船舶同步發(fā)電機恒壓勵磁系統故障分析與處理

陳祥光

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船舶同步發(fā)電機恒壓勵磁系統故障分析與處理

陳祥光

（天津海運職業(yè)學院，天津300350）

以船舶同步發(fā)電機調壓勵磁系統某一故障為例，介紹TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置的工作原理并對該故障進行了分析處理，為船舶電子電氣員排除發(fā)電機勵磁系統故障提供參考。

同步發(fā)電機 勵磁系統 調壓裝置

0 引言

額定電壓是船舶電力系統的基本參數之一，是保證船舶電力系統供電質量的重要參數，因此電壓必須滿足穩(wěn)態(tài)基本技術指標。根據我國《鋼質海船入級規(guī)范》，“交流發(fā)電機連同其勵磁系統，應能在負載自空載至額定負載范圍內，且功率因數為固定時，船舶同步發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化量為±2.5%”。為了維持船舶同步發(fā)電機的端電壓恒定，要求船舶發(fā)電機的勵磁系統能夠根據負載的變化自動調節(jié)勵磁電流大小。船舶發(fā)電機勵磁系統發(fā)生故障會影響電力系統供電，嚴重時會導致全船失電，電力系統崩潰，危及船舶安全營運。

1 故障現象

某輪進行塢修，對船舶發(fā)電機和電力系統例行維護修理，3號發(fā)電機維護修理之后，啟動柴油發(fā)電機，當柴油機運行到額定轉速720 r/min時，在集控室內主配電板的發(fā)電機控制屏前準備并網試運行時，發(fā)現空載電壓只有370 V左右，在加載之后，觀察電壓表發(fā)現發(fā)電機的端電壓繼續(xù)下降，無法正常使用，無法同1號和2號發(fā)電機并聯運行。為了保證船舶電力系統的正常工作，暫停使用3號發(fā)電機，用1號發(fā)電機向電網供電。為了船舶電站供電可靠性及電網的容量冗余應及時修復3號發(fā)電機。

2 勵磁系統工作原理

船舶同步發(fā)電機勵磁自動調整裝置的種類繁多，主要分為三類：按照負載電流大小和電流相位關系調整的是不可控相復勵自勵恒壓勵磁裝置，其動態(tài)特性好，靜態(tài)特性差；按照端電壓偏差調整的是可控硅自勵恒壓勵磁裝置，其動態(tài)特性差，靜態(tài)特性好；按照負載電流大小、電流相位和端電壓偏差調整的是可控相復勵自勵恒壓勵磁裝置。經查閱說明書，該輪發(fā)電機采用TZ-F型的可控相復勵自勵恒壓裝置，其原理圖如圖1所示。

圖1 TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置原理圖

TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置主要包括：一部分是相復勵電磁迭加具有電壓曲折繞組的諧振式自勵恒壓裝置，另一部分是可控硅直流分流器SCR1和晶體管式自動調壓器構成的電壓校正器AVR。該TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置原理圖可簡化為圖2直流側晶閘管分流的調壓裝置。

圖2 直流側晶閘管分流的調壓器單線原理圖

直流側晶閘管分流調壓的基本工作原理：用于檢測負載電流大小的TA電流互感器和用于檢測電流相位關系的LR移相電抗器組成了相復勵勵磁裝置，目的是實現發(fā)電機的自勵起壓，負責電壓的動態(tài)調整；加上自動電壓校正器AVR，用于進步調整發(fā)電機的端電壓精度。如果相復勵勵磁裝置調整過后，端電壓仍然存在出現偏差，與發(fā)電機端電壓偏差有關的AVR輸出觸發(fā)電流，改變SCR晶閘管的導通角進行斷續(xù)分流勵磁直流電流，使發(fā)電機端電壓恢復正常值。

TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置的電壓校正器是由晶體管式自動調壓器構成的。電壓校正器主要是由三部分組成：測量回路、分流觸發(fā)控制回路以及可控硅勵磁分流關斷回路。

測量回路主要是由變壓整流濾波回路組成的，如圖1中變壓器Bc、12個二極管的六相橋式整流電路、阻容濾波回路R1C1和R2C2、分壓電器R3和R4和比較電路W1W2和R5，隨著船舶電網負荷的變化引起端電壓的變化能夠反映到U和△U上，為分流觸發(fā)控制回路提供信號，其中R3用來調整發(fā)電機的端電壓。

圖1中分流觸發(fā)控制回路主要由三極管BG1構成的分壓式偏置放大電路、由三極管BG2構成的射極輸出器和單結晶體管BT1的射極輸出器組成。當發(fā)電機端電壓U下降，△Uk下降，分壓式偏置放大電路輸出電位升高，三極管BG2電阻增高，U達到單結晶體管BT1的峰點電壓的時間滯后，可控硅SCR1導通滯后，導通角減少，分流電流減少，相當于勵磁回路的電流增大，使得發(fā)電機端電壓U上升恢復到正常值。

如圖1中的可控硅勵磁分流關斷回路主要是由變壓器Bk、單結晶體管BT2和可控硅SCR2組成的；發(fā)電機的端電壓U控制可控硅SCR1導通對勵磁回路進行分流，結束分流需要完成對SCR1關斷，通過可控硅SCR2的導通來實現；400 V電源電壓經變壓器Bk變壓后，單相半波整流，穩(wěn)壓后，作為單結三極管BT2的電壓源，經過固定電阻R19向電容C9充電，當達到單結三極管BT2的峰點電壓，BT2導通，觸發(fā)脈沖作用到可控硅SCR2控制極上使其導通，關閉SCR1，當電壓波形到負半波時，SCR2自己關斷，當SCR1再次觸發(fā)，再次進行分流，周而復始。

