1FC6無刷發電機勵磁系統及其故障排除

孫紅英 于風衛

（青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071）

船舶電站是現代船舶的心臟，船舶發電機調壓裝置故障，會影響到電力系統的供電品質與供電安全，甚至會導致整個船舶電力供應失效，危及船舶作業和航行安全。本文介紹了 1FC6無刷發電機的 THYRI–PART勵磁系統的組成與工作原理，并根據實船 1FC6無刷發電機發生的一例勵磁系統故障，敘述了故障的檢查與排除過程。

1 1FC6無刷同步發電機及其勵磁系統

1.1 1FC6無刷發電機

1FC6無刷發電機及其勵磁系統的組成如圖1所示。無刷同步發電機由同步發電機和為同步發電機提供勵磁電流的交流勵磁機組成。圖中：G1為同步發電機繞組；G2為勵磁機繞組；V2為旋轉整流器。同步發電機采用旋轉磁場式，其勵磁繞組裝在轉子上；而交流勵磁機采用旋轉電樞式，其勵磁繞組裝在定子上。無刷發電機的勵磁實質上是交流勵磁機的勵磁，勵磁系統產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（轉子）發出的三相交流電經旋轉整流器V2整流后為同步發電機的勵磁繞組（轉子）提供勵磁電流。同步發電機的勵磁繞組、交流勵磁機的電樞繞組和旋轉整流器 V2固定于同一轉軸上同步旋轉，這樣就省掉了電刷和滑環裝置。

1.2 THYRI–PART 勵磁系統

1FC6無刷同步發電機的勵磁機采用西門子THYRI–PART勵磁系統。勵磁系統根據發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電機勵磁繞組上的勵磁電壓發生變化，從而改變同步發電機的勵磁電流，以達到電壓控制和并聯運行時均分無功功率的目的。THYRI–PART勵磁系統是由電磁疊加的可控相復勵調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，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根據發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電機的勵磁電流，維持發電機端電壓恒定。也就是說，相復勵裝置是工作于過勵狀態。

圖1 1FC6無刷發電機及其勵磁系統的組成原理圖

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將發電機端電壓產生的電流滯后移相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發生串聯諧振，在較小的剩磁電壓下就能在自勵回路產生較大的勵磁電流，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。發電機電壓測量值與可調電位器Usoll調定的給定值相比較得到電壓偏差，運算放大器組成的調節單元④根據電壓偏差來改變可控硅⑥的導通角，控制分流大小，使發電機電壓維持在給定值。

AVR中有三個電位器：Usoll、VR和 TN。發電機的電壓整定值可通過 Usoll電位器來調節,調節器的放大倍數由 VR電位器調節，積分作用及最佳的動態響應特性由 TN電位器調節。另外，由AVR的20、21端子外接了一個電壓整定器R5，位于主配電板的發電機控制屏，使發電機輸出電壓在95%至105%間連續可調。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形成調差系數調整裝置，可調整發電機的電壓調整特性線的斜率。

2 THYRI–PART勵磁系統常見故障

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，上述故障會引起發電機電壓不正常，通常表現為發電機建立不了電壓、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整的繞組抽頭，發電機調壓裝置維修后相復勵裝置參數不正確的調整導致發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，則AVR對相復勵裝置的輸出分流太多，導致發電機勵磁不足，使發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壓裝置的動態特性和調壓精度變差。

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調整不合適會使發電機電壓調整異常。AVR上的電位器 Usoll或位于發電機控制屏上與AVR連接的電壓整定器R5的調整不當，可引起發電機空載電壓不正常；VR、TN調整不當會影響到發電機電壓調整的穩定性和調壓精度。若同軸電位器R2設定不當，使影響到發電機的調壓調差系數。并聯運行的發電機組，要合理、穩定地分配無功功率，要求各臺機組的電壓調整特性一致，即各臺發電機組空載電壓相等，調差系數盡可能相同。若并聯運行的兩臺機組空載電壓調整不相等或調壓調差系數不一致，還會導致并聯運行無功功率分配嚴重不均。

2.3 旋轉整流器

旋轉整流器隨發電機轉子高速旋轉，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，若元件質量不過關極易出現故障。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電機失磁或勵磁不足，使發電機無電壓或欠壓。

