应急通信指挥车的同步发电机失稳原因分析

蒋 巍

（南京莱斯信息技术股份有限公司，江苏 南京 210007）

1 故障现象描述

某生化检测应急车系统，装载了超短波、卫星通信设备、有毒气体检测设备、污染检测以及可再生设备，安装了康明斯10 kW同步发电机组，作为全车设备的电源。系统启动后，超短波、卫星设备加电启动，工作正常；当可再生系统的高压发生器启动10 s后，发电机组突然产生明显的抖动，高压发生器运行20 s后，发电机组发生严重的抖动并自动停机。

用示波器和功率计测量发电机输出的数据，具体如下。

（1）发电机空载运行平稳，发电机输出电压220 V，运行稳定。

（2）超短波、检测设备以及卫星设备加电时，发电机输出电压220 V，输出电流15.5 A，滞后电压15°，功率计显示设备功率3.3 kW，运行稳定。

（3）可再生的高压发生器启动加电时，发电机输出电压持续上升至275 V，输出电流35.5 A，超前电压85°，功率计显示设备功率9.7 kW，发电机失稳停车。

2 康明斯同步发电机电枢反应的分析

为了找出故障发生的原因，首先需要分析康明斯同步发电机带载运行的原理。根据康明斯公司10 kW同步发电机使用手册可知，本型号的发电机为三相凸极星型接法的同步发电机。

2.1 发电机组空载运行分析

发电机空载时，转子主极磁通以角速度ω扫过电枢绕组，设主极磁通为φm，电枢绕组的匝数为N，当主磁极垂直电枢绕组时，通过电枢绕组的磁链为最大Ψa=Nφm。任何时刻，通过电枢绕组的磁链是时间t的余弦函数：Ψ=Ψacos(ωt)。根据法拉第电磁感应定理[1]，主极磁通的变化将在电枢绕组产生感应电动势：

当ωt=90°，转子磁极主轴与电枢绕组平面平行时，E0达到最大值，此时E0相位角为零，如图1所示。

图1 空载时主极磁通与电枢电动势时空统一矢量图

空载时，电枢绕组没有电流流过，电枢绕组不产生旋转磁场，不产生电枢反应。

2.2 超短波、卫星通信设备、有毒气体检测设备加电，发电机组运行分析

当超短波、卫星通信设备及有毒气体检测设备加电时，电枢绕组作为电源经负载闭合，电枢中有电流流过，电枢电流将产生旋转磁场，主极磁场产生电动势为E0，电枢反应的旋转磁场产生的反电动势为Ea，电枢绕组的漏阻抗为Ra+jXσ，发电机输出端电压为U，由此可得：

式（2）中，Ea由电枢反应产生，等同于自感线圈通电流时产生的自感电动势，即：

因此，式（2）可化简为：

式（4）中：Xs=Xa+Xσ称为发电机的同步电抗[2]。根据基尔霍夫环路电压定理，电枢在主极磁通的作用下产生的感应电动势E0是同步电抗产生的反电动势jIXs、电枢内阻压降IRa以及输出电压U的矢量之和[3]。

充分理解同步发电机电压方程后，可以画出带载后电枢的时空统一矢量图，如图2所示。电枢电流滞后输出电压β=15°，内功率角ψ=δ+β，电枢电流产生的磁动势Fa分解为交轴磁动势Faq和直轴磁动势Fad。其中，Faq=Facosψ，Fad=Fasinψ。

图2 感性负载时空统一矢量图

交轴磁动势Faq与E0同相，产生的交轴旋转磁场在空间上与主极磁场垂直，从而产生电磁转矩，可见交轴电枢反应和发电机有功功率相关。

直轴磁动势Fad产生的直轴旋转磁场在空间上与主极磁场反相位，对主极磁场起去磁作用，输出发电机的无功功率，降低了发电机的端电压。

由于超短波、卫星通信设备及有毒气体检测设备感性不大，功率因数角β较小，查阅发电机手册，没有超出发电机无功功率调节的范围，因此发电机自动调节，增加转子励磁电流，抵消了感性负载去磁的作用，发电机运行时平稳，端电压恒定在220 V，与实验数据相吻合。

2.3 可再生高压发生器启动后，发电机组运行分析

当可再生高压发生器启动后，测量数据显示，高压发生器为大容性负载，电流超前电压β=85°，时空统一矢量如图3所示。

由图3可知，电枢电流超前电压β=85°，电枢电流产生的直轴磁动势Fad非常大，在空间上与主极磁场同相位，对主极磁场增磁，极大地影响了发电机的端电压。查阅康明斯发电机手册，β=85°时，已经超出发电机无功功率调节范围。即发电机通过降低励磁电流，降低发电机的输出端电压，但仍然不能平衡电枢反应的增磁，使得发电机的端电压持续升高至275 V，发电机失稳并最终停机。

图3 大容性负载时空统一矢量图

3 串入电抗器调节发电机的无功功率

为了解决发电机端电压升高的问题，在负载前段加入了三相电抗器，当可再生高压发生器启动后，发电机输出电压稳定在245 V，输出电流25.5 A，超前电压45°，功率计显示设备功率6.3 kW，系统稳定。

由于加入了同步电抗器，可再生高压发生器启动后，尽管系统发出超前的电流，但电抗器吸收了该无功电流，使得吸收后的电流与E0的夹角变小，电枢反应的直轴增磁减小，达到发电机无功功率的调节范围。

4 结 论

同步发电机组提供应急通信指挥车内的电子设备电源。由于通信设备的多样性，负载特性的复杂性，在发电机组安装和调试的过程中，必须分析通信设备的负载特性对同步发电机端电压的影响。当负载为大的感性负载或大的容性负载，且超出发电机的无功功率调节范围时，需要做实验，得出详细的数据。解决的方案一般是利用电抗器、调相机或者同步补偿机等设备，接入到线路，调节系统功率因数，达到稳定运行目的。