西門子1FC5系列無刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障

西門子1FC5系列無刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障分類分析內(nèi)容提要：介紹西門子1FC5系列無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，分析該系統(tǒng)常見故障，并列舉關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)故障分類分析0引言1FC5系列無刷同步發(fā)電機(jī)，是德國西門子研發(fā)的產(chǎn)品，投產(chǎn)后不斷改進(jìn)，一直保持技術(shù)領(lǐng)先。上世紀(jì)80年代，中國船舶工業(yè)總公司將其引進(jìn)，原無錫電機(jī)廠按照西門子許可證生產(chǎn)，逐步大量裝備于我國船舶，并陸續(xù)應(yīng)用于鐵路、化工、石油、軍事等領(lǐng)域。1FC5系列無刷同步發(fā)電機(jī)，與任何產(chǎn)品一樣，也會(huì)發(fā)生故障。以船上具體條件是否可現(xiàn)場修復(fù)，故障可分為不具備現(xiàn)場修復(fù)條件的繞組損壞故障，和可現(xiàn)場修復(fù)的勵(lì)磁系統(tǒng)元件故障。本文以1FC5系列400V無刷同步發(fā)電機(jī)為例，介紹其勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，分類分析船舶經(jīng)常遇到的可現(xiàn)場修復(fù)的勵(lì)磁系統(tǒng)元件故障，并舉例介紹故障檢測步驟。1系統(tǒng)構(gòu)成和功能原理有刷交流發(fā)電機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子和調(diào)壓裝置組成：·調(diào)壓裝置(多采用諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)),提供并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直流勵(lì)繞組的激磁電流，以保證定子繞組提供與靜置的調(diào)壓裝置向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子提供激磁電流，通常采用電刷裝置，故稱為有刷發(fā)電機(jī)。電刷裝置，保養(yǎng)繁瑣，炭精污染，還易導(dǎo)致故障或事故。1FC5系列無刷同步發(fā)電機(jī)實(shí)際是兩個(gè)發(fā)電機(jī)——主發(fā)電機(jī)之外，增加了一個(gè)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)整流模塊(每個(gè)模塊包含兩個(gè)二極管);①,定子；②,轉(zhuǎn)子；③,自勵(lì)恒壓勵(lì)磁裝置；④,發(fā)電機(jī)接線盒?！ぶ靼l(fā)電機(jī)，也由轉(zhuǎn)子②(主繞組)提供旋轉(zhuǎn)磁場，由定子①(主繞組)提供交流電。這一點(diǎn)與有刷交流發(fā)·勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，定子增加副繞組且接入與負(fù)荷適應(yīng)的(直流)電流，提供與負(fù)荷適應(yīng)的磁場；轉(zhuǎn)子增加副繞組(勵(lì)磁機(jī)交流繞組)產(chǎn)生與負(fù)荷適應(yīng)的交流電，增加同軸旋轉(zhuǎn)的整流橋整流，提供給轉(zhuǎn)子(主)繞組產(chǎn)生與負(fù)荷適應(yīng)的磁場以保證定子(主)繞組提供與負(fù)荷適應(yīng)的交流電，還增加壓敏保護(hù)模塊以防止浪涌電壓，保護(hù)整流模塊。這樣就不必再設(shè)電刷裝置。同時(shí)，1FC5系列無刷同步發(fā)電機(jī)的調(diào)壓裝置，采用自勵(lì)恒壓勵(lì)磁裝置，除諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)外，增加可控分流系統(tǒng)自動(dòng)電壓調(diào)整器(以下簡稱AVR):·諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)，包括電流互感器(T1、T2、T3)、電抗器L1、諧振電容C1、整流變壓器T6、整流橋1.2系統(tǒng)功能原理發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，涵蓋發(fā)電機(jī)電壓的建立和調(diào)整全過程。為了便于理解，將系統(tǒng)分解為起壓、電流補(bǔ)償、電壓精調(diào)三個(gè)功能環(huán)節(jié)，并采取逐步增加環(huán)節(jié)的方法予以介紹。發(fā)電機(jī)建立電壓是一個(gè)電磁轉(zhuǎn)換的正反饋過程。