无刷同步主发电机负载整流桥单桥臂短路故障分析

引言

无刷同步主发电机是内燃动车的重要部件之一,其性能好坏直接影响到动车的运行。无刷同步主发电机发出的三相交流电,经过三相桥式全波整流后输出直流电,然后通过变流器驱动牵引电机,牵引电机为动车提供动力,使其正常运行。

1故障现象

某出口内燃动车无刷同步主发电机发生定子烧损故障,故障电机落车,更换备品电机。起车后,新电机未加励磁电流,空转运行2min,电机再次烧损。两台电机烧损后,对整车线路进行检查,发现主发电机负载整流柜U相的一个桥臂二极管短路。将两台故障电机解体后,发现定子烧损状态相同。本电机极数为6极,两台电机定子U相绕组全部烧损,呈6处均匀分布。主发电机故障照片如图1所示。

2故障原因分析

将故障主发电机解体,根据电机定子绕组烧损状态进行分析,发电机U相绕组为过热烧损。该故障是典型的发电机单相（U相）负载回路过流致电机烧损,导致发电机U相过流的原因是负载回路整流桥的U相桥臂二极管短路。

当第一台发电机烧损后,没有查找到故障原因,导致更换的第二台发电机也被烧损。

3故障机理分析

根据反馈,更换上第二台发电机后,并没有给发电机施加励磁电流,发电机转速为900r/min,空转运行2min后,发电机就烧损冒烟。正常情况下,发电机不施加励磁电流,输出电压为剩磁电压,通常都很小,此时若将发电机U、V、w三相输出短接,剩磁电压产生的三相短路电流也非常小,不会烧损发电机绕组。本次故障现象特殊,下面进行详细分析。

3.1无刷同步主发电机工作原理

故障电机为无刷同步主发电机,电机内部有励磁机和主机两个发电机。励磁机的功能是给主机转子提供励磁电源。其工作原理:励磁机定子通入直流励磁电流产生磁场,励磁机转子旋转切割磁场产生三相交流电,通过同轴安装的旋转整流模块,励磁机转子的三相交流电整流成直流给主机转子提供励磁,主机转子产生磁场,旋转切割主机定子绕组输出U、V、w三相交流电。

3.2无刷同步主发电机三相短路

发电机三相短路工况是指将U、V、w三相输出短接在一起或经过整流桥后将直流侧短路。这两种短路工况下,发电机内部绕组的短路电流为大小相等、相位相差120●电角度的交流电。根据故障发电机的三相稳态短路试验,在三相短路工况下,不给发电机施加励磁,电机在900～1800r/min转速范围内的稳态短路电流小于10A,远小于发电机额定电流253A,该短路电流由剩磁电压产生,不会烧损发电机。

发电机三相输出经整流后直流侧短路原理如图2所示。

3.3无刷同步主发电机负载整流桥单桥臂短路

本次两台发电机烧损的原因为负载回路整流器的U相桥臂二极管短路,整流桥的直流侧开路,故障电气原理如图3所示。

根据图3所示,短路故障发生后,由于二极管的单向导通特性,发电机内部输出的三相短路电流不再是交流电,而是大小不等、方向恒定的直流电。具体特点如下:

（1）V相和w相电流始终流出电机,U相电流始终流入电机。

（2）U相电流等于V相和w相电流之和。

鉴于发电机主定子U、V、w短路电流的以上两个特性,流向恒定的短路电流在定子铁芯上产生相对固定的磁场,发电机主转子上的绕组切割该磁场,将感应出交流电,主转子绕组上感应出来的交流电被转子上的旋转整流桥整流为直流电。该直流电将增加主转子的励磁磁势,使主定子三相绕组产生更大的短路电流,更大的短路电流反过来又激发更大的主转子励磁电流。在柴油机拖动下如此反复自激励,最终达到非常大的稳定短路电流值。该短路电流远远大于发电机额定电流,会很快将电机绕组烧损。

4故障仿真分析

为验证上述故障机理,使用ANsYs电磁分析软件对短路故障进行电磁场有限元仿真分析。分析模型的电路原理图与图3相同,电机短路时的转速设定为900r/min,主转子施加的剩磁励磁电流为10A。经仿真分析的输出电机U、V、w三相短路电流波形和主转子励磁电流波形如图4所示。

图4中,黑色波形为U相短路电流波形:虚线波形为主转子励磁电流波形:灰色波形为V和w相短路电流波形。

短路故障仿真分析结果说明:（1）U、V、w三相电流均为直流电,U相电流与V、w相电流方向相反:（2）U相电流值约为V、w相电流之和:（3）主转子上感应出来的励磁电流与U、V、w三相短路电流的变化趋势相同:（4）U、V、w短路电流和励磁电流在前几个周期是逐渐增加的,并最终达到稳定。

综上所述,短路故障仿真分析结果验证了故障机理分析的正确性。

5故障试验验证

为再现主发电机故障过程,使用完好的同型号的主发电机在试验站搭建了故障状态实验电路。主发电机的拖动机为800kw的直流电动机,负载整流柜二级管的额定电流为4000A。试验过程如下:

（1）短路试验接线原理图与图3相同。

（2）主发电机励磁机定子不施加励磁电流。

（3）主发电机从235r/min开始缓慢升高转速到450r/min,在此过程中,U、V、w的短路电流很小,短路电流不大于10A。

（4）主发电机转速升高到460r/min附近,试验拖动系统发出砰的一声震动,拖动机转速瞬间跌落到270r/min,发电机U相短路电流立即达到256A。因此,判断主发电机此时发生了励磁正反馈。随后逐渐升高发电机转速,U相短路电流随之稳态升高。当转速升高到560r/min时,U相短路电流已达940A。试验结果如表1所示。为避免烧损发电机,结束试验。

6结语

本文对无刷同步主发电机负载整流桥单桥臂短路的故障机理进行了分析,并利用ANsYs电磁软件完成了故障仿真分析,通过搭建试验电路进行了故障再现。本文提出了无刷同步主发电机整流负载单桥臂短路故障发生后,存在励磁自激励的正反馈现象,该分析结论可为其他无刷同步主发电机短路故障的处理和预防提供参考。