某型充电发电机可靠性试验系统设计与仿真

吕飞，张松涛，吉哲



某型充电发电机可靠性试验系统设计与仿真

吕飞，张松涛，吉哲

（海军蚌埠士官学校机电系，安徽蚌埠 233012）

十二相整流充电发电机常应用于需要高品质直流电源的场所，充电发电机的可靠性试验可以为该型电机的运行状况、维护保养及确定修理周期提供科学依据。文章结合可靠性试验的基本理论，分析了充电发电机恒定应力加速可靠性试验方案，设计了发电机输出作为直流电动机电源的能量反馈试验拖动系统，并进行了基于PSCAD/EMTDC的可靠性试验系统的动态性能仿真分析。仿真结果表明能量反馈可靠性试验系统响应快、稳定性良好。

充电发电机 可靠性试验 PSCAD/EMTDC 加速寿命试验

0 引言

十二相整流的直流电压脉动系数比三、六相整流的电压脉动系数小得多，在需要较高品质直流电源的场所，往往采用十二相整流充电发电机来提供高品质、大功率的直流电源[1]。该型电机由于结构、功能复杂而引发的故障概率逐渐增多，往往电机中某一零部件失败，都可能导致整机的失败。对电机进行可靠性试验研究，初步确定其可靠性特征，可以为该型电机的运行、监测、维护和保养以及确定修理周期提供科学依据[2]。

该文针对研究对象，结合可靠性试验的基本理论，分析给出了充电发电机恒定应力加速寿命试验方案，设计了发电机输出做为直流电动机电源的能量反馈试验拖动系统，并进行了基于PSCAD/EMTDC可靠性试验系统的动态性能仿真分析研究。

1 充电发电机可靠性试验方案

1.1可靠性试验类型及方法

可靠性是产品在规定的条件下、规定时间内完成规定功能的能力。可靠性试验是指为调查、分析和评价产品的可靠性而进行的各种试验，其目的是通过试验结果分析和故障机理分析，评估产品可靠性水平，发现产品可靠性的薄弱环节，提出有针对性的改进建议，以便提高产品的可靠性。

可靠性试验的类型很多，而且类型的划分又各不相同。按试验目的划分，可分为工程试验和统计试验。以试验场所划分，可分为使用现场试验和实验室试验等[3]。

寿命试验是评价产品的寿命特征的可靠性试验，是可靠性试验中最重要、最基本的试验。寿命试验按照样品失效情况可分为完全寿命试验、截尾寿命试验及加速寿命试验[4]。

1.2充电发电机可靠性模型

可靠性模型是根据系统单元的可靠性框图，按照单元串连、并联的模型公式，得出系统的可靠性模型。

该型充电发电机结构复杂，是由旋转磁场同步发电机本体、整流装置、交流励磁机、励磁调节装置、内置温度传感器等组成，根据其结构和功能原理，充电发电机可靠性框图如图1所示。发电机本体、交流励磁机和励磁调节系统为串连模型，而且发电机本体和励磁机都可等效为各自定子绕组和转子绕组的串联模型。可见，只要这些定子和转子绕组中有一个部分出现故障，则会引起该发电机系统的故障。

图1 充电发电机可靠性框图

1.3充电发电机小子样加速寿命试验方案

该型充电发电机属于比较特殊、复杂、昂贵和高可靠性的产品，通常进行小子样条件下的可靠性性试验。为了研究小子样产品的可靠性，常用的措施是将产品置于较为严酷条件下进行可靠性试验。文献[5]提出了将产品置于严酷条件（提高产品承受的应力）下进行可靠性试验。

为了尽量缩短试验时间，又要保证小子样条件下进行寿命评估的可信度，考虑采用加速寿命试验方法。在不改变充电发电机失效机理的条件下，通过提高其承受的应力，来加速电机的失效。由于恒定应力加速寿命试验方法较为成熟，它的精度也高一些，且操作简单，所以进行寿命试验时应保持加速应力恒定。

通过对该型电机失效机理的分析[6]，选择温度应力和电应力作为加速应力，采用适度提高电机所处环境的温度和增大电机负载，利用二者组合的方法来提高试验应力，加速电机绕组绝缘材料的老化；选择适当增大电机空载起动、停车的次数和突加、突卸负载的次数，加速转子励磁绕组的变形。根据充电发电机具体应用场所及使用情况，制定具体的环境模拟与电机运行加速寿命试验方案。

2 充电发电机可靠性试验拖动系统设计

2.1充电发电机带电阻性负载试验系统

发电机在实际工作中是用汽轮机或柴油机作为原动机，在实验室中显然不可能用此方法进行试验，一般采用电动机作为原动机拖动充电发电机进行可靠性试验。

充电发电机带电阻性负载试验系统示意图，如图2所示。图2中为直流电动机作为原动机，G为充电发电机，R为负载。

图2 充电发电机带电阻性负载试验

该型充电发电机的额定功率约为900 kW，如果按照试验运行周期5000 h，充电发电机效率为95％，电动机效率为92％计算，该试验总共所需用电量约为500万度，取电费约为0.8元/度，则试验机组仅用电经费就将高达约400万元人民币。

