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船舶发电机原理和故障排查...讲的太好了！

 大卫11q 2024-09-04 发布于四川
发电机是船舶至关重要的关键设备之一，其能否正常运行直接影响着船舶航行和装/卸货安全。因此，作为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，以便出现故障时能够及时分析、判断原因，并加以排除，确保船舶安全运营。本文就我司某轮发电机故障为切入点，简要分析其运行原理及排查要点，供发电机设备管理人员参考。
一、故障现象
该轮为2012年建造的30万吨级VLCC，配备有三台主发电机，型号为IFC6564-8SA83，是采用西门子技术制造（制造厂家为中船重工）的1FC6系列无刷同步发电机。
2021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，发电机控制屏上的3号发电机主开关脱扣，船舶主电站失电。此时，作为第一备用发电机——2号发电机自动启动并电，维持船舶电站正常供电。船上对3号发电机进行了空载运行测试，其电压、频率均正常，并尝试将其并入电网使用。在同2号发电机并联运行时，出现无功分配不均现象；后来将2号发电机解列，使3号发电机单机运行，结果再次出现“欠压脱扣”故障。
二、发电机基本原理
发电机是依据电磁感应定律来发电的：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（E）。感应电势的大小只与磁感应强度（B）、导体长度（L）、切割速度（V）以及磁感应强度（B）与切割速度（V）方向的夹角（φ）的正弦成正比，即E=BLVsinφ。从这个公式中可以看出，发电机发电必须具备三个基本条件：导体、磁场和相对运动。在发电机中，导体是定子绕组，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的。当发电机带负载时，由于电枢反应的去磁作用，就会使磁场强度（B）下降，感应电势（E）也会降低；同时，定子绕组的电阻由于发热增大及负载功率因数（cosφ）减小，将引起发电机端电压（U）降低。因此，为了维持发电机端电压（U）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。
三、相复励励磁系统
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，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）五个部分组成。
相复励原理如图1所示。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，发电机端电压（U）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（U）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实现发电机端电压（U）稳定的目的。
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图1 发电机原理系统图
相复励励磁系统的调压作用是借助于电流互感器（T1……T3）组成的复励回路实现的。当负载电流（If）增加引起发电机端电压（U）下降时，通过电流互感器（T1……T3）的电流（Ii）会增大，相应地励磁电流（I）也会增大，从而提高发电机端电压（U），以达到调压的目的。通过电流互感器（T1……T3）反映负载电流（If）变化的分量（Ii）称为电流分量，通过移相电抗器（L1）自励回路的分量（Iu）称为电压分量。由于引起同步发电机端电压（U）变化的原因，除了负载电流（If ）外，还和功率因数（cosφ）的大小有很大关系，因此还需要能补偿功率因数（cosφ）变化引起的发电机端电压（U）变化，故需要进行相复励。
相复励矢量如图2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，形成了发电机励磁电流（I），即I2=Ii2+Iu2+2Ii·Iu sinφ。当负载电流（If） 增加引起发电机端电压（U）下降时(参见图3)，电流分量（Ii）就会跟随负载电流（If）一起增加到电流分量1（Ii1），进而使励磁电流（I）增加到励磁电流1（I1），最终使端电压（U）增加，维持发电机电压（U）稳定。当功率因数（cosφ）下降引起发电机端电压（U）下降时（参见图4），根据矢量公式，合成电流（I）就会相应增加，进而提高发电机端电压（U），维持电压稳定；反之亦然。    
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  图2 相复励矢量图
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图3负载电流增加时矢量图 图4功率因数下降时矢量图
2.励磁系统各部件分析（参见图1）
（1）电抗器（L1）。电抗器（L1）在相复励励磁系统中有两个作用：一是降压的作用，将发电机端电压（U）通过降压后送至整流变压器（T6）；二是移相的作用，电抗器（L1）输出的电流在时间上要滞后于输出电压的相位90°。
（2）电容器（C1……C3）。电容器（C1……
C3）在相复励励磁系统中也有两个作用：一是与电抗器（L1）组成串联谐振电路，帮助起励建压；二是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）主要是用来反映发电机带负载时的负载电流大小，以补偿电压降。
（4）整流变压器（T6）。整流变压器（T6）由两个绕组组成：电流复励分量由电流互感器(T4)经变流后送到整流变压器（T6）的副边，电压复励分量经电抗器（L1）移相后送到整流变压器（T6）的原边，进行叠加，形成相复励方式。
（5）自动电压调节器（AVR）。自动电压调节器（AVR）的主要作用是：由于不可控相复励的发电机端电压（U）调整率较大（大于5%），所以采用自动电压调节器（AVR）将其予以提高（小于1%）。如果自动电压调节器（AVR）不起作用或不接入励磁系统，发电机从空载到满载的整个负载范围内输出的电压就会始终高于额定值。当自动电压调节器（AVR）接入励磁系统后，就会有一部分励磁电流流过其中的可控硅和电阻组成的分流电路。分流电流的大小由自动电压调节器（AVR）根据负载大小自动调节，保证了发电机在整个负载范围内的输出电压始终等于额定值。
四、1FC6系列发电机工作原理