(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的剩磁磁場旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生剩磁電壓，在諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的L1、C1、T6、V1等作用下(2)經(jīng)過勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)兩個(gè)放大環(huán)節(jié)，勵(lì)磁電流不斷增大，發(fā)電機(jī)輸出電壓迅速升高到發(fā)電機(jī)電壓的穩(wěn)定點(diǎn)(空載特性曲線和勵(lì)磁特性曲線的交點(diǎn)),約為額定電壓的108%-114%。當(dāng)然，通過調(diào)整電抗器L1氣隙也可以使得起壓后達(dá)到額定電壓，但發(fā)電機(jī)加負(fù)載后電壓將跌落很大。1.2.2電流補(bǔ)償為了改善發(fā)電機(jī)帶負(fù)載能力，系統(tǒng)增加了負(fù)載電流補(bǔ)償。電流補(bǔ)償，指發(fā)電機(jī)負(fù)載電流變化后保持發(fā)電機(jī)輸出電壓基本穩(wěn)定的過程。電流補(bǔ)償，通過反映負(fù)載的電流作用于諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?；驹硎牵骸ざ咴谧儔浩鱐6的付邊矢量疊加，通過整流橋V1,使F1、F2接線端勵(lì)之上升/下降，從而保持發(fā)電機(jī)輸出電壓基本穩(wěn)定。但是，相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的檢測信號(hào)(發(fā)電機(jī)電流和功率因數(shù))與被調(diào)節(jié)信號(hào)(發(fā)電機(jī)電壓)不一致，是開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；而且各發(fā)電機(jī)調(diào)壓特性曲線斜率不一致又無法調(diào)整，無法實(shí)現(xiàn)電壓精調(diào)，并聯(lián)供電需設(shè)置均壓線電壓精調(diào)，指按照發(fā)電機(jī)的電壓偏差進(jìn)行調(diào)整。電壓精調(diào)，通過在諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加可控分流系統(tǒng)即自動(dòng)電壓調(diào)整器AVR實(shí)現(xiàn)。(2)經(jīng)T4、T5在電阻R2產(chǎn)生反映負(fù)載的電流的電壓；(3)兩個(gè)電壓矢量疊加，輸入到AVR;(4)AVR比較輸入的電壓與電壓設(shè)定值，調(diào)節(jié)AVR內(nèi)可控硅的導(dǎo)通角，改變輸出回路(1、5接線端)R1的阻值，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓的精調(diào)和無功功率的均勻分配：·發(fā)電機(jī)空載，T4、T5反映負(fù)載電流的分量為零，這時(shí)的電壓為空載額定電壓。因此，脫開AVR,發(fā)電機(jī)108%-114%額定電壓。·調(diào)節(jié)21、22接線端外接可調(diào)電位器(1.5kQ,30W),可平移發(fā)電機(jī)調(diào)壓特性線，因而可在一定范圍內(nèi)調(diào)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，有功功率應(yīng)該基本相等，無功功率(功率因素)也應(yīng)基本一致。這就要求并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的調(diào)壓特性線斜率基本一樣。AVR通過調(diào)差裝置A3(包括T4、T5、R2)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)調(diào)壓特性線的斜率(其中，R2由發(fā)電機(jī)制造廠調(diào)定，其后不再調(diào)整),但是這樣的調(diào)差是通過損失調(diào)壓精度來實(shí)現(xiàn)的。所以，只作單機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)(例如船舶應(yīng)急發(fā)電機(jī)),應(yīng)將調(diào)差裝置R2的阻值調(diào)節(jié)為零，即調(diào)差為零，以提高調(diào)壓精度。總之，自勵(lì)恒壓勵(lì)磁裝置，在相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加可控分流系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)——檢測信號(hào)與被調(diào)節(jié)信號(hào)一致(都是發(fā)電機(jī)電壓),可實(shí)現(xiàn)按照電壓偏差調(diào)節(jié)的精調(diào)，并聯(lián)供電時(shí)不再需要均2故障分類檢測發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障都表現(xiàn)為電壓偏離設(shè)定值：·單機(jī)運(yùn)行，可能表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)不能起壓，或者電壓低于額定電壓，或者電壓高于額定電壓，或者負(fù)載運(yùn)行有電壓故障的發(fā)電機(jī)，并聯(lián)運(yùn)行也必然有電壓故障。