發(fā)電機是船舶至關重要的關鍵設備之一,，其能否正常運行直接影響著船舶航行和裝/卸貨安全,。因此，作為船舶發(fā)電機設備的主管人員,，應熟悉,、掌握發(fā)電機的運行原理，以便出現(xiàn)故障時能夠及時分析,、判斷原因,，并加以排除，確保船舶安全運營,。本文就我司某輪發(fā)電機故障為切入點,，簡要分析其運行原理及排查要點，供發(fā)電機設備管理人員參考,。該輪為2012年建造的30萬噸級VLCC，配備有三臺主發(fā)電機,，型號為IFC6564-8SA83,，是采用西門子技術制造（制造廠家為中船重工）的1FC6系列無刷同步發(fā)電機。2021年6月,，該輪3號發(fā)電機單機運行時突然出現(xiàn)“欠壓脫扣”報警,；同時，發(fā)電機控制屏上的3號發(fā)電機主開關脫扣,，船舶主電站失電,。此時，作為第一備用發(fā)電機——2號發(fā)電機自動啟動并電,，維持船舶電站正常供電,。船上對3號發(fā)電機進行了空載運行測試，其電壓,、頻率均正常,，并嘗試將其并入電網(wǎng)使用。在同2號發(fā)電機并聯(lián)運行時,，出現(xiàn)無功分配不均現(xiàn)象,；后來將2號發(fā)電機解列，使3號發(fā)電機單機運行,，結果再次出現(xiàn)“欠壓脫扣”故障,。發(fā)電機是依據(jù)電磁感應定律來發(fā)電的：當導體在勻強磁場中做勻速切割磁感線運動時，導體中就會產(chǎn)生感應電勢（E）,。感應電勢的大小只與磁感應強度（B）,、導體長度（L）、切割速度（V）以及磁感應強度（B）與切割速度（V）方向的夾角（φ）的正弦成正比,，即E=BLVsinφ,。從這個公式中可以看出，發(fā)電機發(fā)電必須具備三個基本條件：導體,、磁場和相對運動,。在發(fā)電機中，導體是定子繞組,，磁場是轉子繞組通過直流電建立起來的,，相對運動是原動機帶動轉子磁場與定子繞組產(chǎn)生的。當發(fā)電機帶負載時,，由于電樞反應的去磁作用,，就會使磁場強度（B）下降，感應電勢（E）也會降低,；同時,，定子繞組的電阻由于發(fā)熱增大及負載功率因數(shù)（cosφ）減小，將引起發(fā)電機端電壓（U）降低,。因此,，為了維持發(fā)電機端電壓（U）穩(wěn)定，應引入一個能夠隨負載變化而變化的相復勵勵磁系統(tǒng),。該輪發(fā)電機采用了相復勵勵磁系統(tǒng),，由整流變壓器,、電抗器、電容,、調(diào)差互感器和自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）五個部分組成,。相復勵原理如圖1所示。發(fā)電機勵磁繞組由勵磁機旋轉電樞經(jīng)旋轉整流器供給直流勵磁電流,，發(fā)電機端電壓（U）經(jīng)電抗器（L1）移相后與電流互感器（T1……T3）的電流經(jīng)相復勵變壓器（T6）進行電磁疊加,，整流后送至勵磁機（G1）的定子勵磁繞組。發(fā)電機端電壓（U）由自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）,，通過控制直流側分流晶閘管的導通角實現(xiàn)發(fā)電機端電壓（U）穩(wěn)定的目的,。相復勵勵磁系統(tǒng)的調(diào)壓作用是借助于電流互感器（T1……T3）組成的復勵回路實現(xiàn)的。當負載電流（If）增加引起發(fā)電機端電壓（U）下降時,，通過電流互感器（T1……T3）的電流（Ii）會增大,，相應地勵磁電流（I）也會增大，從而提高發(fā)電機端電壓（U），以達到調(diào)壓的目的,。通過電流互感器（T1……T3）反映負載電流（If）變化的分量（Ii）稱為電流分量,，通過移相電抗器（L1）自勵回路的分量（Iu）稱為電壓分量。由于引起同步發(fā)電機端電壓（U）變化的原因,，除了負載電流（If ）外,，還和功率因數(shù)（cosφ）的大小有很大關系，因此還需要能補償功率因數(shù)（cosφ）變化引起的發(fā)電機端電壓（U）變化,，故需要進行相復勵,。