HFC6 船用無刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障分析

黃平

摘要：本文分析了HFC6船用無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理，結(jié)合該勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹了一起較典型的因勵(lì)磁電流不足導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓降低的故障分析和處理方法，提出了針對(duì)該類發(fā)電機(jī)日常維護(hù)管理的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：船舶發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁系統(tǒng) 故障處理

1 概述

HFC6船用無刷發(fā)電機(jī)由韓國現(xiàn)代電氣工程有限公司（Hyundai Electrical Engineering Co. Ltd.）采用西門子技術(shù)生產(chǎn)制造，其性能指標(biāo)及工作原理與同年代我國無錫電機(jī)廠（現(xiàn)無錫汾錫電機(jī)有限公司）按西門子專利許可制造的1FC5、1FC6基本一致。由于該類型發(fā)電機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、維護(hù)管理簡單等特點(diǎn)，受到船東和船舶管理公司的青睞，在上世紀(jì)90年代廣泛應(yīng)用于韓國建造的各類船舶上。目前我公司有2艘1995年韓國建造的4 960總噸392TUE集裝箱船舶裝備了該類型發(fā)電機(jī)，作為船舶主發(fā)電機(jī)。隨著使用年限的增加，該類型發(fā)電機(jī)的故障逐漸增多，一些隱性的缺陷也開始顯現(xiàn)，本文以HFC6 456-84K船舶發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，介紹一起較典型的勵(lì)磁系統(tǒng)故障處理方法與日常維護(hù)管理要點(diǎn)，以供同行借鑒。HFC6 456-84K船舶發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

序號(hào) 參數(shù)名稱 參數(shù)值

序號(hào) 參數(shù)名稱 參數(shù)值

1 額定容量 500KVA

2 額定轉(zhuǎn)速 900r/min

3 額定電壓 445V

4 額定電流 648.7A

5 額定頻率 60Hz

6 功率因數(shù) 0.8（感性）

7 絕緣等級(jí) F級(jí)

2 勵(lì)磁系統(tǒng)基本原理

HFC6 456-84K 船用無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)如圖1所示，G1發(fā)電機(jī)，G2同軸勵(lì)磁機(jī)，A1電壓調(diào)整器，L1線性電抗器，T1、T2、T3為單相電流互感器，T4壓降補(bǔ)償中間電流互感器，T6整流變壓器，C1、C2、C3諧振電容器，V28勵(lì)磁分流可控硅，R48串聯(lián)限流電阻，V29靜止整流模塊，V2旋轉(zhuǎn)整流器，U壓敏電阻。

發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，殘留在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯磁極上的剩磁與定子三相繞組相互作用，在定子三相繞組上產(chǎn)生較小的剩磁三相交流電壓Us。該電壓作為發(fā)電機(jī)調(diào)壓裝置的自勵(lì)分量 Lu，經(jīng)L1線性電抗器降壓和移相后輸入到T6整流變壓器，經(jīng)整流變壓器電磁耦合，輸出至V29靜止整流模塊整流。靜止整流模塊輸出的直流勵(lì)磁電壓加載給予發(fā)電機(jī)同軸的交流勵(lì)磁機(jī)G2的定子勵(lì)磁繞組，交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上便產(chǎn)生相應(yīng)的三相交流電壓。勵(lì)磁機(jī)輸出電壓經(jīng)V2旋轉(zhuǎn)整流器整流后，形成發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓供給發(fā)電機(jī)G1轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。在此勵(lì)磁電壓作用下，發(fā)電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生更高的三相交流電壓。這種正反饋的作用使發(fā)電機(jī)輸出電壓迅速上升到空載特性曲線1和勵(lì)磁特性曲線2的交匯點(diǎn)A，如圖2所示，也即額定電壓Ue （445V），從而完成發(fā)電機(jī)的自勵(lì)起壓過程。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)自勵(lì)起壓過程