发电机工作原理如图1所示。当发电机起动起来后，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（一般有几十伏）。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（AVR）的功率组件（参考图5），再通过功率组件中的三相整流桥（V102）整流后，由接线端X408、X411供给励磁机（G2）的定子，这样就在励磁机（G2）的转子上产生了三相感应电压。三相感应电压经旋转整流器（V2）整流后送给主机（G1）转子，主机（G1）转子中有了激磁电流就相应地产生磁场，该磁场使主机（G1）定子中形成感应电压。这个感应电压经过上述路径后又会在主机转（G1）转子上产生一个更大的激磁电流，从而相应地在主机（G1）定子上形成一个更大的感应电压……循环往复，形成一个正反馈的过程，直至达到额定的电压。
发电机带上负载后，电流互感器（T1……T3）就会产生一个与负载电流成正比的感应电流，并直接送到整流变压器（T6）的副边,与以上所述的发电机空转时整流变压器（T6）中空载励磁电压[接在整流变压器（T6）的原边]相叠加后一起供给励磁机，以用来补偿因发电机电枢反应等原因产生的电压降，维持发电机端电压（U）稳定。
五、带有功率组件的自动电压调节器
1.自动电压调节器的组成
自动电压调节器（AVR）如图5所示。太原西门子1FC6 系列发电机的的自动电压调节器（AVR）为比例积分电压调节器（PI调节）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，具有很高的稳态、动态调压精度（参见图6、图7）。
图片图5 带有功率组件的电压调节器（AVR）
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图6 电压调节器实物图    图7 功率组件实物图
2.自动电压调节器的调压过程
自动电压调节器（AVR）的调压过程如图5所示。发电机端电压（U）通过接线端（X1/1、X1/3）送至变压器（T1）的原边进行降压，励磁系统的电流互感器（T4）产生的电流经过接线端（X2/5、X2/9）连接到电阻（R1）上。这样，变压器（T1）的副边电压和电阻（R1）上的电压叠加后，由负载侧的桥式整流器(V1……V4)进行整流，整流电压为自动电压调节器（AVR）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（①）。实测电压经由低通滤波器（②）进行滤波，以获得足够的动态特性，然后送至调节放大器（③）[电位器（K）和跨接线端（BR1）调节比例放大倍数，电位器（T）调节恢复时间常数]，并输出一个直流电压。这个直流电压是用来控制脉冲单元（④）的，然后供给可控硅（V22）以及相应的可控硅（V101）可调时间的触发脉冲。发电机励磁回路电流通过接线端（X404、X405和X406）接入到三相整流桥（V102）进行整流。电阻（R101）和可控硅（V101）形成与励磁绕组相并联的旁路回路，由励磁装置所提供的被控制的电流就流过这个旁路，使发电机端电压（U）得到控制。为了能获得最佳的校正作用，经过电阻（R47）向自动电压调节器（AVR）反馈一个偏差量。当励磁回路出现直流600V以上的过电压时，过电压保护器（⑤）就起作用，并连续地触发可控硅，使发电机的励磁回路得到保护。
3.自动电压调节器各调节电位器的功能
自动电压调节器（AVR）可调节的电位器如图5、图6所示。自动电压调节器（AVR）上有五个可以调节的电位器，分别为S、U、K、T、R47，且在出厂时就调试好了的。发电机端电压（U）的特性斜率可用S电位器进行调节设定；发电机端电压（U）可用内部整定的U电位器进行调节[如果用外部的整定电位器（5W、4.7KΩ），则连接到自动电压调节器（AVR） 上接线端（X2/1、
X2/3），此时自动电压调节器（AVR）上的开关（S1/3） 必须断开。操作S1开关时，不必去掉透明塑料罩]；。调节发电机的动态性能可用K、T和R47电位器（K电位器是用来调节放大倍数的，T电位器是用来调节积分反应时间的，R47电位器是用来向调节放大器输入比较端引入偏差信号的；将K电位器朝着刻度数字减小的方向旋转，将T电位器朝着刻度数字增大的方向旋转，能够使控制系统趋于稳定，减弱其调节作用的强度）进行调节设定。
六、故障原因排查
该轮3号发电机空载运行时电压和频率均正常，但带负载时电压就急剧下降并导致主开关“欠压脱扣”。通过上述发电机运行原理分析，怀疑是励磁系统的某部件出现了问题。引起发电机带负载压降大的原因主要有以下几个方面：
1.整流模块故障
整流模块（包括旋转整流模块和静止整流模块两部分）故障，将导致励磁功率不够，进而引起带负荷越多电压下降得越快的现象。
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，则说明整流模块短路；如果正向、反向都不通，则说明整流模块断路。
2.电抗器故障
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——有较低电阻且基本相同属于正常；如果某路不通，则说明电抗器（L1）故障。
3.整流变压器故障
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的电阻——有较低电阻且基本相同属于正常；如果某路不通，则说明整流变压器（T6）故障。
4.电流互感器故障
检查方法：将电流互感器（T4）上的各个接头拆掉，用万用表电阻档测量1.1和1.2、2.1和2.2之间的电阻——有较低电阻且基本相同属于正常；如果某路不通，则说明电流互感器（T4）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（参见图8）。检查测量整流变压器（T6）内部线圈，正常；将松动的接头重新固定后启动运行3号发电机，电压和频率正常；并入电网后单机运行，检查电压、电流和频率正常。最终，3号发电机恢复正常使用。
图片图8 整流变压器（T6）
作为船上的关键设备，船舶发电机的重要性不言而喻。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，这样才能在发电机出现故障时及时找到原因并予以排除，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，应注意检查励磁系统元器件的接线是否牢固/有磨损、元器件是否老化变色、接地是否有问题等。日常进行精心的检查维护管理，可以大大降低发电机的故障率。

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