1250KVA船用軸帶發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)改造簡介

黃平

我司“向泰”輪是一艘1986年4月由前東德Ver Warwowwerft wame建造的集裝箱尾機(jī)型船舶，船長：165.5m，型寬：23.05m，型深：13.4m，船舶總噸位：13 769t，載箱量：950TEU。船舶主要動力系統(tǒng)：配備前東德VEB Diesel Motorenwerk Rostock生產(chǎn)的K5SZ70/125BL船舶柴油主機(jī)一臺，推進(jìn)系統(tǒng)采用液壓變螺距裝置。電力系統(tǒng)：配備2臺8VDS26/20AL-2和1臺6VDS26/20AL船舶柴油輔機(jī)，驅(qū)動3臺型號：S450L6 885KVA無刷發(fā)電機(jī)，同時(shí)配備DGASO 5621-6N 1250KVA船用軸帶有刷發(fā)電機(jī)一臺。2007年，我司從船舶二手市場購入該船后，一直從事東南亞和中日韓航線的集裝箱運(yùn)輸。船舶港內(nèi)航行通常使用柴油發(fā)電機(jī)組，海上航行使用船舶軸帶發(fā)電機(jī)組，以獲得最經(jīng)濟(jì)的航行成本。

一、船舶軸帶發(fā)電機(jī)主要參數(shù)及原理

1.軸帶發(fā)電機(jī)主要參數(shù)：

發(fā)電機(jī)型號：DGASO 5621-6N

生產(chǎn)廠家：VEB ELEKTROMAS CHINENBAU DRESDEN

額定功率：1 250KVA

額定轉(zhuǎn)速：1 000RPM

額定電壓：390V

額定電流：1850A

額定頻率：50Hz

功率因數(shù)：0.8

勵磁電壓：95V

勵磁電流：210A

2.軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)組成及工作原理：

軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)原理圖見圖1。

該軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)采用單相橋式半控帶電流復(fù)勵的有刷自勵恒壓勵磁系統(tǒng)，系統(tǒng)分別由扼流圈單元、功率單元、功率保護(hù)單元、調(diào)節(jié)單元、復(fù)勵單元、復(fù)勵變壓器等部件組成（圖2）。

軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的基本工作原理：

由發(fā)電機(jī)R相與零線構(gòu)成的URO 220V電壓經(jīng)扼流圈單元中的兩個(gè)扼流圈（空心電抗器）后送功率單元，經(jīng)功率單元內(nèi)的單相橋式半控整流器整流后，作為勵磁系統(tǒng)的自勵分量給發(fā)電機(jī)勵磁繞組供電。勵磁系統(tǒng)的復(fù)勵分量則通過復(fù)勵變壓器送入復(fù)勵單元，經(jīng)復(fù)勵單元三相全波整流后輸出，并在直流側(cè)與自勵分量疊加，共同給發(fā)電機(jī)勵磁繞組供電。

發(fā)電機(jī)的輸出電壓UST在調(diào)節(jié)單元中與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值信號經(jīng)整形、放大、移相等環(huán)節(jié)輸出，作為可控硅的觸發(fā)信號去功率單元中的單相橋式半控整流器，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，對發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，維持輸出電壓恒定。調(diào)節(jié)單元同時(shí)在軸帶發(fā)電機(jī)起壓時(shí)根據(jù)勵磁指令控制發(fā)電機(jī)的起壓。

電路中扼流圈（空心電抗器）單元主要作用是限制整流回路中電流上升的陡度和高頻濾波，同時(shí)兼有移向作用。保護(hù)單元主要作用是防止勵磁電壓過高及起壓、調(diào)節(jié)時(shí)的沖擊對功率單元及復(fù)勵單元的整流元件進(jìn)行保護(hù)。

