蔣 巍
(南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司,江蘇 南京 210007)
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)電機組突然產(chǎn)生明顯的抖動,高壓發(fā)生器運行20 s后,發(fā)電機組發(fā)生嚴(yán)重的抖動并自動停機。
用示波器和功率計測量發(fā)電機輸出的數(shù)據(jù),具體如下。
(1)發(fā)電機空載運行平穩(wěn),發(fā)電機輸出電壓220 V,運行穩(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,運行穩(wěn)定。
(3)可再生的高壓發(fā)生器啟動加電時,發(fā)電機輸出電壓持續(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)電機失穩(wěn)停車。
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)電機帶載運行的原理。根據(jù)康明斯公司10 kW同步發(fā)電機使用手冊可知,本型號的發(fā)電機為三相凸極星型接法的同步發(fā)電機。
發(fā)電機空載時,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)。
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)電機的無功功率,降低了發(fā)電機的端電壓。
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)電機手冊,沒有超出發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)的范圍,因此發(fā)電機自動調(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)電機運行時平穩(wěn),端電壓恒定在220 V,與實驗數(shù)據(jù)相吻合。
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)電機的端電壓。查閱康明斯發(fā)電機手冊,β=85°時,已經(jīng)超出發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)范圍。即發(fā)電機通過降低勵磁電流,降低發(fā)電機的輸出端電壓,但仍然不能平衡電樞反應(yīng)的增磁,使得發(fā)電機的端電壓持續(xù)升高至275 V,發(fā)電機失穩(wěn)并最終停機。
圖3 大容性負(fù)載時空統(tǒng)一矢量圖
為了解決發(fā)電機端電壓升高的問題,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)電機無功功率的調(diào)節(jié)范圍。
同步發(fā)電機組提供應(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)電機的無功功率調(diào)節(jié)范圍時,需要做實驗,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)相機或者同步補償機等設(shè)備,接入到線路,調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù),達(dá)到穩(wěn)定運行目的。