3 故障排除實例

3.1 故障現象

某工程船舶，配備三臺 1FC6無刷交流同步發電機，發電機額定電壓400 V，額定頻率50 Hz。2#發電機在一次調壓裝置故障維修后，出現了異?，F象，發電機在額定轉速時空載電壓僅能達到380 V左右，發電機的電壓調整特性太軟，當發電機的負荷達到50%時，發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

據了解，2#發電機的故障現象是由于相復勵變壓器T7～T8繞組燒毀后重繞，進行多次維修與調整后出現的。考慮到系統已經過多次維修與調整，本著從簡單到復雜的原則，決定首先對電壓校正器參數和調壓調差系數進行檢查和重新整定。

3.2.1 AVR的檢查與調整

使發電機組在額定轉速空載運行情況下，通過 AVR上的電位器 Usoll和發電機控制屏的調壓旋鈕（可調整電壓整定器R5）對發電機的空載電壓進行調整試驗，發現上述調整對發電機的空載電壓毫無影響。然后，使發電機合閘供電，并通過與岸上連接的水電阻和電抗器給發電機加上一定負荷，調整同軸電位器 R2改變發電機的調壓調差系數進行試驗。結果表明，R2的調整無法改變發電機的電壓調整特性。在試驗過程中，測量到發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，發現有無AVR的情況下，發電機的電壓調整情況完全相同。證實 AVR確實沒有起到任何作用。AVR完全沒有分流的情況下，發電機的電壓還是達不到額定電壓，說明發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整

正常情況下，相復勵裝置應工作于過勵狀態，如果 AVR不能控制對相復勵裝置的輸出電流進行部分分流，機組達到額定轉速時，應出現過電壓情況。而實際情況恰恰相反，發電機不僅沒有出現過電壓，反而低于額定值。出現此現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電機達到額定電壓；當發電機帶負載后，復勵分量的增加不足以補償電樞反應的影響，使發電機電壓進一步下降。在整個過程中，AVR檢測到的發電機電壓實際值始終低于設定值，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調整不合適。相復勵裝置的單相等值電路如圖3所示。等值電路中：電壓 來自發電機的端電壓；電流K由電流互感器T1～T3提供，正比于發電機的負載電流 ；RE是發電機勵磁回路折算到變壓器次級一相的等效電阻。發電機的端電壓經電抗器產生的電壓分量與負載電流產生的電流分量通過復勵變壓器實現磁勢疊加，在輸出繞組W2中產生感應電勢，在勵磁回路產生勵磁電流。發電機運行時，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

相復勵裝置參數的調整可分電壓分量與電流分量兩個方面進行調整。當空載電壓不合適時，調整電壓分量，即調節移相電抗器的匝數、氣隙或相復勵變壓器原邊電壓線圈W1的匝數。當發電機的負載電流接通后電壓不合適時，調整電流分量，即調整電流互感器副邊的匝數或相復勵變壓器原邊電流線圈W3的匝數。若調整相復勵變壓器輸出繞組W2的匝數，會同時影響電壓分量和電流分量的變化。此外，調整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，復勵變壓器原邊的安匝數(磁勢)基本上是固定的，根據磁勢平衡關系，要增加勵磁電流必須減少W2的匝數；反之亦然。這與一般變壓器的調節方式剛好相反。

根據故障現象可知，2#發電機相復勵裝置的自勵作用與復勵作用都太弱，發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節。此輪發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，按照上述方法進行多次調整與試驗，使在整個負載范圍內，相復勵裝置都處于過勵狀態。

通過AVR上的Usoll電位器和同軸電位器R2對發電機的電壓設定值、調壓調差系數進行調整，經運行試驗、調試，調壓裝置各項功能恢復正常。

4 結束語

發電機勵磁系統故障或不正常調整會影響到船舶供電安全，勵磁系統各參數調整好后不要隨意調整，以免偏離正常工作狀態。勵磁系統故障進行檢修或確實必要進行參數調整時，必須明白勵磁系統的工作原理，按照正確的方法進行檢查與調整，否則可能會使異常情況更加嚴重。本文中發電機勵磁系統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.

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