1FC6无刷发电机励磁系统及其故障排除

孙红英 于风卫

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

船舶电站是现代船舶的心脏，船舶发电机调压装置故障，会影响到电力系统的供电品质与供电安全，甚至会导致整个船舶电力供应失效，危及船舶作业和航行安全。本文介绍了 1FC6无刷发电机的 THYRI–PART励磁系统的组成与工作原理，并根据实船 1FC6无刷发电机发生的一例励磁系统故障，叙述了故障的检查与排除过程。

1 1FC6无刷同步发电机及其励磁系统

1.1 1FC6无刷发电机

1FC6无刷发电机及其励磁系统的组成如图1所示。无刷同步发电机由同步发电机和为同步发电机提供励磁电流的交流励磁机组成。图中：G1为同步发电机绕组；G2为励磁机绕组；V2为旋转整流器。同步发电机采用旋转磁场式，其励磁绕组装在转子上；而交流励磁机采用旋转电枢式，其励磁绕组装在定子上。无刷发电机的励磁实质上是交流励磁机的励磁，励磁系统产生的励磁电流加到励磁机的励磁绕组（定子）上，励磁机电枢绕组（转子）发出的三相交流电经旋转整流器V2整流后为同步发电机的励磁绕组（转子）提供励磁电流。同步发电机的励磁绕组、交流励磁机的电枢绕组和旋转整流器 V2固定于同一转轴上同步旋转，这样就省掉了电刷和滑环装置。

1.2 THYRI–PART 励磁系统

1FC6无刷同步发电机的励磁机采用西门子THYRI–PART励磁系统。励磁系统根据发电机输出的端电压与负载电流来改变励磁机的励磁电流，使励磁机加到同步发电机励磁绕组上的励磁电压发生变化，从而改变同步发电机的励磁电流，以达到电压控制和并联运行时均分无功功率的目的。THYRI–PART励磁系统是由电磁叠加的可控相复励调压装置及可控硅电压校正器（AVR）组合而成，在整个负载范围内，相复励装置输出的电流一直大于励磁机所需的励磁电流，AVR根据发电机的电压偏差对相复励装置的输出进行分流控制，通过改变分流掉的电流的大小来控制发电机的励磁电流，维持发电机端电压恒定。也就是说，相复励装置是工作于过励状态。

图1 1FC6无刷发电机及其励磁系统的组成原理图

1.2.1 相复励装置

相复励装置主要是由移相电抗器L1、电流互感器 T1～3、相复励整流变压器 T6、静止的三相桥式整流器V1、谐振电容C1等元件组成。移相电抗器 L1将发电机端电压产生的电流滞后移相90°，作为电压分量（自励分量）进行自励起压。电流互感器 T1～ T3输出与发电机负载电流大小成比例、同相位的副边电流（复励分量），以进行相复励调压。整流变压器 T6将自励分量与复励分量进行电磁叠加（磁势叠加），其输出经三相桥式整流器V1整流成直流励磁电流为励磁机励磁。其中复励分量经电流互感器T1～ T3副边引出后，以绕组抽头方式叠加到T6的副边。谐振电容C1在接近额定频率时与 L1发生串联谐振，在较小的剩磁电压下就能在自励回路产生较大的励磁电流，易于自励起压。

1.2.2 AVR

图2是AVR的组成框图。图1中的中间互感器T4～5、变压器T7～T8和同轴电位器R2组成电压校正器AVR的测量电路，检测的发电机端电压接至端子17、18和19。电压校正器AVR的1、5端子与相复励装置连接的回路为相复励装置的输出提供了一个可控硅分流通路。发电机电压测量值与可调电位器Usoll调定的给定值相比较得到电压偏差，运算放大器组成的调节单元④根据电压偏差来改变可控硅⑥的导通角，控制分流大小，使发电机电压维持在给定值。