二、故障現(xiàn)象及檢查

2010年2月10日，海上航行中船舶軸帶發(fā)電機(jī)主開關(guān)突然跳閘，軸帶發(fā)電機(jī)儀表顯示電壓迅速歸零。船舶值班人員緊急啟動柴油發(fā)電機(jī)組供電，在恢復(fù)主機(jī)動力及正常航行后，船舶電機(jī)員對軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)檢查，軸帶發(fā)電機(jī)各接線未發(fā)現(xiàn)有松動及脫落情況，檢查軸帶發(fā)電機(jī)滑環(huán)、四組碳刷接觸良好，進(jìn)一步檢查勵磁控制系統(tǒng)的各整流設(shè)備及其他部件也未發(fā)現(xiàn)問題。隨后，主機(jī)降速合上軸帶發(fā)電機(jī)離合器且逐步將轉(zhuǎn)速調(diào)整到正常轉(zhuǎn)速，對軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行充磁起壓，電壓指針有晃動但無法起壓。停機(jī)更換功率單元中的可控硅等元器件后試驗(yàn)，情況如前。進(jìn)一步檢查分析后，判斷故障應(yīng)該在該軸帶發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的調(diào)壓單元（REGULATE UNIT）， 由于船舶電機(jī)員自己無法修復(fù)，為此電請公司岸基支持。

船舶抵港后，我們即攜帶部分儀器上船對軸帶發(fā)電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)檢查，確認(rèn)船舶電機(jī)員的判斷是正確的。發(fā)電機(jī)的調(diào)壓單元（REGULATE UNIT）由10塊不同功能的插板組成，而每塊插板均由各分立元器件焊接組成（圖3）：

也許該部分涉及當(dāng)時(shí)生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)，或船舶出廠后幾經(jīng)周折，船上無法找到廠家提供的內(nèi)部接線圖及相關(guān)的說明書等資料。我們拔下10塊插板，對其外觀進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷。更換10塊備用插板試驗(yàn)，故障依然存在。于是我們安排相關(guān)專業(yè)修單位將該單元的10塊插板拆廠檢查修理，經(jīng)幾次反復(fù)修理及試驗(yàn)，無法找到故障板子。為此我們有理由判斷該類故障以前也曾發(fā)生過，備用插板有可能就是換下來的，也是有同類問題的板子?？紤]到原設(shè)備使用至今已有二十幾年，且發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元元器件老化嚴(yán)重，單元組合相對復(fù)雜，特別是各插板均由分立元器件焊接組成，即便本次找到毛病也可能無法找到替換元器件，或本次修復(fù)了，但老化了的元器件故障率會較高，導(dǎo)致單元的可靠性大幅下降，使軸帶發(fā)電機(jī)無法正常連續(xù)運(yùn)行，從而影響船舶安全。為此，我們決定尋找性能適合的調(diào)節(jié)單元予以更換，即對該軸帶發(fā)電機(jī)的勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。

三、改造方案的確定和試驗(yàn)

由于故障部分為軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)單元（REGULATE UNIT），我們在確定方案前，曾聯(lián)系過國內(nèi)幾家主要發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家，尋求相關(guān)功能的產(chǎn)品或請他們幫助設(shè)計(jì)相關(guān)功能的產(chǎn)品，也許是產(chǎn)值過小或產(chǎn)品僅為個(gè)案并無推廣價(jià)值，所以他們都予以婉拒。為此，我們從尋找相關(guān)功能的產(chǎn)品著手，經(jīng)與幾家相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)廠家溝通后，我們最終選定使用東莞市廣聚電子有限公司生產(chǎn)的HJH-178發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)壓器驅(qū)動板，作為軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元的替代單元。選用這家企業(yè)的產(chǎn)品，主要是考慮HJH-178發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)壓器驅(qū)動板功能與我們軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的調(diào)壓單元主要功能比較接近，對整個(gè)線路改動小。我們參考廠家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)接線圖，并進(jìn)一步細(xì)化改進(jìn)后對軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)進(jìn)行改造。

HJH-178發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)壓器驅(qū)動板外部接線圖如圖4。（資料來源于網(wǎng)上）：endprint

驅(qū)動板的主要技術(shù)參數(shù)（摘驅(qū)動板說明書）：

輸入： 正常范圍：150V～240V，最大277V。

輸出： 正常范圍：0～180V/0～300A。

最大： 210V/600A（持續(xù)一分鐘）。

該驅(qū)動板的特點(diǎn)：

1.最低輸入交流電壓1.0V 時(shí)即可輸出0.4V勵磁電壓。

2.能在低于150V的輸入電壓下工作10秒。

3.驅(qū)動設(shè)過流保護(hù)。

4.驅(qū)動板能驅(qū)動功率器件作半波和全波輸出。

5.勵磁信號輸出最大電流3A（峰值，單路峰值1.5A），可安全的驅(qū)動600A或600A以下的可控硅正常工作。

HJH-178發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)壓器驅(qū)動板實(shí)際圖片如圖5。