電容C1、C2、C3在系統(tǒng)中的作用是：在發(fā)電機(jī)運(yùn)行于0.9額定頻率附近的起壓階段，通過LC串聯(lián)電壓諧振作用，增大輸入整流變壓器的電壓，使圖2中的勵(lì)磁特性曲線2右移，成為特性曲線3，從而快速越過B、C點(diǎn)，以避免電壓穩(wěn)定在該兩點(diǎn)上，使發(fā)電機(jī)迅速起壓。電壓增大到一定值后，由于非線性阻抗迅速減小，勵(lì)磁特性曲線又逐步恢復(fù)到特性曲線2上。

T1、T2、T3單相電流互感器將發(fā)電機(jī)的各相負(fù)載電流，即發(fā)電機(jī)的復(fù)勵(lì)分量 Li輸送至整流變壓器復(fù)勵(lì)繞組，復(fù)勵(lì)分量 Li作為發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)和內(nèi)阻抗壓降的補(bǔ)償，在整流變壓器上與自勵(lì)分量 Lu進(jìn)行電磁（磁勢(shì)）矢量疊加、耦合后經(jīng)整流變壓器輸出繞組輸出，共同加載給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，從而完成發(fā)電機(jī)的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓。整流變壓器在其中的作用是對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換，通過電磁綜合電壓和電流分量，同時(shí)隔離勵(lì)磁電路和發(fā)電機(jī)主回路。利用等值電路分析，可以畫出相位和電流補(bǔ)償時(shí)靜止整流模塊V29交流側(cè)勵(lì)磁電流 L的矢端軌跡，如圖3所示。

圖3交流側(cè)勵(lì)磁電流I的矢端軌跡圖

在進(jìn)行等值電路分析時(shí)，我們是用變換到副邊的電流相迭加的方法來得到 L的，這只是一種分析、計(jì)算的方法，實(shí)際上兩分量只有電磁聯(lián)系而沒有電的聯(lián)系，計(jì)算分析方法中等值電路中的那些電流實(shí)際上都是磁勢(shì)的表征，它的迭加實(shí)際上也是磁勢(shì)的迭加，即電壓與電流分量是通過電磁關(guān)系而迭加的，如圖4所示。

圖4相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)磁勢(shì)迭加矢量圖

電磁疊加相復(fù)勵(lì)調(diào)壓系統(tǒng)具有電流補(bǔ)償和相位補(bǔ)償功能，由于調(diào)壓和發(fā)電機(jī)電壓的變化幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，因此調(diào)壓動(dòng)作速速，動(dòng)態(tài)特性好，能滿足對(duì)發(fā)電機(jī)電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整率要求。

發(fā)電機(jī)的靜態(tài)電壓調(diào)整主要由圖1中的A1電壓調(diào)整器來完成的，其調(diào)節(jié)原理：發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)A1電壓調(diào)整器的1、3端引入，與電壓調(diào)整器A1中設(shè)置的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，差值經(jīng)電壓調(diào)整器A1中的積分比例單元電路放大后去控制可控硅的觸發(fā)單元。觸發(fā)單元?jiǎng)t根據(jù)差值信號(hào)的大小和方向控制可控硅V28的導(dǎo)通角，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流分流作用的大小，達(dá)到輸出電壓精調(diào)的目的。電壓調(diào)整器A1和分流可控硅V28共同作用，來滿足發(fā)電機(jī)輸出電壓的靜態(tài)調(diào)整率。電壓調(diào)整器A1在系統(tǒng)中的實(shí)際功能就是一個(gè)電壓校正器，理論上靜態(tài)電壓可以做到無差調(diào)節(jié)。

為了使發(fā)電機(jī)能并聯(lián)運(yùn)行，勵(lì)磁系統(tǒng)中增加了一個(gè)壓降補(bǔ)償電流互感器T4，其功能是與電壓調(diào)節(jié)器A1中的專設(shè)元器件共同作用，來保證發(fā)電機(jī)輸出外特性曲線有一定的斜率，即對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)差。

R48在可控硅回路中進(jìn)行限流，保護(hù)可控硅不受過電流的沖擊。旋轉(zhuǎn)整流器電路中的電容C和壓敏電阻U防止瞬間過高的勵(lì)磁電壓對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器V2的沖擊。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)故障現(xiàn)象與檢查endprint