AVR中有三个电位器：Usoll、VR和 TN。发电机的电压整定值可通过 Usoll电位器来调节,调节器的放大倍数由 VR电位器调节，积分作用及最佳的动态响应特性由 TN电位器调节。另外，由AVR的20、21端子外接了一个电压整定器R5，位于主配电板的发电机控制屏，使发电机输出电压在95%至105%间连续可调。在AVR电压测量电路中加入中间互感器 T4～T5和同轴电位器 R2形成调差系数调整装置，可调整发电机的电压调整特性线的斜率。

2 THYRI–PART励磁系统常见故障

2.1 相复励装置部分

相复励装置部分常见的故障主要有移相电抗器 L1、电流互感器 T1～T3、相复励整流变压器T6各绕组出现烧毁、断路、匝间短路，三相桥式整流器 V1整流元件断路或击穿等，上述故障会引起发电机电压不正常，通常表现为发电机建立不了电压、电压偏低或承担负荷后电压下降太多。移相电抗器的铁芯气隙可进行调整，移相电抗器、电流互感器、相复励整流变压器各绕组通常也提供了可调整的绕组抽头，发电机调压装置维修后相复励装置参数不正确的调整导致发电机电压不正常也是常见的故障。

2.2 AVR部分

若分流用可控硅⑥断路或 AVR中元件故障导致可控硅⑥一直不能导通，则AVR不能进行分流，使发电机的输出端电压大幅升高；若分流用可控硅⑥被击穿短路或 AVR中元件故障导致可控硅⑥一直处于导通状态，则AVR对相复励装置的输出分流太多，导致发电机励磁不足，使发电机的输出端电压达不到额定值电压。AVR中某些元件故障也可导致调压装置的动态特性和调压精度变差。

图2 电压校正器原理框图

AVR中电位器Usoll、VR、TN、R5和同轴电位器 R2调整不合适会使发电机电压调整异常。AVR上的电位器 Usoll或位于发电机控制屏上与AVR连接的电压整定器R5的调整不当，可引起发电机空载电压不正常；VR、TN调整不当会影响到发电机电压调整的稳定性和调压精度。若同轴电位器R2设定不当，使影响到发电机的调压调差系数。并联运行的发电机组，要合理、稳定地分配无功功率，要求各台机组的电压调整特性一致，即各台发电机组空载电压相等，调差系数尽可能相同。若并联运行的两台机组空载电压调整不相等或调压调差系数不一致，还会导致并联运行无功功率分配严重不均。

2.3 旋转整流器

旋转整流器随发电机转子高速旋转，机组运行时，整流元件承受着很大的离心力，因此对整流元件的可靠性和耐受离心力的能力要求较高，若元件质量不过关极易出现故障。整流元件的连线接头在离心力作用下也很容易开焊，导致接线接触不良或松脱。整流元件的断路或击穿、连线接头松脱都可能导致发电机失磁或励磁不足，使发电机无电压或欠压。

3 故障排除实例

3.1 故障现象

某工程船舶，配备三台 1FC6无刷交流同步发电机，发电机额定电压400 V，额定频率50 Hz。2#发电机在一次调压装置故障维修后，出现了异常现象，发电机在额定转速时空载电压仅能达到380 V左右，发电机的电压调整特性太软，当发电机的负荷达到50%时，发电机的端电压就降到330 V左右，无法正常使用。

3.2 故障检查过程

据了解，2#发电机的故障现象是由于相复励变压器T7～T8绕组烧毁后重绕，进行多次维修与调整后出现的。考虑到系统已经过多次维修与调整，本着从简单到复杂的原则，决定首先对电压校正器参数和调压调差系数进行检查和重新整定。

