孫紅英 于風衛(wèi)

（青島遠洋船員職業(yè)學院，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，甚至會導致整個船舶電力供應失效，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)電機及其勵磁系統(tǒng)

1.1 1FC6無刷發(fā)電機

1FC6無刷發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)的組成如圖1所示。無刷同步發(fā)電機由同步發(fā)電機和為同步發(fā)電機提供勵磁電流的交流勵磁機組成。圖中：G1為同步發(fā)電機繞組；G2為勵磁機繞組；V2為旋轉(zhuǎn)整流器。同步發(fā)電機采用旋轉(zhuǎn)磁場式，其勵磁繞組裝在轉(zhuǎn)子上；而交流勵磁機采用旋轉(zhuǎn)電樞式，其勵磁繞組裝在定子上。無刷發(fā)電機的勵磁實質(zhì)上是交流勵磁機的勵磁，勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的勵磁電流加到勵磁機的勵磁繞組（定子）上，勵磁機電樞繞組（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)電機的勵磁繞組（轉(zhuǎn)子）提供勵磁電流。同步發(fā)電機的勵磁繞組、交流勵磁機的電樞繞組和旋轉(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)電機的勵磁機采用西門子THYRI–PART勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機輸出的端電壓與負載電流來改變勵磁機的勵磁電流，使勵磁機加到同步發(fā)電機勵磁繞組上的勵磁電壓發(fā)生變化，從而改變同步發(fā)電機的勵磁電流，以達到電壓控制和并聯(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勵調(diào)壓裝置及可控硅電壓校正器（AVR）組合而成，在整個負載范圍內(nèi)，相復勵裝置輸出的電流一直大于勵磁機所需的勵磁電流，AVR根據(jù)發(fā)電機的電壓偏差對相復勵裝置的輸出進行分流控制，通過改變分流掉的電流的大小來控制發(fā)電機的勵磁電流，維持發(fā)電機端電壓恒定。也就是說，相復勵裝置是工作于過勵狀態(tài)。

圖1 1FC6無刷發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)的組成原理圖

1.2.1 相復勵裝置

相復勵裝置主要是由移相電抗器L1、電流互感器 T1～3、相復勵整流變壓器 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）進行自勵起壓。電流互感器 T1～ T3輸出與發(fā)電機負載電流大小成比例、同相位的副邊電流（復勵分量），以進行相復勵調(diào)壓。整流變壓器 T6將自勵分量與復勵分量進行電磁疊加（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勵磁。其中復勵分量經(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端子與相復勵裝置連接的回路為相復勵裝置的輸出提供了一個可控硅分流通路。發(fā)電機電壓測量值與可調(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的導通角，控制分流大小，使發(fā)電機電壓維持在給定值。

AVR中有三個電位器：Usoll、VR和 TN。發(fā)電機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)電機控制屏，使發(fā)電機輸出電壓在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 相復勵裝置部分

相復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)電機電壓不正常，通常表現(xiàn)為發(fā)電機建立不了電壓、電壓偏低或承擔負荷后電壓下降太多。移相電抗器的鐵芯氣隙可進行調(diào)整，移相電抗器、電流互感器、相復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)電機調(diào)壓裝置維修后相復勵裝置參數(shù)不正確的調(diào)整導致發(fā)電機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中元件故障導致可控硅⑥一直不能導通，則AVR不能進行分流，使發(fā)電機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中元件故障導致可控硅⑥一直處于導通狀態(tài)，則AVR對相復勵裝置的輸出分流太多，導致發(fā)電機勵磁不足，使發(fā)電機的輸出端電壓達不到額定值電壓。AVR中某些元件故障也可導致調(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)電機電壓調(diào)整異常。AVR上的電位器 Usoll或位于發(fā)電機控制屏上與AVR連接的電壓整定器R5的調(diào)整不當，可引起發(fā)電機空載電壓不正常；VR、TN調(diào)整不當會影響到發(fā)電機電壓調(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，使影響到發(fā)電機的調(diào)壓調(diào)差系數(shù)。并聯(lián)運行的發(fā)電機組，要合理、穩(wěn)定地分配無功功率，要求各臺機組的電壓調(diào)整特性一致，即各臺發(fā)電機組空載電壓相等，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，還會導致并聯(lián)運行無功功率分配嚴重不均。

2.3 旋轉(zhuǎn)整流器

旋轉(zhuǎn)整流器隨發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，機組運行時，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致發(fā)電機失磁或勵磁不足，使發(fā)電機無電壓或欠壓。