2013年3月10日，某輪海上航行中準(zhǔn)備對(duì)正在運(yùn)行的1#輔機(jī)進(jìn)行常規(guī)檢修，便啟動(dòng)2#發(fā)電機(jī)組。運(yùn)行15分鐘后成功并網(wǎng)，并在負(fù)載轉(zhuǎn)移后將1#發(fā)電機(jī)解列。此時(shí)，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機(jī)電壓突然由445V降到400V左右，調(diào)節(jié)A1電壓調(diào)整器上的調(diào)壓鈕，電壓變化不大。值班人員隨即通知駕駛臺(tái)停主機(jī)及相關(guān)輔助設(shè)備。這些操作完成后，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機(jī)電壓回升至410V左右，船舶電氣管理人員卸載部分負(fù)荷后迅速將2#主開關(guān)分閘，同時(shí)合上1#主開關(guān)，啟動(dòng)相關(guān)輔助設(shè)備，待恢復(fù)主機(jī)動(dòng)力及正常航行后，船舶電氣管理人員查看2#發(fā)電機(jī)，電壓又恢復(fù)到445V。為安全起見，船舶使用1#發(fā)電機(jī)直至靠港，同時(shí)將故障情況E-MAIL報(bào)公司，尋求岸基支持。

船舶靠妥碼頭后，筆者上船對(duì)2#發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢查，發(fā)電機(jī)各接線未發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)及脫落現(xiàn)象。檢查電壓調(diào)整器A1板子，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的燒灼和脫焊假焊痕跡。進(jìn)一步檢查勵(lì)磁控制系統(tǒng)的各整流設(shè)備及其他部件，也未發(fā)現(xiàn)有異常，檢查中僅發(fā)現(xiàn)靜止整流器模塊環(huán)氧封裝面上有一條裂縫，見圖5。

圖5 靜止整流器模塊

隨后啟動(dòng)2#發(fā)電機(jī)，將轉(zhuǎn)速調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，電壓為445V，將2#發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，轉(zhuǎn)移功率后分閘1#主開關(guān)。2#發(fā)電機(jī)電壓再次降至415V左右，此時(shí)發(fā)電機(jī)頻率為60Hz，功率為50kW，調(diào)節(jié)A1電壓調(diào)整器上的調(diào)壓鈕，電壓變化不大。

4 勵(lì)磁系統(tǒng)故障分析與處理

在上述故障現(xiàn)象檢查的基礎(chǔ)上，對(duì)故障進(jìn)行了分析。首先空載電壓正常，說明發(fā)電機(jī)的自勵(lì)部分及相關(guān)設(shè)備工作是正常的；發(fā)電機(jī)加上正常航行功率120kW，電壓下降到400V左右，切斷為主機(jī)服務(wù)的輔助設(shè)備后，電壓略有上升為415V左右，說明發(fā)電機(jī)的電壓是隨著負(fù)荷的增加而下降的。因此，判斷故障應(yīng)發(fā)生在復(fù)勵(lì)部分和電壓調(diào)整器A1主板及整流器部分。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在本發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中，比較容易發(fā)生故障的是電壓調(diào)整器主板及整流器部分。電壓調(diào)整器主板發(fā)生故障，有可能發(fā)出錯(cuò)誤的調(diào)壓信號(hào)，導(dǎo)致電壓錯(cuò)調(diào)。整流模塊元器件老化，有可能發(fā)生元器件可逆性擊穿現(xiàn)象，即元器件在一定的端電壓下能正常工作，但當(dāng)端電壓超越該值后發(fā)生擊穿類似于穩(wěn)壓管的反向工作特性，當(dāng)端電壓恢復(fù)到該值以下后又恢復(fù)原先的特性，故此我把它定義為元器件的可逆性擊穿。整流元器件的可逆性擊穿故障，筆者曾在二十幾年前的原裝西門子IFC4發(fā)電機(jī)故障中碰到并處理過。相對(duì)而言，發(fā)生在T1、T2、T3單相電流互感器及T6整流變壓器的概率較小。

