发电机励磁系统故障实例与分析.pdf

2024 年第 2 期33中国高新科技ENERGY&POWER|能源电力发电机励磁系统故障实例与分析臧俊勇中远海运能源运输股份有限公司，上海 200080摘要：发电机是船舶至关重要的关键设备之一，发电机能否正常运行直接影响船舶的航行安全和装卸货安全。因此，船舶发电机设备的主管人员应熟悉掌握发电机的运行原理，针对发电机出现的故障问题，能够及时分析判断原因，并及时排除故障，以确保船舶的安全运营。文章以公司某轮发电机的故障问题为切入点，简要分析发电机的运行原理及故障排查要点，以供发电机设备管理人员参考。关键词：发电机；励磁系统；故障文献标识码：A中图分类号：TM621文章编号：2096-4137（2024）02-33-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.07Example and analysis of generator excitation system faultsZANG JunyongCOSCO Shipping Energy Transport Co.,Ltd.,Shanghai 200080,ChinaAbstract:Generators are one of the crucial equipment in ships,and their normal operation directly affects the safety of navigation and cargo loading and unloading.Therefore,as the supervisory personnel of ship generator equipment,they should be familiar with and master the operating principle of the generator,and be able to analyze and judge the causes of generator faults in a timely manner,and eliminate faults in order to ensure the safe operation of the ship.This paper takes the fault problem of a certain generator in the company as the starting point,briefly analyzing the operating principle and troubleshooting points of the generator,for reference by generator equipment management personnel.Keywords:generator;excitation system;fault1故障现象该轮为 2012 年建造的 30 万 t 级超大型油轮，船上配备有 3 台主发电机，发电机厂家为中船重工，型号为IFC6564-8SA83，该发电机是采用西门子技术制造的 1FC6 系列无刷同步发电机。2023 年 6 月，该轮 3 号发电机单机运行时突然出现“欠压脱扣”报警，同时发电机控制屏上 3 号发电机主开关脱扣，导致船舶主电站失电。此时，作为第一备用的 2 号发电机自动启动并电，维持船舶电站正常供电。船上将 3 号发电机进行空载运行测试，检测该发电机的电压、频率都正常，然后尝试将该发电机并入电网使用，在同 2 号发电机并联运行时出现无功分配不均的现象，然后将 2 号发电机解列，使 3 号发电机单机运行，再次出现“欠压脱扣”问题，导致船舶主电站再次失电。根据这一故障现象，基本上可判断为 3 号发电机励磁系统出现了问题，空载时运行参数都正常，但是不能带负荷工作。2发电机基本原理发电机的基本原理是依据电磁感应定律来发电，当导体在匀强磁场中做匀速切割磁感线运动时，导体中就会产生感应电势。感应电动势 E 的大小与磁感应强度 B、导体长度 L、切割速度，以及 V 与 B 方向的夹角的正弦成正比，即E=BLVsin 从公式中可以看出，发电机发电必须具备 3 个基本条件：导体、磁场和相对运动。在发电机中，导体就是定子绕组，磁场是转子绕组通过直流电建立起来的，相对运动是原动机带动转子磁场与定子绕组产生相对运动。当发电机带负载后，由于电枢反应的去磁作用，会使磁场强度 B 下降，感应电动势 E 随之降低，同时定子绕组的电阻由于发热增大及负载的功率因数 cos的减小，会引起发电机的电压降低，因而为了维持发电机端电压稳定，应引入一个能够随负载变化而变化的相复励励磁系统。