短路引起。

3 發(fā)電機(jī)組冷卻水循環(huán)系統(tǒng)分析

熊貓發(fā)電機(jī)組為全水冷循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水進(jìn)入發(fā)電機(jī)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過增壓循環(huán)水泵，注入冷卻水箱再循環(huán)至發(fā)電機(jī)組內(nèi)部；水箱內(nèi)安裝有大量的蛇形水管，外側(cè)有風(fēng)機(jī)散熱。圖2為18NE熊貓發(fā)電機(jī)冷卻循環(huán)水路原理圖。

風(fēng)機(jī)的電源線串接了一個(gè)溫度傳感器開關(guān)，該溫度開關(guān)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的管路上。當(dāng)水溫達(dá)到85OC左右，溫度開關(guān)閉合，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，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(guān)斷開，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。該過程循環(huán)往復(fù)。

該發(fā)電機(jī)組繞組更換后，能正常工作，但與其他發(fā)電機(jī)組工作出現(xiàn)一個(gè)不同點(diǎn)，同樣運(yùn)行在南方的發(fā)電機(jī)組，夏天運(yùn)行時(shí)，大約3分鐘后，冷卻系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)，而該機(jī)組需要15分鐘后才能啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，就是說，15分鐘后，溫度傳感器開關(guān)才閉合，這是不正常的現(xiàn)場，更換傳感器開關(guān)，重新啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，3分鐘后風(fēng)機(jī)自動(dòng)。

圖2 18NE熊貓發(fā)電機(jī)冷卻循環(huán)水路原理圖

分析表明，溫度傳感器故障是導(dǎo)致定子繞組失效的原因，由于溫度傳感器靈敏度失效，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫到達(dá)設(shè)計(jì)得溫度85OC時(shí)，傳感器開關(guān)沒有及時(shí)閉合，風(fēng)機(jī)沒有啟動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱量不能及時(shí)散熱。長期高溫環(huán)境下，發(fā)電機(jī)定子繞組老化嚴(yán)重，槽中繞組元件絕緣度降低，在系統(tǒng)中偶然產(chǎn)生浪涌時(shí)，導(dǎo)致繞組元件的端部與硅鋼片高壓擊穿，從而導(dǎo)致短路、拉弧。

4 結(jié)論

車載發(fā)電機(jī)組提供電子設(shè)備的電源，能否可靠的運(yùn)行是機(jī)動(dòng)指揮系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。在發(fā)電機(jī)組安裝的過程中，特別需要注意散熱系統(tǒng)的安裝，循環(huán)水路的管子是否選型是否正確，循環(huán)水管與金屬管路的密封、循環(huán)水泵的增壓是否滿足水循環(huán)的阻力以及風(fēng)扇的排風(fēng)口是否有阻擋等等。