3.2.1 AVR的检查与调整

使发电机组在额定转速空载运行情况下，通过 AVR上的电位器 Usoll和发电机控制屏的调压旋钮（可调整电压整定器R5）对发电机的空载电压进行调整试验，发现上述调整对发电机的空载电压毫无影响。然后，使发电机合闸供电，并通过与岸上连接的水电阻和电抗器给发电机加上一定负荷，调整同轴电位器 R2改变发电机的调压调差系数进行试验。结果表明，R2的调整无法改变发电机的电压调整特性。在试验过程中，测量到发电机的电压测量信号已到达 AVR的接线端子 17、18和 19，但分流电路中的限流电阻 R1两端并无电压信号。这说明AVR根本就没有对相复励装置的输出起到分流作用。拔掉与AVR连接的1、5端子的一端，断开分流回路，开机试验，发现有无AVR的情况下，发电机的电压调整情况完全相同。证实 AVR确实没有起到任何作用。AVR完全没有分流的情况下，发电机的电压还是达不到额定电压，说明发电机电压偏低很可能是由于相复励装置所输出的电流严重不足，即使在完全不分流的情况下，其全部输出也不能满足发电机的励磁需求。通过与其他正常机组的 AVR互换进行上述的检查试验也排除了 AVR故障的可能性。

3.2.2相复励装置的检查与调整

正常情况下，相复励装置应工作于过励状态，如果 AVR不能控制对相复励装置的输出电流进行部分分流，机组达到额定转速时，应出现过电压情况。而实际情况恰恰相反，发电机不仅没有出现过电压，反而低于额定值。出现此现象的原因是相复励装置不能提供足够的励磁电流。当空载时，相复励装置的全部输出也不能使发电机达到额定电压；当发电机带负载后，复励分量的增加不足以补偿电枢反应的影响，使发电机电压进一步下降。在整个过程中，AVR检测到的发电机电压实际值始终低于设定值，分流可控硅不会导通，这时AVR就起不到分流作用。

如果没有元件损坏和电路故障，那可能的原因就是相复励装置的参数调整不合适。相复励装置的单相等值电路如图3所示。等值电路中：电压 来自发电机的端电压；电流K由电流互感器T1～T3提供，正比于发电机的负载电流 ；RE是发电机励磁回路折算到变压器次级一相的等效电阻。发电机的端电压经电抗器产生的电压分量与负载电流产生的电流分量通过复励变压器实现磁势叠加，在输出绕组W2中产生感应电势，在励磁回路产生励磁电流。发电机运行时，电流分量随负载电流（大小和相位）变化以补偿电枢反应的影响，维持发电机输出电压恒定。

图3 相复励装置一相的等效电路

相复励装置参数的调整可分电压分量与电流分量两个方面进行调整。当空载电压不合适时，调整电压分量，即调节移相电抗器的匝数、气隙或相复励变压器原边电压线圈W1的匝数。当发电机的负载电流接通后电压不合适时，调整电流分量，即调整电流互感器副边的匝数或相复励变压器原边电流线圈W3的匝数。若调整相复励变压器输出绕组W2的匝数，会同时影响电压分量和电流分量的变化。此外，调整W2时还必须注意到相复励变压器实际运行在电流互感器状态，复励变压器原边的安匝数(磁势)基本上是固定的，根据磁势平衡关系，要增加励磁电流必须减少W2的匝数；反之亦然。这与一般变压器的调节方式刚好相反。

根据故障现象可知，2#发电机相复励装置的自励作用与复励作用都太弱，发电机空载和带负载时都不能输出足够的励磁电流，电压分量与电流分量需同时进行调节。此轮发电机的励磁装置只有相复励变压器的原、副边绕组有抽头可调，按照上述方法进行多次调整与试验，使在整个负载范围内，相复励装置都处于过励状态。

通过AVR上的Usoll电位器和同轴电位器R2对发电机的电压设定值、调压调差系数进行调整，经运行试验、调试，调压装置各项功能恢复正常。

4 结束语

发电机励磁系统故障或不正常调整会影响到船舶供电安全，励磁系统各参数调整好后不要随意调整，以免偏离正常工作状态。励磁系统故障进行检修或确实必要进行参数调整时，必须明白励磁系统的工作原理，按照正确的方法进行检查与调整，否则可能会使异常情况更加严重。本文中发电机励磁系统的工作原理分析及故障检查与排除过程可供船舶电气管理人员、工程技术人员参考。

[1]王文义. 船舶电站［M］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2006.

[2]姜锦范. 船舶电站及自动化[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2006.

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