1FC6無刷發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)及其故障排除

孫紅英 于風(fēng)衛(wèi)

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

船舶電站是現(xiàn)代船舶的心臟，船舶發(fā)電機(jī)調(diào)壓裝置故障，會影響到電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)與供電安全，甚至?xí)?dǎo)致整個船舶電力供應(yīng)失效，危及船舶作業(yè)和航行安全。本文介紹了 1FC6無刷發(fā)電機(jī)的 THYRI–PART勵磁系統(tǒng)的組成與工作原理，并根據(jù)實船 1FC6無刷發(fā)電機(jī)發(fā)生的一例勵磁系統(tǒng)故障，敘述了故障的檢查與排除過程。

1 1FC6無刷同步發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)

1.1 1FC6無刷發(fā)電機(jī)

1FC6無刷發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)的組成如圖1所示。無刷同步發(fā)電機(jī)由同步發(fā)電機(jī)和為同步發(fā)電機(jī)提供勵磁電流的交流勵磁機(jī)組成。圖中：G1為同步發(fā)電機(jī)繞組；G2為勵磁機(jī)繞組；V2為旋轉(zhuǎn)整流器。同步發(fā)電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)磁場式，其勵磁繞組裝在轉(zhuǎn)子上；而交流勵磁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)電樞式，其勵磁繞組裝在定子上。無刷發(fā)電機(jī)的勵磁實質(zhì)上是交流勵磁機(jī)的勵磁，勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的勵磁電流加到勵磁機(jī)的勵磁繞組（定子）上，勵磁機(jī)電樞繞組（轉(zhuǎn)子）發(fā)出的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器V2整流后為同步發(fā)電機(jī)的勵磁繞組（轉(zhuǎn)子）提供勵磁電流。同步發(fā)電機(jī)的勵磁繞組、交流勵磁機(jī)的電樞繞組和旋轉(zhuǎn)整流器 V2固定于同一轉(zhuǎn)軸上同步旋轉(zhuǎn)，這樣就省掉了電刷和滑環(huán)裝置。

1.2 THYRI–PART 勵磁系統(tǒng)

1FC6無刷同步發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)采用西門子THYRI–PART勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出的端電壓與負(fù)載電流來改變勵磁機(jī)的勵磁電流，使勵磁機(jī)加到同步發(fā)電機(jī)勵磁繞組上的勵磁電壓發(fā)生變化，從而改變同步發(fā)電機(jī)的勵磁電流，以達(dá)到電壓控制和并聯(lián)運行時均分無功功率的目的。THYRI–PART勵磁系統(tǒng)是由電磁疊加的可控相復(fù)勵調(diào)壓裝置及可控硅電壓校正器（AVR）組合而成，在整個負(fù)載范圍內(nèi)，相復(fù)勵裝置輸出的電流一直大于勵磁機(jī)所需的勵磁電流，AVR根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓偏差對相復(fù)勵裝置的輸出進(jìn)行分流控制，通過改變分流掉的電流的大小來控制發(fā)電機(jī)的勵磁電流，維持發(fā)電機(jī)端電壓恒定。也就是說，相復(fù)勵裝置是工作于過勵狀態(tài)。

圖1 1FC6無刷發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)的組成原理圖

1.2.1 相復(fù)勵裝置

相復(fù)勵裝置主要是由移相電抗器L1、電流互感器 T1～3、相復(fù)勵整流變壓器 T6、靜止的三相橋式整流器V1、諧振電容C1等元件組成。移相電抗器 L1將發(fā)電機(jī)端電壓產(chǎn)生的電流滯后移相90°，作為電壓分量（自勵分量）進(jìn)行自勵起壓。電流互感器 T1～ T3輸出與發(fā)電機(jī)負(fù)載電流大小成比例、同相位的副邊電流（復(fù)勵分量），以進(jìn)行相復(fù)勵調(diào)壓。整流變壓器 T6將自勵分量與復(fù)勵分量進(jìn)行電磁疊加（磁勢疊加），其輸出經(jīng)三相橋式整流器V1整流成直流勵磁電流為勵磁機(jī)勵磁。其中復(fù)勵分量經(jīng)電流互感器T1～ T3副邊引出后，以繞組抽頭方式疊加到T6的副邊。諧振電容C1在接近額定頻率時與 L1發(fā)生串聯(lián)諧振，在較小的剩磁電壓下就能在自勵回路產(chǎn)生較大的勵磁電流，易于自勵起壓。