本發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)中更換電壓調(diào)整器A1主板（全插件式）和整流器模塊還是比較方便的，因此我們首先考慮更換整流器模塊。旋轉(zhuǎn)整流器雖然運(yùn)行環(huán)境較惡劣，但由于勵(lì)磁電壓低，整流元件超配容量大，發(fā)生損壞的概率較小，以往的管理中也較少發(fā)生這類情況，為此我們決定先更換靜止整流器模塊V29，況且它環(huán)氧封裝面上已有一條裂縫。

但更換備用靜止整流模塊V29后開機(jī)試車，故障如前。然后，更換備用電壓調(diào)整器A1主板，換妥后啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組試車，發(fā)電機(jī)故障依舊。

進(jìn)一步檢查旋轉(zhuǎn)整流器和T1、T2、T3單相電流互感器及整流變壓器T6接線，外部連接線正常。然后將各線逐步拆除檢查電流互感器T1、T2、T3和整流變壓器T6，發(fā)現(xiàn)T3電流互感器次級(jí)繞組回路不通，拆卸下T3電流互感器檢查，發(fā)現(xiàn)互感器引線至接線樁處斷裂。對(duì)斷線處重新進(jìn)行了焊接處理后，將T3電流互感器裝復(fù)。檢查確認(rèn)各拆接線連接無誤后，開機(jī)試車，發(fā)電機(jī)恢復(fù)正常。我們將原更換下的靜止整流模塊V29和電壓調(diào)整器A1主板等備件換回發(fā)電機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常。由此我們確認(rèn)故障是由T3電流互感器次級(jí)繞組引線處斷裂所致。

5 管理中應(yīng)注意的問題

對(duì)故障電流互感器T3檢查發(fā)現(xiàn)，引線斷裂處應(yīng)該在生產(chǎn)時(shí)就存有瑕疵，經(jīng)過這么多年的使用，瑕疵處不斷被氧化，最終導(dǎo)致斷裂。但由于該設(shè)備安裝在發(fā)電機(jī)輸出接線銅排的下端半封閉位置處，見圖6，平時(shí)檢查一般不會(huì)檢查到這一步，發(fā)電機(jī)進(jìn)廠進(jìn)行預(yù)防性修理時(shí)也常常會(huì)被忽略。由設(shè)備老化和疏于檢查導(dǎo)致的這一故障，提醒我們船舶發(fā)電機(jī)進(jìn)廠進(jìn)行預(yù)防性修理時(shí)，對(duì)平時(shí)容易被忽略的檢查部位和項(xiàng)目有必要做細(xì)致的檢查，盡可能將故障隱患消除在萌芽狀態(tài)，從而控制和降低船舶的營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 電流互感器T1、T2、T3安裝位置

船舶電氣管理人員具備一定的專業(yè)知識(shí)是相當(dāng)重要的，公司已在該船舶儲(chǔ)備了足夠的更換備件，船舶電氣管理人員應(yīng)有能力對(duì)這類故障進(jìn)行自修處理，但該輪電氣管理人員由于缺乏這方面的技能，致使船舶一臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行到靠港，船舶和公司均承擔(dān)了很大的風(fēng)險(xiǎn)。因此在船舶電氣管理人員隊(duì)伍整體技能滑坡的今天，加強(qiáng)對(duì)船舶電氣管理人員上崗前的技能審核，培養(yǎng)在職船舶電氣管理人員的責(zé)任意識(shí)和綜合職業(yè)素養(yǎng)是十分重要的，也是十分必要的。在船舶電氣管理人員技能培訓(xùn)、崗位收入等環(huán)節(jié)增加必要的投入，是確保航運(yùn)企業(yè)船舶營運(yùn)安全的有效途徑之一。

參考文獻(xiàn)

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[2] HFC6 456-84K船用無刷同步發(fā)電機(jī)使用手冊(cè)endprint