驅(qū)動板廠家設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)基本接線圖如圖6。

由于驅(qū)動板是該廠家2008年后剛上市的新產(chǎn)品，且廠方只提供驅(qū)動板產(chǎn)品及產(chǎn)品的外部接線圖和勵磁系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)，不參與實(shí)際施工與調(diào)試。該產(chǎn)品能否應(yīng)用于我們的軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，廠方不做擔(dān)保。至于驅(qū)動板性能到底如何，是否與說明書中主要技術(shù)參數(shù)相符？廠方也不提供設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。而我們的設(shè)計(jì)僅根據(jù)產(chǎn)品的說明及廠家提供的資料進(jìn)行，理論上雖然能講得通，但是否能替代原設(shè)備單元并無十分把握。為此我們分兩步對軸帶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)進(jìn)行改造試驗(yàn)：

首選確認(rèn)該驅(qū)動板的產(chǎn)品性能及板子能驅(qū)動的最大連續(xù)工作電流是否符合本軸帶發(fā)電機(jī)的實(shí)際使用要求。

獲得基本參數(shù)后，我們按細(xì)化設(shè)計(jì)的實(shí)際線路，測試發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)在空載和航行最大負(fù)荷的120%工況下的自勵分量和復(fù)勵分量電流，尤其是確認(rèn)自勵分量是否在上述試驗(yàn)值范圍內(nèi)，只有保證在最大典型工況中驅(qū)動板的連續(xù)驅(qū)動電流在上述的測試范圍內(nèi)，才能保證軸帶發(fā)電機(jī)在日常最大連續(xù)負(fù)載下的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

A.為此我們首先按下圖接線，即將發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的復(fù)勵部分切除，對驅(qū)動板的性能及板子能驅(qū)動的最大持續(xù)電流進(jìn)行實(shí)效試驗(yàn)。

接妥各接線并檢查確認(rèn)無誤后，將推進(jìn)器螺距置零位開啟主機(jī)，運(yùn)行一段時(shí)間后合上軸帶發(fā)電機(jī)離合器，并逐步將主機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速，然后對軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行充磁建壓，并調(diào)整空載電壓（即調(diào)節(jié)驅(qū)動板上的P1）至額定電壓，調(diào)整穩(wěn)定性（即調(diào)節(jié)驅(qū)動板上的P2）至電壓波動為最小，此時(shí)測試空載勵磁電壓為33V。但在發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行約10分鐘左右，驅(qū)動板即燒壞。我們將驅(qū)動板及試驗(yàn)情況反饋生產(chǎn)廠家，由生產(chǎn)廠家對驅(qū)動板進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)來回反復(fù)幾次試驗(yàn)改進(jìn)，板子的性能逐步滿足要求。

我們在收到最終改進(jìn)后的驅(qū)動板后，按上述步驟對軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行了再次試驗(yàn)。我們在軸帶發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行30分鐘后，逐步增加負(fù)載，直至400kW，測試勵磁電壓：48V，勵磁電流125A，運(yùn)行15分鐘左右情況正常。我們增加負(fù)荷至460kW，運(yùn)行10分鐘左右，軸帶發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘，檢查驅(qū)動板發(fā)現(xiàn)有明顯的燒壞痕跡，我們將驅(qū)動板及試驗(yàn)情況再一次反饋生產(chǎn)廠家，由生產(chǎn)廠家對驅(qū)動板進(jìn)行再改進(jìn)。

我們在收到改進(jìn)后的驅(qū)動板后，對軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行了再次試驗(yàn)。我們在軸帶發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行30分鐘后，逐步增加負(fù)載，直至400kW，測試勵磁電壓：48V，勵磁電流125A，運(yùn)行15分鐘左右情況正常。我們增加負(fù)荷至460kW，運(yùn)行35分鐘左右，軸帶發(fā)電機(jī)情況正常，說明驅(qū)動板基本能滿足我們要求。我們用點(diǎn)溫計(jì)測試驅(qū)動板上各元器件，溫升正常，測試各接線連接點(diǎn)溫度，發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)處溫度過高，特別是R，N連接處50mm2線接頭處溫度高達(dá)85℃左右，即停機(jī)結(jié)束試驗(yàn)。

