應(yīng)急通信指揮車的同步發(fā)電機(jī)失穩(wěn)原因分析

蔣 巍

（南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 210007）

1 故障現(xiàn)象描述

某生化檢測應(yīng)急車系統(tǒng)，裝載了超短波、衛(wèi)星通信設(shè)備、有毒氣體檢測設(shè)備、污染檢測以及可再生設(shè)備，安裝了康明斯10 kW同步發(fā)電機(jī)組，作為全車設(shè)備的電源。系統(tǒng)啟動后，超短波、衛(wèi)星設(shè)備加電啟動，工作正常；當(dāng)可再生系統(tǒng)的高壓發(fā)生器啟動10 s后，發(fā)電機(jī)組突然產(chǎn)生明顯的抖動，高壓發(fā)生器運(yùn)行20 s后，發(fā)電機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重的抖動并自動停機(jī)。

用示波器和功率計測量發(fā)電機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，具體如下。

（1）發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)輸出電壓220 V，運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）超短波、檢測設(shè)備以及衛(wèi)星設(shè)備加電時，發(fā)電機(jī)輸出電壓220 V，輸出電流15.5 A，滯后電壓15°，功率計顯示設(shè)備功率3.3 kW，運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）可再生的高壓發(fā)生器啟動加電時，發(fā)電機(jī)輸出電壓持續(xù)上升至275 V，輸出電流35.5 A，超前電壓85°，功率計顯示設(shè)備功率9.7 kW，發(fā)電機(jī)失穩(wěn)停車。

2 康明斯同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的分析

為了找出故障發(fā)生的原因，首先需要分析康明斯同步發(fā)電機(jī)帶載運(yùn)行的原理。根據(jù)康明斯公司10 kW同步發(fā)電機(jī)使用手冊可知，本型號的發(fā)電機(jī)為三相凸極星型接法的同步發(fā)電機(jī)。

2.1 發(fā)電機(jī)組空載運(yùn)行分析

發(fā)電機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子主極磁通以角速度ω掃過電樞繞組，設(shè)主極磁通為φm，電樞繞組的匝數(shù)為N，當(dāng)主磁極垂直電樞繞組時，通過電樞繞組的磁鏈為最大Ψa=Nφm。任何時刻，通過電樞繞組的磁鏈?zhǔn)菚r間t的余弦函數(shù)：Ψ=Ψacos(ωt)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理[1]，主極磁通的變化將在電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：

當(dāng)ωt=90°，轉(zhuǎn)子磁極主軸與電樞繞組平面平行時，E0達(dá)到最大值，此時E0相位角為零，如圖1所示。

圖1 空載時主極磁通與電樞電動勢時空統(tǒng)一矢量圖

空載時，電樞繞組沒有電流流過，電樞繞組不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，不產(chǎn)生電樞反應(yīng)。

2.2 超短波、衛(wèi)星通信設(shè)備、有毒氣體檢測設(shè)備加電，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行分析

當(dāng)超短波、衛(wèi)星通信設(shè)備及有毒氣體檢測設(shè)備加電時，電樞繞組作為電源經(jīng)負(fù)載閉合，電樞中有電流流過，電樞電流將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，主極磁場產(chǎn)生電動勢為E0，電樞反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的反電動勢為Ea，電樞繞組的漏阻抗為Ra+jXσ，發(fā)電機(jī)輸出端電壓為U，由此可得：

式（2）中，Ea由電樞反應(yīng)產(chǎn)生，等同于自感線圈通電流時產(chǎn)生的自感電動勢，即：

因此，式（2）可化簡為：

式（4）中：Xs=Xa+Xσ稱為發(fā)電機(jī)的同步電抗[2]。根據(jù)基爾霍夫環(huán)路電壓定理，電樞在主極磁通的作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E0是同步電抗產(chǎn)生的反電動勢jIXs、電樞內(nèi)阻壓降IRa以及輸出電壓U的矢量之和[3]。