相復勵矢量如圖2所示。勵磁電流的電壓分量（Iu）和電流分量（Ii）進行矢量疊加后,，形成了發(fā)電機勵磁電流（I）,，即I2=Ii2+Iu2+2Ii·Iu sinφ。當負載電流（If） 增加引起發(fā)電機端電壓（U）下降時(參見圖3),，電流分量（Ii）就會跟隨負載電流（If）一起增加到電流分量1（Ii1）,，進而使勵磁電流（I）增加到勵磁電流1（I1），最終使端電壓（U）增加,，維持發(fā)電機電壓（U）穩(wěn)定,。當功率因數(shù)（cosφ）下降引起發(fā)電機端電壓（U）下降時（參見圖4），根據(jù)矢量公式,，合成電流（I）就會相應增加,，進而提高發(fā)電機端電壓（U），維持電壓穩(wěn)定,；反之亦然,。 圖3負載電流增加時矢量圖 圖4功率因數(shù)下降時矢量圖（1）電抗器（L1）。電抗器（L1）在相復勵勵磁系統(tǒng)中有兩個作用：一是降壓的作用,，將發(fā)電機端電壓（U）通過降壓后送至整流變壓器（T6）,；二是移相的作用，電抗器（L1）輸出的電流在時間上要滯后于輸出電壓的相位90°,。C3）在相復勵勵磁系統(tǒng)中也有兩個作用：一是與電抗器（L1）組成串聯(lián)諧振電路，幫助起勵建壓,；二是在發(fā)電機運行過程中避免勵磁電流受勵磁繞組發(fā)熱的影響,。（3）調(diào)差電流互感器（T4）。電流互感器（T4）主要是用來反映發(fā)電機帶負載時的負載電流大小,，以補償電壓降,。（4）整流變壓器（T6）。整流變壓器（T6）由兩個繞組組成：電流復勵分量由電流互感器(T4)經(jīng)變流后送到整流變壓器（T6）的副邊,，電壓復勵分量經(jīng)電抗器（L1）移相后送到整流變壓器（T6）的原邊,，進行疊加,，形成相復勵方式。（5）自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）,。自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的主要作用是：由于不可控相復勵的發(fā)電機端電壓（U）調(diào)整率較大（大于5%）,，所以采用自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）將其予以提高（小于1%）。如果自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）不起作用或不接入勵磁系統(tǒng),，發(fā)電機從空載到滿載的整個負載范圍內(nèi)輸出的電壓就會始終高于額定值,。當自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）接入勵磁系統(tǒng)后，就會有一部分勵磁電流流過其中的可控硅和電阻組成的分流電路,。分流電流的大小由自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié),，保證了發(fā)電機在整個負載范圍內(nèi)的輸出電壓始終等于額定值。發(fā)電機工作原理如圖1所示,。當發(fā)電機起動起來后，依靠主機（G1）轉子中的剩磁,，在主機（G1）定子上感應出剩磁電壓（一般有幾十伏）,。剩磁電壓經(jīng)過電抗器（L1）和電容（C1……C3）組成的串聯(lián)諧振回路送到整流變壓器（T6）的原邊，經(jīng)過整流變壓器降壓后,，通過接線端X404,、X405 和X406 接入到電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的功率組件（參考圖5），再通過功率組件中的三相整流橋（V102）整流后,，由接線端X408,、X411供給勵磁機（G2）的定子，這樣就在勵磁機（G2）的轉子上產(chǎn)生了三相感應電壓,。三相感應電壓經(jīng)旋轉整流器（V2）整流后送給主機（G1）轉子,，主機（G1）轉子中有了激磁電流就相應地產(chǎn)生磁場，該磁場使主機（G1）定子中形成感應電壓,。