2.2充电发电机能量反馈试验系统

充电发电机带电阻性负载试验系统存在耗电量大，试验经费高的问题。本文采用能量反馈可靠性试验拖动系统，如图3所示。

图3中T为三相同步电动机，为直流电动机，G为充电发电机。同步电动机和直流电动机同轴连接，直流电动机的另一端经齿轮箱与充电发电机连接，三相同步电动机由高压交流电网（10 kV）直接供电，另有一套起动电源（690 V），采用三相可控整流桥起动柜起动直流电动机。

如图3所示，接通整流桥驱动直流电动机（）到额定转速，调节三相同步电动机（T）励磁电流，建立电压为10 kV；将三相同步电动机与10 kV高压交流电网并网，切断整流桥，由三相同步电动机拖动机组（G）空载运行；调整充电发电机空载电压，可模拟缓慢加载、突加负载等试验；合上发电机输出开关，使发电机输出电功率。

图3 充电发电机能量反馈可靠性试验系统原理图

系统稳定运行后，充电发电机（G）负载只有直流电动机电枢回路，发电机的输出电功率即为直流电动机的输入电功率，所以该系统为能量全部随动反馈系统。只需调节充电发电机励磁电流就可以改变输出功率大小。

图4 充电发电机能量反馈可靠性试验系统能量流程图

充电发电机能量反馈可靠性试验系统的能量流程如图4所示，发电机输出功率（P）全部反馈给直流电动机，同步电动机输出（2）只要补偿整个试验系统的损耗功率。经估算能量反馈试验系统耗电量（P）为电阻性负载试验系统的15％左右，大大节约了试验经费[7]。

3 试验系统仿真及分析

3.1试验系统仿真模型

PSCAD／EMTDC 是一款电力系统电磁暂态仿真软件，由于具有计算容量大、元件模型库完整、界面友好及开放性良好等特点，被国内外科研机构、学校和电气工程师广泛使用。

文献[8]给出了十二相（四Y移15°）同步发电机的数学及仿真模型，三相同步电动机的仿真模型、直流电动机的仿真模型可直接从PSCAD元件模型库中直接调用。

能量反馈可靠性试验系统是由三台同轴电机组成，系统的转子运动方程与单台电机不同，转子同时受到三台电机电磁转矩的作用，系统转子运动方程，如式（1）所示。

利用PSCAD元件库中的基本运算模块搭建成转子运动方程的仿真模型如图5所示。

图5 试验系统转子运动方程仿真框图

将十二相同步发电机、三相同步电动机、直流电动机以及试验系统转子运动方程仿真模型进行组合可得到整个系统的总仿真模型。

3.2试验系统突加突卸载动态仿真

仿真说明：试验系统空载稳定运行，系统机组由三相同步电动机拖动，充电发电机以额定转速运行，发电机与直流电动机的开关为断开状态。21 s时闭合充电发电机与直流电动机之间的开关，发电机突加负载，试验系统机组由空载状态过渡到负载状态。27 s时断开发电机与直流电动机之间的开关，试验系统机组由负载状态过渡到空载状态。

突加突卸载过程中，三相同步电动机、直流电动机和充电发电机的电磁转矩仿真波形如图6所示，充电发电机输出电压、电流仿真波形如图7所示。

（a）三相同步电动机电磁转矩（T）波形

（b）直流电动机、发电机电磁转矩（T、T）波形

图6 突加突卸载时电磁转矩仿真波形

（a）充电发电机输出电压（E）波形

（b）充电发电机输出电流（I）波形

图7 突加突卸载时充电发电机输出电压、电流仿真波形

由图6、图7所示，21 s前试验系统充电发电机空载稳定运行，21 s时突加负载，约2 s后（23 s），系统带载稳定运行，27 s时突卸负载，约4 s后（31 s），系统恢复空载稳定运行。仿真结果表明能量反馈可靠性试验系统响应快、稳定性良好。

4 结论

可靠性试验研究可为充电发电机的运行状况、维护保养及确定修理周期提供科学依据。设计合理的可靠性试验系统是试验的重点，而试验系统仿真是实际试验的前提工作。本文结合可靠性试验的基本理论，分析设计充电发电机可靠性试验系统，并对可靠性试验系统进行动态性能仿真分析，仿真结果表明能量反馈可靠性试验系统响应快、稳定性良好。

[1] 马伟明, 胡安, 袁立军. 十二相同步发电机整流系统直流测突然短路的研究[J]. 中国电机工程学报, 1999, 19(3): 31-36.

[2] 黄洪剑, 林瑞光. 无刷直流电机加速寿命试验[J]. 中小型电机, 2000, 27(6): 43-46.

[3] 金碧辉. 系统可靠性工程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004.

[4] 刘明治. 可靠性试验[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.

[5] 李超, 王金诺. 小子样机械产品可靠性试验研究[J]. 中国机械工程, 2004, 15(21): 1898-1902.

[6] 孙云鹏. 某型充电发电机可靠性及寿命试验系统研究[D]. 武汉: 海军工程大学, 2006.

[7] 付立军, 马伟明, 刘德志. 十二/三相感应发电机的数值仿真与试验[J]. 电工技术学报, 2005, 20(6): 6-10.

[8] 孙云鹏, 付立军, 刘德志. 某型发电机可靠性试验系统研究[J]. 海军工程大学学报, 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

吕飞（1982-），男，硕士，讲师。研究方向：电力电子与电力传动。Email: lf19828050@163.com