3相复励励磁系统3.1相复励励磁系统的组成及原理该轮发电机采用了相复励励磁系统，该励磁系统结构上主要由整流变压器、电抗器、电容、调差互感器和自动电压调节器（AVR）这 5 个部分组成。相复励原理参考图 3 来分析：发电机励磁绕组由励磁机旋转电枢经旋转整流器供给直流励磁电流，电压经电抗器（L1）移相后与电流互感器（T1 T3）的电流经相复励变压器（T6）进行电磁叠加，整流后送至励磁机（G1）的定子励磁绕组。发电机端电压由自动电压调节器（AVR）通过控制直流侧分流晶闸管的导通角来实现端电压稳定的目的。相复励矢量图如图 1 所示。UIiIuI图1相复励矢量图由图 1 矢量图所示：励磁电流的电压分量 Iu和电流分量 Ii进行矢量叠加后，形成发电机的励磁电流 I，即：I2=Ii2+Iu2+2Ii Iu sin。当负载电流 If 增加引起发电机端电压 U 下 2024 年第 2 期34中国高新科技能源电力|ENERGY&POWER降时（见图 2（a），Ii跟随 If一起增加到 Ii1，进而使励磁电流 I 增加到 I1，最终使端电压 U 增加，维持发电机电压稳定。当功率因数 cos下降引起发电机端电压 U 下降时（见图2（b），根据矢量公式，合成电流 I 相应增加，进而提高 U，维持端电压稳定，反之亦然。IiIuIiIuIi1UUI1IIII（a）负载电流增加时 （b）功率因数下降时图2不同条件下的相复励矢量图3.2励磁系统各部件分析（1）电抗器 L1。电抗器 L1在相复励励磁系统中有 2 个作用：降压，将发电机的端电压通过降压后送至整流变压器 T6；移相，电抗器输出的电流在时间上要滞后输出电压的相位 90。（2）电容器（C1 C3）。电容器（C1 C3）在相复励励磁系统中主要有 2 个作用：与电抗器 L1 组成串联谐振电路，帮助起励建压；在发电机运行过程中，避免励磁电流受励磁绕组发热的影响。（3）调差电流互感器（T4）。电流互感器 T4主要用来反映发电机带负载时的负载电流大小，用于补偿电压降。（4）整流变压器（T6）。该整流变压器由 2 个绕组组成，电流复励分量由电流互感器（T4）经变流后送到 T6的副边，电压复励分量经电抗器（L1）移相后送到 T6的原边，进行相叠加形成相复励方式。（5）自动电压调节器。自动电压调节器 的主要作用：由于不可控相复励的发电机电压调整率比较大（大于5%），所以采用自动电压调节器,以提高发电机电压调整率（小于 1%）。4该轮 1FC6 系列发电机的工作原理由图 3 可知，当发电机启动后，依靠主机（G1）转子中的剩磁，在主机（G1）定子上感应出剩磁电压，该剩磁电压一般有几十伏，该剩磁电压经过电抗器（L1）和电容（C1 C3）组成的串联谐振回路，送到整流变压器（T6）的原边，经过整流变压器降压后，通过接线端 X404、X405 和X406 接入到电压调节器的功率组件，如图 4 所示，通过功率组件中三相整流桥（V102）的整流后，由接线 X408、X411 供给励磁机（G2）的定子，这样在励磁机（G2）的转子上就产生三相感应电压，该三相感应电压经旋转整流器（V2）整流后，送给主机（G1）转子，因此主机（G1）转子中就有了激磁电流，则相应的会产生磁场，这样在主机（G1）定子中产生相应的感应电压。这个感应电压经过上述的路径后又会在主机（G1）转子上产生一个更大的激磁电流，相应的在主机（G1）定子上产生一个更大的感应电压，就这样反复循环形成一个正反馈的过程，直至达到额定的电压。图3发电机原理系统图当发电机带上负载后，电流互感器（T1 T3）会产生一个与负载电流成正比的感应电流，直接送到整流变压器（T6）的副边，与上文中所述发电机空转时 T6中空载励磁电压（接在整流变压器 T6 的原边）相叠加，同时供给励磁机，用来补偿发电机电枢反应等原因产生的电压降，以维持发电机的电压稳定。5带有功率组件的自动电压调节器5.1电压调节器的组成太原西门子 1FC6 系列发电机的电压调节器是由电压调节器和功率模块（包括整流器 V102、分流回路内的可控硅V101 和电阻 R101）组成。该自动电压器调节器为比例积分电压调节器（PI 调节），具有很高的稳态、动态调压精度。5.2电压调节器的调压过程图4带有功率组件的电压调节器如图 4 所示，发电机端电压通过接线（X1/1，X1/3）送2024 年第 2 期35中国高新科技ENERGY&POWER|能源电力至变压器 T1原边进行降压，励磁系统的电流互感器 T4产生的电流经过接线（X2/5，X2/9）连接到电阻 R1上；这样变压器 T1副边电压和电阻 R1上的电压进行叠加后，由负载侧的桥式整流器（V1 V4）进行整流，该整流电压为电压调节器提供所需的实测值波动信号值 Uist、整定电压 Usoll及其电源电压。