1.2.2 AVR

圖2是AVR的組成框圖。圖1中的中間互感器T4～5、變壓器T7～T8和同軸電位器R2組成電壓校正器AVR的測量電路，檢測的發(fā)電機(jī)端電壓接至端子17、18和19。電壓校正器AVR的1、5端子與相復(fù)勵裝置連接的回路為相復(fù)勵裝置的輸出提供了一個可控硅分流通路。發(fā)電機(jī)電壓測量值與可調(diào)電位器Usoll調(diào)定的給定值相比較得到電壓偏差，運算放大器組成的調(diào)節(jié)單元④根據(jù)電壓偏差來改變可控硅⑥的導(dǎo)通角，控制分流大小，使發(fā)電機(jī)電壓維持在給定值。

AVR中有三個電位器：Usoll、VR和 TN。發(fā)電機(jī)的電壓整定值可通過 Usoll電位器來調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)由 VR電位器調(diào)節(jié)，積分作用及最佳的動態(tài)響應(yīng)特性由 TN電位器調(diào)節(jié)。另外，由AVR的20、21端子外接了一個電壓整定器R5，位于主配電板的發(fā)電機(jī)控制屏，使發(fā)電機(jī)輸出電壓在95%至105%間連續(xù)可調(diào)。在AVR電壓測量電路中加入中間互感器 T4～T5和同軸電位器 R2形成調(diào)差系數(shù)調(diào)整裝置，可調(diào)整發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整特性線的斜率。

2 THYRI–PART勵磁系統(tǒng)常見故障

2.1 相復(fù)勵裝置部分

相復(fù)勵裝置部分常見的故障主要有移相電抗器 L1、電流互感器 T1～T3、相復(fù)勵整流變壓器T6各繞組出現(xiàn)燒毀、斷路、匝間短路，三相橋式整流器 V1整流元件斷路或擊穿等，上述故障會引起發(fā)電機(jī)電壓不正常，通常表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)建立不了電壓、電壓偏低或承擔(dān)負(fù)荷后電壓下降太多。移相電抗器的鐵芯氣隙可進(jìn)行調(diào)整，移相電抗器、電流互感器、相復(fù)勵整流變壓器各繞組通常也提供了可調(diào)整的繞組抽頭，發(fā)電機(jī)調(diào)壓裝置維修后相復(fù)勵裝置參數(shù)不正確的調(diào)整導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓不正常也是常見的故障。

2.2 AVR部分

若分流用可控硅⑥斷路或 AVR中元件故障導(dǎo)致可控硅⑥一直不能導(dǎo)通，則AVR不能進(jìn)行分流，使發(fā)電機(jī)的輸出端電壓大幅升高；若分流用可控硅⑥被擊穿短路或 AVR中元件故障導(dǎo)致可控硅⑥一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，則AVR對相復(fù)勵裝置的輸出分流太多，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵磁不足，使發(fā)電機(jī)的輸出端電壓達(dá)不到額定值電壓。AVR中某些元件故障也可導(dǎo)致調(diào)壓裝置的動態(tài)特性和調(diào)壓精度變差。

圖2 電壓校正器原理框圖

AVR中電位器Usoll、VR、TN、R5和同軸電位器 R2調(diào)整不合適會使發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整異常。AVR上的電位器 Usoll或位于發(fā)電機(jī)控制屏上與AVR連接的電壓整定器R5的調(diào)整不當(dāng)，可引起發(fā)電機(jī)空載電壓不正常；VR、TN調(diào)整不當(dāng)會影響到發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整的穩(wěn)定性和調(diào)壓精度。若同軸電位器R2設(shè)定不當(dāng)，使影響到發(fā)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)差系數(shù)。并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)組，要合理、穩(wěn)定地分配無功功率，要求各臺機(jī)組的電壓調(diào)整特性一致，即各臺發(fā)電機(jī)組空載電壓相等，調(diào)差系數(shù)盡可能相同。若并聯(lián)運行的兩臺機(jī)組空載電壓調(diào)整不相等或調(diào)壓調(diào)差系數(shù)不一致，還會導(dǎo)致并聯(lián)運行無功功率分配嚴(yán)重不均。

