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(cè)應(yīng)急車(chē)系統(tǒng),裝載了超短波、衛(wèi)星通信設(shè)備、有毒氣體檢測(cè)設(shè)備、污染檢測(cè)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(chē)設(shè)備的電源。系統(tǒng)啟動(dòng)后,超短波、衛(wèi)星設(shè)備加電啟動(dòng),工作正常;當(dāng)可再生系統(tǒng)的高壓發(fā)生器啟動(dòng)10 s后,發(fā)電機(jī)組突然產(chǎn)生明顯的抖動(dòng),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(dòng)并自動(dòng)停機(jī)。
用示波器和功率計(jì)測(cè)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(cè)設(shè)備以及衛(wèi)星設(shè)備加電時(shí),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(jì)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(dòng)加電時(shí),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(jì)顯示設(shè)備功率9.7 kW,發(fā)電機(jī)失穩(wěn)停車(chē)。
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(cè)可知,本型號(hào)的發(fā)電機(jī)為三相凸極星型接法的同步發(fā)電機(jī)。
發(fā)電機(jī)空載時(shí),轉(zhuǎn)子主極磁通以角速度ω掃過(guò)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(shí),通過(guò)電樞繞組的磁鏈為最大Ψa=Nφm。任何時(shí)刻,通過(guò)電樞繞組的磁鏈?zhǔn)菚r(shí)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(dòng)勢(shì):
當(dāng)ωt=90°,轉(zhuǎn)子磁極主軸與電樞繞組平面平行時(shí),E0達(dá)到最大值,此時(shí)E0相位角為零,如圖1所示。
圖1 空載時(shí)主極磁通與電樞電動(dòng)勢(shì)時(shí)空統(tǒng)一矢量圖
空載時(shí),電樞繞組沒(méi)有電流流過(guò),電樞繞組不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),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(cè)設(shè)備加電時(shí),電樞繞組作為電源經(jīng)負(fù)載閉合,電樞中有電流流過(guò),電樞電流將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),主極磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)為E0,電樞反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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(xiàn)圈通電流時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì),即:
因此,式(2)可化簡(jiǎn)為:
式(4)中:Xs=Xa+Xσ稱(chēng)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(dòng)勢(shì)E0是同步電抗產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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(huà)出帶載后電樞的時(shí)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(dòng)勢(shì)Fa分解為交軸磁動(dòng)勢(shì)Faq和直軸磁動(dòng)勢(shì)Fad。其中,F(xiàn)aq=Facosψ,F(xiàn)ad=Fasinψ。
圖2 感性負(fù)載時(shí)空統(tǒng)一矢量圖
交軸磁動(dòng)勢(shì)Faq與E0同相,產(chǎn)生的交軸旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間上與主極磁場(chǎng)垂直,從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,可見(jiàn)交軸電樞反應(yīng)和發(fā)電機(jī)有功功率相關(guān)。
直軸磁動(dòng)勢(shì)Fad產(chǎn)生的直軸旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間上與主極磁場(chǎng)反相位,對(duì)主極磁場(chǎng)起去磁作用,輸出發(fā)電機(jī)的無(wú)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(cè)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(cè),沒(méi)有超出發(fā)電機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)的范圍,因此發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié),增加轉(zhuǎn)子勵(lì)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(shí)平穩(wěn),端電壓恒定在220 V,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。
當(dāng)可再生高壓發(fā)生器啟動(dòng)后,測(cè)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(shí)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(dòng)勢(shì)Fad非常大,在空間上與主極磁場(chǎng)同相位,對(duì)主極磁場(chǎng)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(cè),β=85°時(shí),已經(jīng)超出發(fā)電機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍。即發(fā)電機(jī)通過(guò)降低勵(lì)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(shí)空統(tǒng)一矢量圖
為了解決發(fā)電機(jī)端電壓升高的問(wèn)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(dòng)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(jì)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(dòng)后,盡管系統(tǒng)發(fā)出超前的電流,但電抗器吸收了該無(wú)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(wú)功功率的調(diào)節(jié)范圍。
同步發(fā)電機(jī)組提供應(yīng)急通信指揮車(chē)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(guò)程中,必須分析通信設(shè)備的負(fù)載特性對(duì)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(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍時(shí),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(xiàn)路,調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù),達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行目的。