3 故障分析處理

由同步發(fā)電機空載電動勢的公式E=CΦn以及船舶發(fā)電機發(fā)生的故障現象可知，在電勢常數不變，柴油機轉速不變時，引起發(fā)電機端電壓的變化主要原因是船舶發(fā)電機的勵磁系統出現故障。TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置是相復勵裝置和自動電壓校正器AVR組成的，因此需要從兩個方面入手。勵磁系統發(fā)生故障有可能調壓裝置內部的元器件、連接電路等故障引起外，也有可能調壓裝置的參數調整不正確導致其工作不正常，進而影響發(fā)電機的端電壓。

1）船舶發(fā)電機空載運行時，空載電壓低于額定電壓，可能原因是空載時勵磁電流電流過低造成。分析故障以及處理分為兩種情況進行：

從TZ-F型的原理分析可知，相復勵裝置由電流互感器W3和移相電抗器DK組成的，簡化為單線原理圖如圖3所示；在空載時，發(fā)電機不帶負載時沒有形成負載電流，由電流互感器產生的電流分量的勵磁電流I等于0，那么空載電壓過低則是由移相電抗器電壓分量的勵磁電流過小造成的，因此故障出現在相復勵裝置的自勵回路，可以調整移相電抗器的匝數或由若干層絕緣薄片疊加而成的氣隙大小恢復空載電壓；空載電壓過低可以減少移相電抗器匝數或增壓電抗器的氣隙，以減少電抗器的電抗值，使電壓分量的勵磁電流I增大，最終增加I使空載電壓恢復到額定值；但有可能相復勵裝置中電壓分量的勵磁電流I經過調整輸出達到最大值，仍然出現發(fā)電機端電壓過低，那么可能是勵磁系統其他的故障也影響著發(fā)電機空載電壓。

圖3 相復勵裝置單線原理圖

另一種造成發(fā)電機端電壓過低是由自動電壓校正器AVR故障造成的，按照要求例行維護維修時，一般AVR中的元器件或連接電路等不會出現故障，那么可以從AVR中的參數調整考慮發(fā)電機空載電壓變化；如果相復勵的電壓分量I正常情況下，引起勵磁電流過低造成空載電壓過低的故障應出現在可控硅SCR1分流電路；通常發(fā)電機勵磁回路處于過勵的狀態(tài)，那么發(fā)生空載電壓低，說明分流的勵磁電流太多，造成發(fā)電機勵磁系統欠勵，要使電壓恢復額定值，應調整如圖1 TZ-F型可控相復勵自勵恒壓裝置原理圖中的，若空載電壓開始恢復，說明原來分流電阻的阻值小，應調大阻值，使分流直流降低，若調大最大，空載電壓仍然低于額定值，應該調整電位器3，當空載電壓恢復上升，說明了發(fā)電機的給定值發(fā)生變化，若是端電壓U沒有變化，說明可控硅直流分流器SCR1失控，這時需要檢測分流觸發(fā)控制電路控制過程以及可控硅SCR2勵磁分流關斷回路中的元器件是否正常工作。

2）船舶發(fā)電機加載運行時，發(fā)電機端電壓低于額定電壓，其主要原因是勵磁電流過低。發(fā)電機加載前處于空載運行電壓偏低時，按照上述要求調整好空載電壓恢復到額定值并確認自動調壓裝置AVR正常工作。船舶上大多數負載都是感性負載，當發(fā)電機加載之后，會產生交軸電樞反應和直軸去磁電樞反應，都會引起發(fā)電機端電壓降低，如果勵磁電流電流分量I補償不合適使得發(fā)電機端電壓不能恢復到正常值。其勵磁電流由相復勵裝置產生的電壓分量I和電流分量I組成，如圖3所示，空載電壓正常說明勵磁回路電壓分量的勵磁電流基本保持不變，勵磁電流不足導致發(fā)電機端電壓降低主要是由電流分量I不足造成的，因此應該提高電流互感器W3的電流分量，一般電流互感器原邊匝數只有二、三匝，沒有抽頭可調整，可以通過減少電流互感器副邊匝數來提高變比即為增加電流分量，提高總勵磁電流I，使發(fā)電機帶載后端電壓恢復到鋼制海船入級規(guī)范對船舶發(fā)電機端電壓的要求。

4 總結

船舶同步發(fā)電機勵磁系統的維護管理是非常重要的，勵磁系統工作的可靠性影響到船舶是否正常航行。當船舶發(fā)電機勵磁系統故障時，維護管理人員應利用扎實理論知識的同時并利用積累實船的經驗進行維修使其恢復正常工作。對可控相復勵自動勵磁裝置維護維修應注意：首先讀懂實船發(fā)電機勵磁系統的說明書，明白工作原理再調整；其次應停電停機后對相關的設備進行少量調整，防止設備損壞；最后對勵磁系統調整之后調試，調試成功后，不能再調整，保證勵磁系統穩(wěn)定性。

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Fault Analysis and Treatment of Constant Voltage Excitation System of Marine Synchronous Generator

Chen Xiangguang

(Tianjin Maritime College, Tianjin 300350, China)

TM343

A

1003-4862（2016）08-0077-03

2016-03-10

陳祥光（1986-），男，講師。研究方向：船舶電氣與自動化。