2.3 旋轉(zhuǎn)整流器

旋轉(zhuǎn)整流器隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，機(jī)組運行時，整流元件承受著很大的離心力，因此對整流元件的可靠性和耐受離心力的能力要求較高，若元件質(zhì)量不過關(guān)極易出現(xiàn)故障。整流元件的連線接頭在離心力作用下也很容易開焊，導(dǎo)致接線接觸不良或松脫。整流元件的斷路或擊穿、連線接頭松脫都可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁或勵磁不足，使發(fā)電機(jī)無電壓或欠壓。

3 故障排除實例

3.1 故障現(xiàn)象

某工程船舶，配備三臺 1FC6無刷交流同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定電壓400 V，額定頻率50 Hz。2#發(fā)電機(jī)在一次調(diào)壓裝置故障維修后，出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時空載電壓僅能達(dá)到380 V左右，發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整特性太軟，當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷達(dá)到50%時，發(fā)電機(jī)的端電壓就降到330 V左右，無法正常使用。

3.2 故障檢查過程

據(jù)了解，2#發(fā)電機(jī)的故障現(xiàn)象是由于相復(fù)勵變壓器T7～T8繞組燒毀后重繞，進(jìn)行多次維修與調(diào)整后出現(xiàn)的?？紤]到系統(tǒng)已經(jīng)過多次維修與調(diào)整，本著從簡單到復(fù)雜的原則，決定首先對電壓校正器參數(shù)和調(diào)壓調(diào)差系數(shù)進(jìn)行檢查和重新整定。

3.2.1 AVR的檢查與調(diào)整

使發(fā)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速空載運行情況下，通過 AVR上的電位器 Usoll和發(fā)電機(jī)控制屏的調(diào)壓旋鈕（可調(diào)整電壓整定器R5）對發(fā)電機(jī)的空載電壓進(jìn)行調(diào)整試驗，發(fā)現(xiàn)上述調(diào)整對發(fā)電機(jī)的空載電壓毫無影響。然后，使發(fā)電機(jī)合閘供電，并通過與岸上連接的水電阻和電抗器給發(fā)電機(jī)加上一定負(fù)荷，調(diào)整同軸電位器 R2改變發(fā)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)差系數(shù)進(jìn)行試驗。結(jié)果表明，R2的調(diào)整無法改變發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整特性。在試驗過程中，測量到發(fā)電機(jī)的電壓測量信號已到達(dá) AVR的接線端子 17、18和 19，但分流電路中的限流電阻 R1兩端并無電壓信號。這說明AVR根本就沒有對相復(fù)勵裝置的輸出起到分流作用。拔掉與AVR連接的1、5端子的一端，斷開分流回路，開機(jī)試驗，發(fā)現(xiàn)有無AVR的情況下，發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整情況完全相同。證實 AVR確實沒有起到任何作用。AVR完全沒有分流的情況下，發(fā)電機(jī)的電壓還是達(dá)不到額定電壓，說明發(fā)電機(jī)電壓偏低很可能是由于相復(fù)勵裝置所輸出的電流嚴(yán)重不足，即使在完全不分流的情況下，其全部輸出也不能滿足發(fā)電機(jī)的勵磁需求。通過與其他正常機(jī)組的 AVR互換進(jìn)行上述的檢查試驗也排除了 AVR故障的可能性。

3.2.2相復(fù)勵裝置的檢查與調(diào)整

正常情況下，相復(fù)勵裝置應(yīng)工作于過勵狀態(tài)，如果 AVR不能控制對相復(fù)勵裝置的輸出電流進(jìn)行部分分流，機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，應(yīng)出現(xiàn)過電壓情況。而實際情況恰恰相反，發(fā)電機(jī)不僅沒有出現(xiàn)過電壓，反而低于額定值。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是相復(fù)勵裝置不能提供足夠的勵磁電流。當(dāng)空載時，相復(fù)勵裝置的全部輸出也不能使發(fā)電機(jī)達(dá)到額定電壓；當(dāng)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，復(fù)勵分量的增加不足以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的影響，使發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)一步下降。在整個過程中，AVR檢測到的發(fā)電機(jī)電壓實際值始終低于設(shè)定值，分流可控硅不會導(dǎo)通，這時AVR就起不到分流作用。