充分理解同步發(fā)電機(jī)電壓方程后，可以畫出帶載后電樞的時空統(tǒng)一矢量圖，如圖2所示。電樞電流滯后輸出電壓β=15°，內(nèi)功率角ψ=δ+β，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢Fa分解為交軸磁動勢Faq和直軸磁動勢Fad。其中，F(xiàn)aq=Facosψ，F(xiàn)ad=Fasinψ。

圖2 感性負(fù)載時空統(tǒng)一矢量圖

交軸磁動勢Faq與E0同相，產(chǎn)生的交軸旋轉(zhuǎn)磁場在空間上與主極磁場垂直，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，可見交軸電樞反應(yīng)和發(fā)電機(jī)有功功率相關(guān)。

直軸磁動勢Fad產(chǎn)生的直軸旋轉(zhuǎn)磁場在空間上與主極磁場反相位，對主極磁場起去磁作用，輸出發(fā)電機(jī)的無功功率，降低了發(fā)電機(jī)的端電壓。

由于超短波、衛(wèi)星通信設(shè)備及有毒氣體檢測設(shè)備感性不大，功率因數(shù)角β較小，查閱發(fā)電機(jī)手冊，沒有超出發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)的范圍，因此發(fā)電機(jī)自動調(diào)節(jié)，增加轉(zhuǎn)子勵磁電流，抵消了感性負(fù)載去磁的作用，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時平穩(wěn)，端電壓恒定在220 V，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

2.3 可再生高壓發(fā)生器啟動后，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行分析

當(dāng)可再生高壓發(fā)生器啟動后，測量數(shù)據(jù)顯示，高壓發(fā)生器為大容性負(fù)載，電流超前電壓β=85°，時空統(tǒng)一矢量如圖3所示。

由圖3可知，電樞電流超前電壓β=85°，電樞電流產(chǎn)生的直軸磁動勢Fad非常大，在空間上與主極磁場同相位，對主極磁場增磁，極大地影響了發(fā)電機(jī)的端電壓。查閱康明斯發(fā)電機(jī)手冊，β=85°時，已經(jīng)超出發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)范圍。即發(fā)電機(jī)通過降低勵磁電流，降低發(fā)電機(jī)的輸出端電壓，但仍然不能平衡電樞反應(yīng)的增磁，使得發(fā)電機(jī)的端電壓持續(xù)升高至275 V，發(fā)電機(jī)失穩(wěn)并最終停機(jī)。

圖3 大容性負(fù)載時空統(tǒng)一矢量圖

3 串入電抗器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功功率

為了解決發(fā)電機(jī)端電壓升高的問題，在負(fù)載前段加入了三相電抗器，當(dāng)可再生高壓發(fā)生器啟動后，發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定在245 V，輸出電流25.5 A，超前電壓45°，功率計顯示設(shè)備功率6.3 kW，系統(tǒng)穩(wěn)定。

由于加入了同步電抗器，可再生高壓發(fā)生器啟動后，盡管系統(tǒng)發(fā)出超前的電流，但電抗器吸收了該無功電流，使得吸收后的電流與E0的夾角變小，電樞反應(yīng)的直軸增磁減小，達(dá)到發(fā)電機(jī)無功功率的調(diào)節(jié)范圍。

4 結(jié) 論

同步發(fā)電機(jī)組提供應(yīng)急通信指揮車內(nèi)的電子設(shè)備電源。由于通信設(shè)備的多樣性，負(fù)載特性的復(fù)雜性，在發(fā)電機(jī)組安裝和調(diào)試的過程中，必須分析通信設(shè)備的負(fù)載特性對同步發(fā)電機(jī)端電壓的影響。當(dāng)負(fù)載為大的感性負(fù)載或大的容性負(fù)載，且超出發(fā)電機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)范圍時，需要做實(shí)驗(yàn)，得出詳細(xì)的數(shù)據(jù)。解決的方案一般是利用電抗器、調(diào)相機(jī)或者同步補(bǔ)償機(jī)等設(shè)備，接入到線路，調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行目的。