西门子1FC5系列无刷发电机励磁系统故障

西门子1FC5系列无刷发电机励磁系统故障分类分析内容提要：介绍西门子1FC5系列无刷同步发电机励磁系统的结构和原理，分析该系统常见故障，并列举关键词：发电机无刷励磁系统故障分类分析0引言1FC5系列无刷同步发电机，是德国西门子研发的产品，投产后不断改进，一直保持技术领先。上世纪80年代，中国船舶工业总公司将其引进，原无锡电机厂按照西门子许可证生产，逐步大量装备于我国船舶，并陆续应用于铁路、化工、石油、军事等领域。1FC5系列无刷同步发电机，与任何产品一样，也会发生故障。以船上具体条件是否可现场修复，故障可分为不具备现场修复条件的绕组损坏故障，和可现场修复的励磁系统元件故障。本文以1FC5系列400V无刷同步发电机为例，介绍其励磁系统结构特点和工作原理，分类分析船舶经常遇到的可现场修复的励磁系统元件故障，并举例介绍故障检测步骤。1系统构成和功能原理有刷交流发电机，由定子、转子和调压装置组成：·调压装置(多采用谐振式相复励系统),提供并调节转子直流励绕组的激磁电流，以保证定子绕组提供与静置的调压装置向旋转的转子提供激磁电流，通常采用电刷装置，故称为有刷发电机。电刷装置，保养繁琐，炭精污染，还易导致故障或事故。1FC5系列无刷同步发电机实际是两个发电机——主发电机之外，增加了一个励磁发电机。旋转整流模块(每个模块包含两个二极管);①,定子；②,转子；③,自励恒压励磁装置；④,发电机接线盒。·主发电机，也由转子②(主绕组)提供旋转磁场，由定子①(主绕组)提供交流电。这一点与有刷交流发·励磁发电机，定子增加副绕组且接入与负荷适应的(直流)电流，提供与负荷适应的磁场；转子增加副绕组(励磁机交流绕组)产生与负荷适应的交流电，增加同轴旋转的整流桥整流，提供给转子(主)绕组产生与负荷适应的磁场以保证定子(主)绕组提供与负荷适应的交流电，还增加压敏保护模块以防止浪涌电压，保护整流模块。这样就不必再设电刷装置。同时，1FC5系列无刷同步发电机的调压装置，采用自励恒压励磁装置，除谐振式相复励系统外，增加可控分流系统自动电压调整器(以下简称AVR):·谐振式相复励系统，包括电流互感器(T1、T2、T3)、电抗器L1、谐振电容C1、整流变压器T6、整流桥1.2系统功能原理发电机励磁，涵盖发电机电压的建立和调整全过程。为了便于理解，将系统分解为起压、电流补偿、电压精调三个功能环节，并采取逐步增加环节的方法予以介绍。发电机建立电压是一个电磁转换的正反馈过程。(1)发电机转子绕组的剩磁磁场旋转产生剩磁电压，在谐振式相复励系统的L1、C1、T6、V1等作用下(2)经过励磁机和发电机两个放大环节，励磁电流不断增大，发电机输出电压迅速升高到发电机电压的稳定点(空载特性曲线和励磁特性曲线的交点),约为额定电压的108%-114%。当然，通过调整电抗器L1气隙也可以使得起压后达到额定电压，但发电机加负载后电压将跌落很大。1.2.2电流补偿为了改善发电机带负载能力，系统增加了负载电流补偿。电流补偿，指发电机负载电流变化后保持发电机输出电压基本稳定的过程。电流补偿，通过反映负载的电流作用于谐振式相复励系统实现。基本原理是：·二者在变压器T6的付边矢量叠加，通过整流桥V1,使F1、F2接线端励之上升/下降，从而保持发电机输出电压基本稳定。但是，相复励系统的检测信号(发电机电流和功率因数)与被调节信号(发电机电压)不一致，是开环调节系统；而且各发电机调压特性曲线斜率不一致又无法调整，无法实现电压精调，并联供电需设置均压线电压精调，指按照发电机的电压偏差进行调整。电压精调，通过在谐振式相复励系统基础上增加可控分流系统即自动电压调整器AVR实现。(2)经T4、T5在电阻R2产生反映负载的电流的电压；(3)两个电压矢量叠加，输入到AVR;(4)AVR比较输入的电压与电压设定值，调节AVR内可控硅的导通角，改变输出回路(1、5接线端)R1的阻值，从而调节励磁电流，实现发电机电压的精调和无功功率的均匀分配：·发电机空载，T4、T5反映负载电流的分量为零，这时的电压为空载额定电压。因此，脱开AVR,发电机108%-114%额定电压。·调节21、22接线端外接可调电位器(1.5kQ,30W),可平移发电机调压特性线，因而可在一定范围内调并联运行的发电机，有功功率应该基本相等，无功功率(功率因素)也应基本一致。