5.3电压调节器各调节电位器功能电压调节器上有个可以调节的电位器，分别为 S、U、K、T、R47，这个可调电位器出厂时一般都已调试好。电位器 S：发电机的电压特性斜率可用电位器 S 进行调节设定。电位器 U：发电机的电压可由内部整定电位器 U 进行调节，如果采用外部的整定电位器（5W、4.7K），则连接到 AVR 上接线端（X2/1，X2/3）调节器上的开关 S1/3。电位器 K、T 和 R47 用来调节发电机的动态性能：电位器K 用来调节放大倍数，电位器 T 用来调节积分反应时间，电位器 R47 用来向调节放大器的输入比较端引入偏差信号。6故障原因排查过程该轮 3 号发电机空载运行时，电压和频率都正常，但是带负载时电压就急剧下降导致主开关欠压脱扣。通过上述发电机运行原理的分析，这种现象最可能是励磁系统某部件出现问题所致，引起发电机带负载压降大的原因有如下 4 个 方面。（1）整流模块故障。包括旋转整流模块和静止整流模块两部分，导致励磁功率不够，进而引起带负荷越多电压下降越快。检查方法：用万用表电阻档测量各个整流模块，正向导通，反向不通属于正常，如果正向、反向都导通，说明该整流模块短路；如果正向、反向都不通，说明整流模块断路。（2）电抗器 L1故障。检查方法：将电抗器 L1上各个接头拆掉，用万用表电阻档测量：U1和 U2、V1和 V2、W1和W2之间的电阻，应有较低电阻且基本相同，如果某路不通，则说明电抗器故障。（3）整流变压器 T6故障。检查方法：将整流变压器 T6上的各个接头拆掉，用万用表电阻档测量：各个抽头之间应有较低电阻且基本相同，如果某路不通，则说明整流变压器T6 故障。（4）电流互感器 T4故障。检查方法：将电流互感器 T4上的各个接头拆掉，1.1 和 1.2、2.1 和 2.2 之间的电阻，应有较低电阻且基本相同，如果某路不通，则说明电流互感器故障。通过上述检查测量，发现整流变压器 T6的一个接头松动虚接，并有轻微的烧灼现象，检查测量该整流变压器内部线圈都正常，将松动的接头重新固定后，启动运行 3 号发电机，电压和频率都正常，并入电网后单机运行，检查电压、电流和频率都正常，3 号发电机恢复正常使用。7发电机的日常维护保养发电机的励磁系统包含的元器件比较多，并且船舶的环境与陆地截然不同，包括恶劣的气温、湿度、振动和冲击等，导致船舶发电机的故障率比较高。从该轮 3 号发电机故障原因可以看出，小小的接线头松动就能导致发电机故障。因此，日常的常规检查及维护保养显得特别重要，能够避免很多故障的发生。可以从如下 4 方面做好发电机的日常维护保养工作：要检查发电机散热系统，包括水冷散热和风冷散热 2种形式，每天监控发电机绕组温度的变化情况并做好记录，并定期对散热的水管或空气滤网进行检查清洁，确保散热系统运行正常。要检查发电机励磁系统元器件，因为发电机的原动机运行时振动较大，导致元器件振动较大，应定期检查各个元器件安装固定情况，同时检查各个元器件的接线是否有松动、变色等异常现象。检查发电机轴承，船舶发电机的轴承型式一般为轴瓦型式和滚珠单子盘型式，应每天检查发电机轴承温度，并定期添加轴承油。要做好发电机备件的储备工作，提前在船上储备一些关键、易损的元器件，以备不时之需。这样可以避免一旦发电机出现故障，即使确认了故障原因，如果没有备件也无法解决问题的尴尬情况。8结语船舶发电机作为船上关键设备，其重要性不言而喻。作为设备管理人员，特别是船舶电子电气员，一定要熟悉发电机的工作原理。只有这样，当发电机出现各种故障问题时，才能够及时找出故障原因并排除故障，确保发电机安全运行。另外，在对发电机进行日常维护管理时，多注意检查发电机励磁系统元器件的接线是否牢固，元器件是否有老化变色等现象，各处接线是否有磨损等问题。日常的精心检查和维护可以大大降低发电机的故障率。作者简介：臧俊勇（1986-），男，河南驻马店人，中远海运能源运输股份有限公司中级工程师，研究方向：船舶电气。参考文献1 周智勇.舰船电机轴承外圈故障诊断方法 J.舰船科学技术,2023,45(24):128-131.2 于涛,葛陕行,陈明等.基于电机状态反馈的电力巡检无人机故障诊断 J.电力电子技术,2023,57(12):25-28.3 米晓东.瓦锡兰副机排烟温度异常故障实例 J.航海技术,2020,(02):32-34.（责任编辑：葛佳）