如果沒有元件損壞和電路故障，那可能的原因就是相復(fù)勵裝置的參數(shù)調(diào)整不合適。相復(fù)勵裝置的單相等值電路如圖3所示。等值電路中：電壓 來自發(fā)電機(jī)的端電壓；電流K由電流互感器T1～T3提供，正比于發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流 ；RE是發(fā)電機(jī)勵磁回路折算到變壓器次級一相的等效電阻。發(fā)電機(jī)的端電壓經(jīng)電抗器產(chǎn)生的電壓分量與負(fù)載電流產(chǎn)生的電流分量通過復(fù)勵變壓器實現(xiàn)磁勢疊加，在輸出繞組W2中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，在勵磁回路產(chǎn)生勵磁電流。發(fā)電機(jī)運行時，電流分量隨負(fù)載電流（大小和相位）變化以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的影響，維持發(fā)電機(jī)輸出電壓恒定。

圖3 相復(fù)勵裝置一相的等效電路

相復(fù)勵裝置參數(shù)的調(diào)整可分電壓分量與電流分量兩個方面進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)空載電壓不合適時，調(diào)整電壓分量，即調(diào)節(jié)移相電抗器的匝數(shù)、氣隙或相復(fù)勵變壓器原邊電壓線圈W1的匝數(shù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流接通后電壓不合適時，調(diào)整電流分量，即調(diào)整電流互感器副邊的匝數(shù)或相復(fù)勵變壓器原邊電流線圈W3的匝數(shù)。若調(diào)整相復(fù)勵變壓器輸出繞組W2的匝數(shù)，會同時影響電壓分量和電流分量的變化。此外，調(diào)整W2時還必須注意到相復(fù)勵變壓器實際運行在電流互感器狀態(tài)，復(fù)勵變壓器原邊的安匝數(shù)(磁勢)基本上是固定的，根據(jù)磁勢平衡關(guān)系，要增加勵磁電流必須減少W2的匝數(shù)；反之亦然。這與一般變壓器的調(diào)節(jié)方式剛好相反。

根據(jù)故障現(xiàn)象可知，2#發(fā)電機(jī)相復(fù)勵裝置的自勵作用與復(fù)勵作用都太弱，發(fā)電機(jī)空載和帶負(fù)載時都不能輸出足夠的勵磁電流，電壓分量與電流分量需同時進(jìn)行調(diào)節(jié)。此輪發(fā)電機(jī)的勵磁裝置只有相復(fù)勵變壓器的原、副邊繞組有抽頭可調(diào)，按照上述方法進(jìn)行多次調(diào)整與試驗，使在整個負(fù)載范圍內(nèi)，相復(fù)勵裝置都處于過勵狀態(tài)。

通過AVR上的Usoll電位器和同軸電位器R2對發(fā)電機(jī)的電壓設(shè)定值、調(diào)壓調(diào)差系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)運行試驗、調(diào)試，調(diào)壓裝置各項功能恢復(fù)正常。

4 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)故障或不正常調(diào)整會影響到船舶供電安全，勵磁系統(tǒng)各參數(shù)調(diào)整好后不要隨意調(diào)整，以免偏離正常工作狀態(tài)。勵磁系統(tǒng)故障進(jìn)行檢修或確實必要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時，必須明白勵磁系統(tǒng)的工作原理，按照正確的方法進(jìn)行檢查與調(diào)整，否則可能會使異常情況更加嚴(yán)重。本文中發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的工作原理分析及故障檢查與排除過程可供船舶電氣管理人員、工程技術(shù)人員參考。

[1]王文義. 船舶電站［M］. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2006.

[2]姜錦范. 船舶電站及自動化[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2006.

[3]Instruction for THYRIPART Excitation System [Z].HYUNDAI Electrical CO. LTD. 2000.