重新制作連接線及接頭，對發(fā)熱部分線路進(jìn)行更換。更換后重新進(jìn)行試驗(yàn)，軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)載加至470kW，測試勵磁電壓：48V，勵磁電流110A；負(fù)載增加至520kW，測試勵磁電壓：51V，勵磁電流115A。在520kW運(yùn)行2.5小時(shí)，期間多次測試數(shù)據(jù)，基本穩(wěn)定。我們對船舶最大負(fù)荷的兩臺電機(jī)（75kW的主機(jī)應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)）進(jìn)行突卸突加試驗(yàn)，以檢測大負(fù)荷突卸突加對主電網(wǎng)的沖擊波動，測試的動靜態(tài)指標(biāo)符合規(guī)范要求?？紤]到船舶平時(shí)航行工況電力負(fù)荷基本在420kW左右，試驗(yàn)數(shù)據(jù)已大于航行工況數(shù)據(jù)，基本確認(rèn)驅(qū)動板符合本軸帶發(fā)電機(jī)使用要求。從而結(jié)束第一步的試驗(yàn)。

B.隨后我們進(jìn)行第二步的試驗(yàn)：

按我們細(xì)化設(shè)計(jì)的實(shí)際線路連接，即圖7。

加入發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的復(fù)勵部分。在軸帶發(fā)電機(jī)正常發(fā)電后測試空載數(shù)據(jù)：發(fā)電機(jī)電壓390V，勵磁電壓32V，勵磁電流85A，其中自勵分量為45A，復(fù)勵分量為40A。負(fù)荷增加至480kW時(shí)測試數(shù)據(jù)：發(fā)電機(jī)電壓390V，勵磁電壓49V，勵磁電流128A，其中自勵分量為56A，復(fù)勵分量為72A。軸帶發(fā)電機(jī)在480kW的負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行3小時(shí)，期間測試各數(shù)據(jù)基本沒什么變化。負(fù)荷在增減中及船舶最大負(fù)荷電機(jī)進(jìn)行突卸突加試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)符合規(guī)范要求。軸帶發(fā)電機(jī)在額定功率48%負(fù)荷時(shí)，驅(qū)動板的驅(qū)動電流為第一步試驗(yàn)值（115A）的49%。通過實(shí)測我們認(rèn)為該驅(qū)動板可滿足本軸帶發(fā)電機(jī)的實(shí)際使用要求，用該驅(qū)動板取代原軸帶發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)單元（REGULATE UNIT）性能上不存在問題，能投入正常使用。隨后我們在船舶海上航行中對軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行了3航次的運(yùn)行試驗(yàn)，基本每航次負(fù)荷在420～470kW下連續(xù)運(yùn)行30～32小時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常，船舶對試運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)記載。至此我們可以確認(rèn)該軸帶發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)更新改造工作是成功的。

四、結(jié)束語

我司“向泰”輪軸帶發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)改造后使用至今已近三年，設(shè)備運(yùn)行狀況一直比較理想，基本未發(fā)生過故障。上述整個(gè)改造費(fèi)用約3.5萬元左右（包括提供一塊備用驅(qū)動板），其經(jīng)濟(jì)性是顯而易見的。當(dāng)然整個(gè)改造過程不會像以上論述的那么簡單，從事一項(xiàng)新的沒有前人經(jīng)驗(yàn)可借鑒的改造工程，曲折、風(fēng)險(xiǎn)和困難是不可避免的。軸帶發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)更新改造的成功，為類似老發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的修理改造提供了一些借鑒經(jīng)驗(yàn)，這也是本人發(fā)表這篇論文的初衷?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，科技新產(chǎn)品的不斷問世，給船用發(fā)電機(jī)修理提供了多種新的途徑和方案，關(guān)鍵是取舍和經(jīng)驗(yàn)。endprint