车载发电机定子绕组故障分析及其散热系统的研究

倪高红

（南京莱斯信息技术股份有限公司，江苏南京，210007）

0 引言

车载指挥信息系统的总体集成技术日臻完善，使用静音发电机组代替普通的发电机组提供电子设备电源，是发展趋势。普通发电机组噪声大，震动强，给操作人员带来严重的环境污染。静音发电机组运行平稳，噪声小，提供了良好的操作环境。发电机组本体采用厚厚的海绵壳体包裹，吸收了机组运行产生的噪声。海绵壳体是一把双韧剑，一方面，它能大大的降低噪声；另一方面，它隔绝了发电机运行时产生的热量与周围的空气环境，机组的散热唯一依靠水循环冷却系统。

1 故障现象描述

某车载指挥信息系统，安装了18NE型熊猫发电机组，正常使用一年后，某天，启动发电机，系统运行一段时间后，设备突然断电，机组的柴油发动机运行平稳，但发电机控制面板显示无交流电压输出的故障报警。停机检查，定子绕组没有断路，但定子绕组输出端与发电机金属壳体短路，这说明，定子绕组与硅钢片已经短路，发电机定子绕组失效。导致绕组与电机外壳绝缘失效的原因只能有两种可能：负载短路引起绕组大电流而烧毁，与机壳绝缘失效；散热系统运行不正常，绕组过热引起的绝缘失效。

图1 18NE熊猫发电机T形等效电路及输出电压负反馈控制电路

2 18NE型熊猫发电机组电路分析

为了找出故障发生的原因，首先需要分析发电机带载运行的电路原理。18NE型发电机有Z绕组和H绕组，串联后与输出控制盒中的电容C组成激磁回路；串联绕组中间抽头的H绕组提供负载电源。从费尔公司熊猫发电机交流电路以及输出控制电路原理，仔细分析，得出18NE熊猫发电机T形等效电路以及H绕组输出电压负反馈控制电路，如图1所示。

图中[1]∶

Rm1+ Rm2 +j(Xm1+Xm2)—H绕组和Z绕组激磁阻抗;

XC —激磁电容容抗;

R1+X1σ—H绕组漏阻抗；

R2+X2σ—Z绕组漏阻抗，激磁电流I很小，产生的电压可忽略；

S—发电机转子转差率，由于转子转速大于同步转速，S＜0；

R3/S + j X2σ—折合到H绕组边的转子漏阻抗；

R3 ＊（1—S）/S — 等效输入电磁负载（S＜0，从发动机侧吸收功率）；

ZL —车载电子设备总阻抗；

Im —激磁电流；

IL —负载电流；

I3 —折合到H绕组边的转子电流。

熊猫发电机一般要求在空载情况下启动。启动时，转子剩磁切割定子绕组，经实际测量，Z绕组Z2端感应产生4V左右的初始电压，经并联电容C产生激磁电流 ，通过磁路耦合对转子正向激磁，经过多次正反馈，到达稳态。定子总绕组与电容C组成谐振电路， 谐振电流为发电机稳态的激磁电流Im，产生主磁通，H绕组输出稳定的电压。

带载后，负载电流变为IL，转子电流产生相应的变化，I3与负载电流大小相等，相位相反，保证了激磁电流Im恒定，磁动势守恒[2]；由于转子电流增大，电磁制动转矩变大，转速下降，转子磁场切割绕组速度下降，H绕组电压下降，控制器以一定的频率采样输出的电压，计算出前次采样与之后的采样电压的差值，输出驱动信号，控制步进电机油门阀杆机构，增加油门和节气阀，发动机增加机械转矩，用来平衡转子增加的电磁制动转矩，转子转速回升，保证发电机H绕组的电压恒定；发动机输出的机械功率，除去机械摩擦，传递到转子的电磁功率为P=(I3)2×R×（（1—S）/S） ；该电磁功率通过磁路耦合，再传递到定子绕组，忽略发电机绕组的铜损、铁损以及磁滞损耗，该功率消耗在整车的电子设备的电源功率上。

负载短路，ZL=0，负载电流IL=E1/（R1+X1σ），转子的电磁转矩剧增，控制器经过多次采样，多次连续控制油门增大，仍然不能到达平衡状态，步进电机带动油门阀杆瞬间抵达上限位，限位信号送入控制器，控制器判断发电机组过载，控制器关闭燃油泵的电源，机组停止运行。

以上的分析，负载短路时，发动机会自动增加油门，机组有大的轰鸣声，然后瞬间停止运行；但实际发生故障时的情形为：系统稳定工作一段时间后，输出负载电压突然消失，发动机仍然稳定运行。因此，可以判定：绕组失效不是由于负载短路引起。

3 发电机组冷却水循环系统分析

熊猫发电机组为全水冷循环系统，冷却水进入发电机，进入发动机，经过增压循环水泵，注入冷却水箱再循环至发电机组内部；水箱内安装有大量的蛇形水管，外侧有风机散热。图2为18NE熊猫发电机冷却循环水路原理图。

风机的电源线串接了一个温度传感器开关，该温度开关安装在发动机出水口的管路上。当水温达到85OC左右，温度开关闭合，风机启动，将散热水箱冷却水的热量吹出；热量吹出后，水温下降，温度开关断开，风机停止运转。该过程循环往复。

该发电机组绕组更换后，能正常工作，但与其他发电机组工作出现一个不同点，同样运行在南方的发电机组，夏天运行时，大约3分钟后，冷却系统的风机就会启动，而该机组需要15分钟后才能启动风机，就是说，15分钟后，温度传感器开关才闭合，这是不正常的现场，更换传感器开关，重新启动发电机，3分钟后风机自动。

图2 18NE熊猫发电机冷却循环水路原理图

分析表明，温度传感器故障是导致定子绕组失效的原因，由于温度传感器灵敏度失效，当发动机水温到达设计得温度85OC时，传感器开关没有及时闭合，风机没有启动，导致发电机内部的热量不能及时散热。长期高温环境下，发电机定子绕组老化严重，槽中绕组元件绝缘度降低，在系统中偶然产生浪涌时，导致绕组元件的端部与硅钢片高压击穿，从而导致短路、拉弧。

4 结论

车载发电机组提供电子设备的电源，能否可靠的运行是机动指挥系统的关键要素。在发电机组安装的过程中，特别需要注意散热系统的安装，循环水路的管子是否选型是否正确，循环水管与金属管路的密封、循环水泵的增压是否满足水循环的阻力以及风扇的排风口是否有阻挡等等。