船舶同步發(fā)電機恒壓勵磁系統(tǒng)故障分析與處理

陳祥光

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船舶同步發(fā)電機恒壓勵磁系統(tǒng)故障分析與處理

陳祥光

（天津海運職業(yè)學(xué)院，天津300350）

以船舶同步發(fā)電機調(diào)壓勵磁系統(tǒng)某一故障為例，介紹TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置的工作原理并對該故障進行了分析處理，為船舶電子電氣員排除發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障提供參考。

同步發(fā)電機 勵磁系統(tǒng) 調(diào)壓裝置

0 引言

額定電壓是船舶電力系統(tǒng)的基本參數(shù)之一，是保證船舶電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要參數(shù)，因此電壓必須滿足穩(wěn)態(tài)基本技術(shù)指標。根據(jù)我國《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》，“交流發(fā)電機連同其勵磁系統(tǒng)，應(yīng)能在負載自空載至額定負載范圍內(nèi)，且功率因數(shù)為固定時，船舶同步發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化量為±2.5%”。為了維持船舶同步發(fā)電機的端電壓恒定，要求船舶發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)能夠根據(jù)負載的變化自動調(diào)節(jié)勵磁電流大小。船舶發(fā)電機勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障會影響電力系統(tǒng)供電，嚴重時會導(dǎo)致全船失電，電力系統(tǒng)崩潰，危及船舶安全營運。

1 故障現(xiàn)象

某輪進行塢修，對船舶發(fā)電機和電力系統(tǒng)例行維護修理，3號發(fā)電機維護修理之后，啟動柴油發(fā)電機，當柴油機運行到額定轉(zhuǎn)速720 r/min時，在集控室內(nèi)主配電板的發(fā)電機控制屏前準備并網(wǎng)試運行時，發(fā)現(xiàn)空載電壓只有370 V左右，在加載之后，觀察電壓表發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的端電壓繼續(xù)下降，無法正常使用，無法同1號和2號發(fā)電機并聯(lián)運行。為了保證船舶電力系統(tǒng)的正常工作，暫停使用3號發(fā)電機，用1號發(fā)電機向電網(wǎng)供電。為了船舶電站供電可靠性及電網(wǎng)的容量冗余應(yīng)及時修復(fù)3號發(fā)電機。

2 勵磁系統(tǒng)工作原理

船舶同步發(fā)電機勵磁自動調(diào)整裝置的種類繁多，主要分為三類：按照負載電流大小和電流相位關(guān)系調(diào)整的是不可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁裝置，其動態(tài)特性好，靜態(tài)特性差；按照端電壓偏差調(diào)整的是可控硅自勵恒壓勵磁裝置，其動態(tài)特性差，靜態(tài)特性好；按照負載電流大小、電流相位和端電壓偏差調(diào)整的是可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁裝置。經(jīng)查閱說明書，該輪發(fā)電機采用TZ-F型的可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置，其原理圖如圖1所示。

圖1 TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置原理圖

TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置主要包括：一部分是相復(fù)勵電磁迭加具有電壓曲折繞組的諧振式自勵恒壓裝置，另一部分是可控硅直流分流器SCR1和晶體管式自動調(diào)壓器構(gòu)成的電壓校正器AVR。該TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置原理圖可簡化為圖2直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓裝置。

圖2 直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器單線原理圖

直流側(cè)晶閘管分流調(diào)壓的基本工作原理：用于檢測負載電流大小的TA電流互感器和用于檢測電流相位關(guān)系的LR移相電抗器組成了相復(fù)勵勵磁裝置，目的是實現(xiàn)發(fā)電機的自勵起壓，負責(zé)電壓的動態(tài)調(diào)整；加上自動電壓校正器AVR，用于進步調(diào)整發(fā)電機的端電壓精度。如果相復(fù)勵勵磁裝置調(diào)整過后，端電壓仍然存在出現(xiàn)偏差，與發(fā)電機端電壓偏差有關(guān)的AVR輸出觸發(fā)電流，改變SCR晶閘管的導(dǎo)通角進行斷續(xù)分流勵磁直流電流，使發(fā)電機端電壓恢復(fù)正常值。

TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置的電壓校正器是由晶體管式自動調(diào)壓器構(gòu)成的。電壓校正器主要是由三部分組成：測量回路、分流觸發(fā)控制回路以及可控硅勵磁分流關(guān)斷回路。

測量回路主要是由變壓整流濾波回路組成的，如圖1中變壓器Bc、12個二極管的六相橋式整流電路、阻容濾波回路R1C1和R2C2、分壓電器R3和R4和比較電路W1W2和R5，隨著船舶電網(wǎng)負荷的變化引起端電壓的變化能夠反映到U和△U上，為分流觸發(fā)控制回路提供信號，其中R3用來調(diào)整發(fā)電機的端電壓。

圖1中分流觸發(fā)控制回路主要由三極管BG1構(gòu)成的分壓式偏置放大電路、由三極管BG2構(gòu)成的射極輸出器和單結(jié)晶體管BT1的射極輸出器組成。當發(fā)電機端電壓U下降，△Uk下降，分壓式偏置放大電路輸出電位升高，三極管BG2電阻增高，U達到單結(jié)晶體管BT1的峰點電壓的時間滯后，可控硅SCR1導(dǎo)通滯后，導(dǎo)通角減少，分流電流減少，相當于勵磁回路的電流增大，使得發(fā)電機端電壓U上升恢復(fù)到正常值。

如圖1中的可控硅勵磁分流關(guān)斷回路主要是由變壓器Bk、單結(jié)晶體管BT2和可控硅SCR2組成的；發(fā)電機的端電壓U控制可控硅SCR1導(dǎo)通對勵磁回路進行分流，結(jié)束分流需要完成對SCR1關(guān)斷，通過可控硅SCR2的導(dǎo)通來實現(xiàn)；400 V電源電壓經(jīng)變壓器Bk變壓后，單相半波整流，穩(wěn)壓后，作為單結(jié)三極管BT2的電壓源，經(jīng)過固定電阻R19向電容C9充電，當達到單結(jié)三極管BT2的峰點電壓，BT2導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖作用到可控硅SCR2控制極上使其導(dǎo)通，關(guān)閉SCR1，當電壓波形到負半波時，SCR2自己關(guān)斷，當SCR1再次觸發(fā)，再次進行分流，周而復(fù)始。

3 故障分析處理

由同步發(fā)電機空載電動勢的公式E=CΦn以及船舶發(fā)電機發(fā)生的故障現(xiàn)象可知，在電勢常數(shù)不變，柴油機轉(zhuǎn)速不變時，引起發(fā)電機端電壓的變化主要原因是船舶發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障。TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置是相復(fù)勵裝置和自動電壓校正器AVR組成的，因此需要從兩個方面入手。勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障有可能調(diào)壓裝置內(nèi)部的元器件、連接電路等故障引起外，也有可能調(diào)壓裝置的參數(shù)調(diào)整不正確導(dǎo)致其工作不正常，進而影響發(fā)電機的端電壓。

1）船舶發(fā)電機空載運行時，空載電壓低于額定電壓，可能原因是空載時勵磁電流電流過低造成。分析故障以及處理分為兩種情況進行：

從TZ-F型的原理分析可知，相復(fù)勵裝置由電流互感器W3和移相電抗器DK組成的，簡化為單線原理圖如圖3所示；在空載時，發(fā)電機不帶負載時沒有形成負載電流，由電流互感器產(chǎn)生的電流分量的勵磁電流I等于0，那么空載電壓過低則是由移相電抗器電壓分量的勵磁電流過小造成的，因此故障出現(xiàn)在相復(fù)勵裝置的自勵回路，可以調(diào)整移相電抗器的匝數(shù)或由若干層絕緣薄片疊加而成的氣隙大小恢復(fù)空載電壓；空載電壓過低可以減少移相電抗器匝數(shù)或增壓電抗器的氣隙，以減少電抗器的電抗值，使電壓分量的勵磁電流I增大，最終增加I使空載電壓恢復(fù)到額定值；但有可能相復(fù)勵裝置中電壓分量的勵磁電流I經(jīng)過調(diào)整輸出達到最大值，仍然出現(xiàn)發(fā)電機端電壓過低，那么可能是勵磁系統(tǒng)其他的故障也影響著發(fā)電機空載電壓。