這個感應電壓經(jīng)過上述路徑后又會在主機轉（G1）轉子上產(chǎn)生一個更大的激磁電流,，從而相應地在主機（G1）定子上形成一個更大的感應電壓……循環(huán)往復，形成一個正反饋的過程,，直至達到額定的電壓,。發(fā)電機帶上負載后,，電流互感器（T1……T3）就會產(chǎn)生一個與負載電流成正比的感應電流,，并直接送到整流變壓器（T6）的副邊,與以上所述的發(fā)電機空轉時整流變壓器（T6）中空載勵磁電壓[接在整流變壓器（T6）的原邊]相疊加后一起供給勵磁機，以用來補償因發(fā)電機電樞反應等原因產(chǎn)生的電壓降,，維持發(fā)電機端電壓（U）穩(wěn)定,。五、帶有功率組件的自動電壓調(diào)節(jié)器自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）如圖5所示,。太原西門子1FC6 系列發(fā)電機的的自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）為比例積分電壓調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)）由電壓調(diào)節(jié)器和功率模塊[包括整流器（V102）,、分流回路內(nèi)的可控硅（V101）和電阻（R101）]組成,，具有很高的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)調(diào)壓精度（參見圖6,、圖7）,。 圖5 帶有功率組件的電壓調(diào)節(jié)器（AVR） 圖6 電壓調(diào)節(jié)器實物圖 圖7 功率組件實物圖
2.自動電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)壓過程自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的調(diào)壓過程如圖5所示。發(fā)電機端電壓（U）通過接線端（X1/1,、X1/3）送至變壓器（T1）的原邊進行降壓,，勵磁系統(tǒng)的電流互感器（T4）產(chǎn)生的電流經(jīng)過接線端（X2/5、X2/9）連接到電阻（R1）上,。這樣,，變壓器（T1）的副邊電壓和電阻（R1）上的電壓疊加后，由負載側的橋式整流器(V1……V4)進行整流,，整流電壓為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供所需的實測值波動信號值（Uist）,、整定電壓（Usoll）及其電源電壓（①）。實測電壓經(jīng)由低通濾波器（②）進行濾波,，以獲得足夠的動態(tài)特性,，然后送至調(diào)節(jié)放大器（③）[電位器（K）和跨接線端（BR1）調(diào)節(jié)比例放大倍數(shù)，電位器（T）調(diào)節(jié)恢復時間常數(shù)],，并輸出一個直流電壓,。這個直流電壓是用來控制脈沖單元（④）的，然后供給可控硅（V22）以及相應的可控硅（V101）可調(diào)時間的觸發(fā)脈沖,。發(fā)電機勵磁回路電流通過接線端（X404,、X405和X406）接入到三相整流橋（V102）進行整流。電阻（R101）和可控硅（V101）形成與勵磁繞組相并聯(lián)的旁路回路,，由勵磁裝置所提供的被控制的電流就流過這個旁路,，使發(fā)電機端電壓（U）得到控制。為了能獲得最佳的校正作用,，經(jīng)過電阻（R47）向自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）反饋一個偏差量,。當勵磁回路出現(xiàn)直流600V以上的過電壓時，過電壓保護器（⑤）就起作用,，并連續(xù)地觸發(fā)可控硅,，使發(fā)電機的勵磁回路得到保護。3.自動電壓調(diào)節(jié)器各調(diào)節(jié)電位器的功能自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）可調(diào)節(jié)的電位器如圖5,、圖6所示,。