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，發(fā)電機額定電壓400 V，額定頻率50 Hz。2#發(fā)電機在一次調(diào)壓裝置故障維修后，出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速時空載電壓僅能達到380 V左右，發(fā)電機的電壓調(diào)整特性太軟，當發(fā)電機的負荷達到50%時，發(fā)電機的端電壓就降到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)電機的故障現(xiàn)象是由于相復勵變壓器T7～T8繞組燒毀后重繞，進行多次維修與調(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)進行檢查和重新整定。

3.2.1 AVR的檢查與調(diào)整

使發(fā)電機組在額定轉(zhuǎn)速空載運行情況下，通過 AVR上的電位器 Usoll和發(fā)電機控制屏的調(diào)壓旋鈕（可調(diào)整電壓整定器R5）對發(fā)電機的空載電壓進行調(diào)整試驗，發(fā)現(xiàn)上述調(diào)整對發(fā)電機的空載電壓毫無影響。然后，使發(fā)電機合閘供電，并通過與岸上連接的水電阻和電抗器給發(fā)電機加上一定負荷，調(diào)整同軸電位器 R2改變發(fā)電機的調(diào)壓調(diào)差系數(shù)進行試驗。結(jié)果表明，R2的調(diào)整無法改變發(fā)電機的電壓調(diào)整特性。在試驗過程中，測量到發(fā)電機的電壓測量信號已到達 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，開機試驗，發(fā)現(xiàn)有無AVR的情況下，發(fā)電機的電壓調(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)電機的電壓還是達不到額定電壓，說明發(fā)電機電壓偏低很可能是由于相復勵裝置所輸出的電流嚴重不足，即使在完全不分流的情況下，其全部輸出也不能滿足發(fā)電機的勵磁需求。通過與其他正常機組的 AVR互換進行上述的檢查試驗也排除了 AVR故障的可能性。

3.2.2相復勵裝置的檢查與調(diào)整

正常情況下，相復勵裝置應工作于過勵狀態(tài)，如果 AVR不能控制對相復勵裝置的輸出電流進行部分分流，機組達到額定轉(zhuǎn)速時，應出現(xiàn)過電壓情況。而實際情況恰恰相反，發(fā)電機不僅沒有出現(xiàn)過電壓，反而低于額定值。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是相復勵裝置不能提供足夠的勵磁電流。當空載時，相復勵裝置的全部輸出也不能使發(fā)電機達到額定電壓；當發(fā)電機帶負載后，復勵分量的增加不足以補償電樞反應的影響，使發(fā)電機電壓進一步下降。在整個過程中，AVR檢測到的發(fā)電機電壓實際值始終低于設(shè)定值，分流可控硅不會導通，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勵裝置的參數(shù)調(diào)整不合適。相復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)電機的端電壓；電流K由電流互感器T1～T3提供，正比于發(fā)電機的負載電流 ；RE是發(fā)電機勵磁回路折算到變壓器次級一相的等效電阻。發(fā)電機的端電壓經(jīng)電抗器產(chǎn)生的電壓分量與負載電流產(chǎn)生的電流分量通過復勵變壓器實現(xiàn)磁勢疊加，在輸出繞組W2中產(chǎn)生感應電勢，在勵磁回路產(chǎn)生勵磁電流。發(fā)電機運行時，電流分量隨負載電流（大小和相位）變化以補償電樞反應的影響，維持發(fā)電機輸出電壓恒定。

圖3 相復勵裝置一相的等效電路

相復勵裝置參數(shù)的調(diào)整可分電壓分量與電流分量兩個方面進行調(diào)整。當空載電壓不合適時，調(diào)整電壓分量，即調(diào)節(jié)移相電抗器的匝數(shù)、氣隙或相復勵變壓器原邊電壓線圈W1的匝數(shù)。當發(fā)電機的負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)或相復勵變壓器原邊電流線圈W3的匝數(shù)。若調(diào)整相復勵變壓器輸出繞組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勵變壓器實際運行在電流互感器狀態(tài)，復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)電機相復勵裝置的自勵作用與復勵作用都太弱，發(fā)電機空載和帶負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行調(diào)節(jié)。此輪發(fā)電機的勵磁裝置只有相復勵變壓器的原、副邊繞組有抽頭可調(diào)，按照上述方法進行多次調(diào)整與試驗，使在整個負載范圍內(nèi)，相復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)電機的電壓設(shè)定值、調(diào)壓調(diào)差系數(shù)進行調(diào)整，經(jīng)運行試驗、調(diào)試，調(diào)壓裝置各項功能恢復正常。

4 結(jié)束語

發(fā)電機勵磁系統(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)故障進行檢修或確實必要進行參數(shù)調(diào)整時，必須明白勵磁系統(tǒng)的工作原理，按照正確的方法進行檢查與調(diào)整，否則可能會使異常情況更加嚴重。本文中發(fā)電機勵磁系統(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: 大連海事大學出版社, 2006.

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