圖3 相復(fù)勵裝置單線原理圖

另一種造成發(fā)電機端電壓過低是由自動電壓校正器AVR故障造成的，按照要求例行維護維修時，一般AVR中的元器件或連接電路等不會出現(xiàn)故障，那么可以從AVR中的參數(shù)調(diào)整考慮發(fā)電機空載電壓變化；如果相復(fù)勵的電壓分量I正常情況下，引起勵磁電流過低造成空載電壓過低的故障應(yīng)出現(xiàn)在可控硅SCR1分流電路；通常發(fā)電機勵磁回路處于過勵的狀態(tài)，那么發(fā)生空載電壓低，說明分流的勵磁電流太多，造成發(fā)電機勵磁系統(tǒng)欠勵，要使電壓恢復(fù)額定值，應(yīng)調(diào)整如圖1 TZ-F型可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置原理圖中的，若空載電壓開始恢復(fù)，說明原來分流電阻的阻值小，應(yīng)調(diào)大阻值，使分流直流降低，若調(diào)大最大，空載電壓仍然低于額定值，應(yīng)該調(diào)整電位器3，當空載電壓恢復(fù)上升，說明了發(fā)電機的給定值發(fā)生變化，若是端電壓U沒有變化，說明可控硅直流分流器SCR1失控，這時需要檢測分流觸發(fā)控制電路控制過程以及可控硅SCR2勵磁分流關(guān)斷回路中的元器件是否正常工作。

2）船舶發(fā)電機加載運行時，發(fā)電機端電壓低于額定電壓，其主要原因是勵磁電流過低。發(fā)電機加載前處于空載運行電壓偏低時，按照上述要求調(diào)整好空載電壓恢復(fù)到額定值并確認自動調(diào)壓裝置AVR正常工作。船舶上大多數(shù)負載都是感性負載，當發(fā)電機加載之后，會產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)和直軸去磁電樞反應(yīng)，都會引起發(fā)電機端電壓降低，如果勵磁電流電流分量I補償不合適使得發(fā)電機端電壓不能恢復(fù)到正常值。其勵磁電流由相復(fù)勵裝置產(chǎn)生的電壓分量I和電流分量I組成，如圖3所示，空載電壓正常說明勵磁回路電壓分量的勵磁電流基本保持不變，勵磁電流不足導(dǎo)致發(fā)電機端電壓降低主要是由電流分量I不足造成的，因此應(yīng)該提高電流互感器W3的電流分量，一般電流互感器原邊匝數(shù)只有二、三匝，沒有抽頭可調(diào)整，可以通過減少電流互感器副邊匝數(shù)來提高變比即為增加電流分量，提高總勵磁電流I，使發(fā)電機帶載后端電壓恢復(fù)到鋼制海船入級規(guī)范對船舶發(fā)電機端電壓的要求。

4 總結(jié)

船舶同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的維護管理是非常重要的，勵磁系統(tǒng)工作的可靠性影響到船舶是否正常航行。當船舶發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障時，維護管理人員應(yīng)利用扎實理論知識的同時并利用積累實船的經(jīng)驗進行維修使其恢復(fù)正常工作。對可控相復(fù)勵自動勵磁裝置維護維修應(yīng)注意：首先讀懂實船發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的說明書，明白工作原理再調(diào)整；其次應(yīng)停電停機后對相關(guān)的設(shè)備進行少量調(diào)整，防止設(shè)備損壞；最后對勵磁系統(tǒng)調(diào)整之后調(diào)試，調(diào)試成功后，不能再調(diào)整，保證勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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Fault Analysis and Treatment of Constant Voltage Excitation System of Marine Synchronous Generator

Chen Xiangguang

(Tianjin Maritime College, Tianjin 300350, China)

TM343

A

1003-4862（2016）08-0077-03

2016-03-10

陳祥光（1986-），男，講師。研究方向：船舶電氣與自動化。