这就要求并联运行发电机的调压特性线斜率基本一样。AVR通过调差装置A3(包括T4、T5、R2)调节发电机调压特性线的斜率(其中，R2由发电机制造厂调定，其后不再调整),但是这样的调差是通过损失调压精度来实现的。所以，只作单机运行的发电机(例如船舶应急发电机),应将调差装置R2的阻值调节为零，即调差为零，以提高调压精度。总之，自励恒压励磁装置，在相复励系统的基础上增加可控分流系统，整个系统就是一个闭环调节系统——检测信号与被调节信号一致(都是发电机电压),可实现按照电压偏差调节的精调，并联供电时不再需要均2故障分类检测发电机励磁系统故障都表现为电压偏离设定值：·单机运行，可能表现为发电机不能起压，或者电压低于额定电压，或者电压高于额定电压，或者负载运行有电压故障的发电机，并联运行也必然有电压故障。所以，即使并联运行的两台发电机无功功率分配不均匀，也要先确认每台发电机励磁系统正常后，再分析并联运行无功功率分配不均匀的原因。2.1单机运行电压故障2.1.1单机不能建立电压，或者只有剩磁电压现发电机起压的正反馈回路是断开的，最大可能是起压正反馈环节直流侧开路(交流侧开路要两相才会出现这种情况，可能性小),而且不需要考虑电流补偿环节和AVR分流环节。判断这个正反馈环节在哪里断开，最快捷的方法是充磁：①脱开静止整流桥V1的直流输出两接线端，②启动柴油机到额定转速，③直接用DC24V充磁按钮充磁(若没有充磁按钮，在F1、F2处加励磁电压；发电机正常空载电压的励磁电压约25V,励磁电流约1A),并迅速检测发电机输出电压：·若能正常建立电压，说明主发电机和交流励磁机两个放大环节没有问题，而是励磁系统正反馈回路中断，需进一步检查其所包含的L1、C1、T6、V1等元器件以及其连接插头。·若不能建立正常电压，说明励磁系统正反馈的放大环节中断，需检查交流励磁机的旋转整流模块和压敏保护模块(图1上的编号②环节)及其连接点。2.1.2单机电压超过剩磁电压，但低于正常电压超过剩磁电压但低于正常电压，说明起压的正反馈能够建立，但是空载励磁电流小，不能达到空载磁路饱和所需要的额定电压。L1、C1、T6、V1的作用下产生励磁电流”的正反馈过程，所以原因在励磁系统(L1、C1、T6、V1)等正·若不能起压正常，检查旋转整流部分(图1上的编号②环节)确定断相点。2.1.3单机空载电压正常，加负载后电压跌落单机空载电压正常，说明起压正反馈和AVR分流都正常。从1.2.2可知，问题在电流补偿环节，需检查电空载电压不稳定，影响因素多且较复杂，涉及起压环节和可控分流环节。大多数情况是接触点松动造成的，也不排除接地和元器件的老化软击穿。推荐的处理步骤如下：①排除AVR的分流环节——AVR的1#或5#线脱开悬空，发电机电压上升，若发电机电压稳定不再波动，②排除电压分量回距若按①所述脱开AVR的1#或5#线后，发电机电压波动依旧，可以确定AVR分流回路无故障，需进一步检查L1、C1、T6、V1等电压分量元件的连接点是否松动或接地。③查旋转整流模块和旋转压敏模块确认AVR分流回路和L1、C1、T6、V1等电压分量回路均无故障，再检查旋转整流模块和旋转压敏模块(图1中②的二极管和压敏电阻符号部分)。2.1.5单机空载输出电压高于额定电压T8)或AVR的分流环节。推荐的处理步骤如下：①检查AVR的外接电位器(图1的21、22接线端)及其回路是否正常。②测量AVR的输入端17、18、19三相电压是否正常(因为发电机端电压高于额定电压，此时的三相电压会略超过正常值AC24V,正常值约25V)。若三相输入电压不正常或者缺相，检查T7、T8及其各自的原③若外接电位器及其回路正常，输入AVR的三相电压也正常，可确定AVR损坏，需更换。讨论并联运行电压故障，前提是已排除单机电压故障。因为单机运行不正常，并联运行肯定也不正常。排除单机故障后，并联运行电压故障主要表现为无功功率分配不均匀。并联运行无功功率分配不均匀，主要原因有并联两台发电机原来的空载电压差过大、调压特性线斜率不一样等两种情况。(1)并联运行两台发电机原来的空载电压差过大两台发电机原来的空载电压差过大，是因为它们的外接电位器阻值改变，算不上故障，但经常发生。的21、22接线端外接可调电位器(1.5kQ,30