自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）上有五個可以調(diào)節(jié)的電位器，分別為S,、U,、K、T,、R47,，且在出廠時就調(diào)試好了的,。發(fā)電機端電壓（U）的特性斜率可用S電位器進行調(diào)節(jié)設定；發(fā)電機端電壓（U）可用內(nèi)部整定的U電位器進行調(diào)節(jié)[如果用外部的整定電位器（5W,、4.7KΩ）,，則連接到自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR） 上接線端（X2/1、X2/3）,，此時自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）上的開關（S1/3） 必須斷開,。操作S1開關時，不必去掉透明塑料罩],；,。調(diào)節(jié)發(fā)電機的動態(tài)性能可用K、T和R47電位器（K電位器是用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的,，T電位器是用來調(diào)節(jié)積分反應時間的,，R47電位器是用來向調(diào)節(jié)放大器輸入比較端引入偏差信號的；將K電位器朝著刻度數(shù)字減小的方向旋轉,，將T電位器朝著刻度數(shù)字增大的方向旋轉,，能夠使控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，減弱其調(diào)節(jié)作用的強度）進行調(diào)節(jié)設定,。該輪3號發(fā)電機空載運行時電壓和頻率均正常，但帶負載時電壓就急劇下降并導致主開關“欠壓脫扣”,。通過上述發(fā)電機運行原理分析,，懷疑是勵磁系統(tǒng)的某部件出現(xiàn)了問題。引起發(fā)電機帶負載壓降大的原因主要有以下幾個方面：整流模塊（包括旋轉整流模塊和靜止整流模塊兩部分）故障,，將導致勵磁功率不夠,，進而引起帶負荷越多電壓下降得越快的現(xiàn)象。檢查方法：用萬用表電阻檔測量各個整流模塊——正向導通,、反向不通屬于正常,；如果正向、反向都導通,，則說明整流模塊短路,；如果正向、反向都不通,，則說明整流模塊斷路,。檢查方法：將電抗器（L1）上各個接頭拆掉，用萬用表電阻檔測量U1和U2,、V1和V2,、W1和W2之間的電阻——有較低電阻且基本相同屬于正常,；如果某路不通,，則說明電抗器（L1）故障,。檢查方法：將整流變壓器（T6）上的各個接頭拆掉，用萬用表電阻檔測量各個抽頭之間的電阻——有較低電阻且基本相同屬于正常,；如果某路不通,，則說明整流變壓器（T6）故障。檢查方法：將電流互感器（T4）上的各個接頭拆掉,，用萬用表電阻檔測量1.1和1.2,、2.1和2.2之間的電阻——有較低電阻且基本相同屬于正常；如果某路不通,，則說明電流互感器（T4）故障,。通過上述檢查測量，發(fā)現(xiàn)整流變壓器（T6）的一個接頭松動虛接,，并有輕微的燒灼現(xiàn)象（參見圖8）,。檢查測量整流變壓器（T6）內(nèi)部線圈，正常,；將松動的接頭重新固定后啟動運行3號發(fā)電機,，電壓和頻率正常；并入電網(wǎng)后單機運行,，檢查電壓,、電流和頻率正常。最終,，3號發(fā)電機恢復正常使用,。作為船上的關鍵設備，船舶發(fā)電機的重要性不言而喻,。設備管理人員特別是船舶電子電氣員,，一定要熟悉發(fā)電機的工作原理，這樣才能在發(fā)電機出現(xiàn)故障時及時找到原因并予以排除,，確保發(fā)電機安全運行,。另外，在對發(fā)電機進行日常維護管理時,，應注意檢查勵磁系統(tǒng)元器件的接線是否牢固/有磨損,、元器件是否老化變色、接地是否有問題等,。日常進行精心的檢查維護管理,，可以大大降低發(fā)電機的故障率。來源：中遠海運安全 作者：臧俊勇,，中遠海運能源運輸股份有限公司電氣主管,；
|