所以，即使并聯(lián)運(yùn)行的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)無功功率分配不均勻，也要先確認(rèn)每臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)正常后，再分析并聯(lián)運(yùn)行無功功率分配不均勻的原因。2.1單機(jī)運(yùn)行電壓故障2.1.1單機(jī)不能建立電壓，或者只有剩磁電壓現(xiàn)發(fā)電機(jī)起壓的正反饋回路是斷開的，最大可能是起壓正反饋環(huán)節(jié)直流側(cè)開路(交流側(cè)開路要兩相才會(huì)出現(xiàn)這種情況，可能性小),而且不需要考慮電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)和AVR分流環(huán)節(jié)。判斷這個(gè)正反饋環(huán)節(jié)在哪里斷開，最快捷的方法是充磁：①脫開靜止整流橋V1的直流輸出兩接線端，②啟動(dòng)柴油機(jī)到額定轉(zhuǎn)速，③直接用DC24V充磁按鈕充磁(若沒有充磁按鈕，在F1、F2處加勵(lì)磁電壓；發(fā)電機(jī)正常空載電壓的勵(lì)磁電壓約25V,勵(lì)磁電流約1A),并迅速檢測發(fā)電機(jī)輸出電壓：·若能正常建立電壓，說明主發(fā)電機(jī)和交流勵(lì)磁機(jī)兩個(gè)放大環(huán)節(jié)沒有問題，而是勵(lì)磁系統(tǒng)正反饋回路中斷，需進(jìn)一步檢查其所包含的L1、C1、T6、V1等元器件以及其連接插頭?！と舨荒芙⒄ｋ妷海f明勵(lì)磁系統(tǒng)正反饋的放大環(huán)節(jié)中斷，需檢查交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流模塊和壓敏保護(hù)模塊(圖1上的編號(hào)②環(huán)節(jié))及其連接點(diǎn)。2.1.2單機(jī)電壓超過剩磁電壓，但低于正常電壓超過剩磁電壓但低于正常電壓，說明起壓的正反饋能夠建立，但是空載勵(lì)磁電流小，不能達(dá)到空載磁路飽和所需要的額定電壓。L1、C1、T6、V1的作用下產(chǎn)生勵(lì)磁電流”的正反饋過程，所以原因在勵(lì)磁系統(tǒng)(L1、C1、T6、V1)等正·若不能起壓正常，檢查旋轉(zhuǎn)整流部分(圖1上的編號(hào)②環(huán)節(jié))確定斷相點(diǎn)。2.1.3單機(jī)空載電壓正常，加負(fù)載后電壓跌落單機(jī)空載電壓正常，說明起壓正反饋和AVR分流都正常。從1.2.2可知，問題在電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)，需檢查電空載電壓不穩(wěn)定，影響因素多且較復(fù)雜，涉及起壓環(huán)節(jié)和可控分流環(huán)節(jié)。大多數(shù)情況是接觸點(diǎn)松動(dòng)造成的，也不排除接地和元器件的老化軟擊穿。推薦的處理步驟如下：①排除AVR的分流環(huán)節(jié)——AVR的1#或5#線脫開懸空，發(fā)電機(jī)電壓上升，若發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定不再波動(dòng)，②排除電壓分量回距若按①所述脫開AVR的1#或5#線后，發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)依舊，可以確定AVR分流回路無故障，需進(jìn)一步檢查L1、C1、T6、V1等電壓分量元件的連接點(diǎn)是否松動(dòng)或接地。③查旋轉(zhuǎn)整流模塊和旋轉(zhuǎn)壓敏模塊確認(rèn)AVR分流回路和L1、C1、T6、V1等電壓分量回路均無故障，再檢查旋轉(zhuǎn)整流模塊和旋轉(zhuǎn)壓敏模塊(圖1中②的二極管和壓敏電阻符號(hào)部分)。2.1.5單機(jī)空載輸出電壓高于額定電壓T8)或AVR的分流環(huán)節(jié)。推薦的處理步驟如下：①檢查AVR的外接電位器(圖1的21、22接線端)及其回路是否正常。②測量AVR的輸入端17、18、19三相電壓是否正常(因?yàn)榘l(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓，此時(shí)的三相電壓會(huì)略超過正常值A(chǔ)C24V,正常值約25V)。若三相輸入電壓不正?；蛘呷毕啵瑱z查T7、T8及其各自的原③若外接電位器及其回路正常，輸入AVR的三相電壓也正常，可確定AVR損壞，需更換。討論并聯(lián)運(yùn)行電壓故障，前提是已排除單機(jī)電壓故障。因?yàn)閱螜C(jī)運(yùn)行不正常，并聯(lián)運(yùn)行肯定也不正常。排除單機(jī)故障后，并聯(lián)運(yùn)行電壓故障主要表現(xiàn)為無功功率分配不均勻。并聯(lián)運(yùn)行無功功率分配不均勻，主要原因有并聯(lián)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)原來的空載電壓差過大、調(diào)壓特性線斜率不一樣等兩種情況。(1)并聯(lián)運(yùn)行兩臺(tái)發(fā)電機(jī)原來的空載電壓差過大兩臺(tái)發(fā)電機(jī)原來的空載電壓差過大，是因?yàn)樗鼈兊耐饨与娢黄髯柚蹈淖?，算不上故障，但?jīng)常發(fā)生。的21、22接線端外接可調(diào)電位器(1.5kQ,30