HFC6 船用無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障分析

1、摘要：本文分析了 hfc6船用無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)工作原理，結(jié)合該勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點介 紹了一起較典型的因勵磁電流不足導(dǎo)致發(fā)電機輸出電壓降低的故障分析和處理方法，提出了 針對該類發(fā)電機日常維護管理的要點。關(guān)鍵詞：船舶發(fā)電機 勵磁系統(tǒng) 故障處理概述hfc6船用無刷發(fā)電機由韓國現(xiàn)代電氣工程有限公司(hyundai elec trical engineering co. ltd.)采用西門子技術(shù)生產(chǎn)制造，其性能指標(biāo)及工作原理與同年代我國無錫電機廠(現(xiàn) 無錫汾錫電機有限公司)按西門子專利許可制造的lfc5、1fc6基本一致。由于該類型發(fā)電機 具有技術(shù)先進、運行可靠、維護管理簡單等特點，受到船東和船舶管

2、理公司的青睞，在上世 紀(jì)90年代廣泛應(yīng)用于韓國建造的各類船舶上。目前我公司有2艘1995年韓國建造的4 960 總噸392tue集裝箱船舶裝備了該類型發(fā)電機，作為船舶主發(fā)電機。隨著使用年限的增加，該 類型發(fā)電機的故障逐漸增多，一些隱性的缺陷也開始顯現(xiàn)，本文以hfc6 456-84k船舶發(fā)電機 為研究對象，介紹一起較典型的勵磁系統(tǒng)故障處理方法與日常維護管理要點，以供同行借鑒。 hfc6 456-84k船舶發(fā)電機主要參數(shù)如表1所示。表1發(fā)電機主要參數(shù)序號 參數(shù)名稱 參數(shù)值 序號 參數(shù)名稱 參數(shù)值額定容量 500kva額定轉(zhuǎn)速 900r/min額定電壓 445v額定電流 648.7a額定頻率 60h

3、z功率因數(shù) 0.8(感性)絕緣等級 f 級2 勵磁系統(tǒng)基本原理hfc6 456-84k船用無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)如圖1所示，g1發(fā)電機，g2同軸勵磁機， a1電壓調(diào)整器，l1線性電抗器，t1、t2、t3為單相電流互感器，t4壓降補償中間電流互感 器，t6整流變壓器，c1、c2、c3諧振電容器，v28勵磁分流可控硅，r48串聯(lián)限流電阻，v29 靜止整流模塊， v2 旋轉(zhuǎn)整流器， u 壓敏電阻。發(fā)電機組啟動后，殘留在發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯磁極上的剩磁與定子三相繞組相互作用，在定 子三相繞組上產(chǎn)生較小的剩磁三相交流電壓us。該電壓作為發(fā)電機調(diào)壓裝置的自勵分量lu, 經(jīng)l1線性電抗器降壓和移相后輸入到t6整流

4、變壓器，經(jīng)整流變壓器電磁耦合，輸出至v29 靜止整流模塊整流。靜止整流模塊輸出的直流勵磁電壓加載給予發(fā)電機同軸的交流勵磁機g2 的定子勵磁繞組，交流勵磁機轉(zhuǎn)子繞組上便產(chǎn)生相應(yīng)的三相交流電壓。勵磁機輸出電壓經(jīng)v2 旋轉(zhuǎn)整流器整流后，形成發(fā)電機的勵磁電壓供給發(fā)電機g1轉(zhuǎn)子勵磁繞組。在此勵磁電壓作用 下，發(fā)電機的定子繞組產(chǎn)生更高的三相交流電壓。這種正反饋的作用使發(fā)電機輸出電壓迅速 上升到空載特性曲線1和勵磁特性曲線2的交匯點a,如圖2所示,也即額定電壓ue (445v), 從而完成發(fā)電機的自勵起壓過程。圖2勵磁系統(tǒng)自勵起壓過程電容c1、c2、c3在系統(tǒng)中的作用是：在發(fā)電機運行于0.9額定頻率附近的起

5、壓階段，通 過lc串聯(lián)電壓諧振作用，增大輸入整流變壓器的電壓，使圖2中的勵磁特性曲線2右移，成 為特性曲線3,從而快速越過b、c點，以避免電壓穩(wěn)定在該兩點上，使發(fā)電機迅速起壓。電 壓增大到一定值后，由于非線性阻抗迅速減小，勵磁特性曲線又逐步恢復(fù)到特性曲線2上。t1、t2、t3 單相電流互感器將發(fā)電機的各相負(fù)載電流，即發(fā)電機的復(fù)勵分量 li 輸送至 整流變壓器復(fù)勵繞組，復(fù)勵分量 li 作為發(fā)電機電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)和內(nèi)阻抗壓降的補償，在 整流變壓器上與自勵分量 lu 進行電磁（磁勢）矢量疊加、耦合后經(jīng)整流變壓器輸出繞組輸 出，共同加載給發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，從而完成發(fā)電機的相復(fù)勵調(diào)壓。整流變壓器在其中的

6、作 用是對電壓和電流進行變換，通過電磁綜合電壓和電流分量，同時隔離勵磁電路和發(fā)電機主 回路。利用等值電路分析，可以畫出相位和電流補償時靜止整流模塊v29交流側(cè)勵磁電流l 的矢端軌跡，如圖3 所示。圖3交流側(cè)勵磁電流i的矢端軌跡圖在進行等值電路分析時，我們是用變換到副邊的電流相迭加的方法來得到l 的,這只是 一種分析、計算的方法，實際上兩分量只有電磁聯(lián)系而沒有電的聯(lián)系，計算分析方法中等值 電路中的那些電流實際上都是磁勢的表征，它的迭加實際上也是磁勢的迭加，即電壓與電流 分量是通過電磁關(guān)系而迭加的，如圖4所示。圖 4 相復(fù)勵系統(tǒng)磁勢迭加矢量圖電磁疊加相復(fù)勵調(diào)壓系統(tǒng)具有電流補償和相位補償功能，由于調(diào)

7、壓和發(fā)電機電壓的變化 幾乎是同時進行的，因此調(diào)壓動作速速，動態(tài)特性好，能滿足對發(fā)電機電壓的動態(tài)調(diào)整率要 求。發(fā)電機的靜態(tài)電壓調(diào)整主要由圖1中的al電壓調(diào)整器來完成的，其調(diào)節(jié)原理：發(fā)電機的 輸出電壓經(jīng)al電壓調(diào)整器的1、3端引入，與電壓調(diào)整器al中設(shè)置的基準(zhǔn)電壓進行比較，差 值經(jīng)電壓調(diào)整器al中的積分比例單元電路放大后去控制可控硅的觸發(fā)單元。觸發(fā)單元則根據(jù) 差值信號的大小和方向控制可控硅v28的導(dǎo)通角，以調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流分流作用的大小， 達(dá)到輸出電壓精調(diào)的目的。電壓調(diào)整器al和分流可控硅v28共同作用，來滿足發(fā)電機輸出電 壓的靜態(tài)調(diào)整率。電壓調(diào)整器al在系統(tǒng)中的實際功能就是一個電壓校正器，理論

8、上靜態(tài)電壓 可以做到無差調(diào)節(jié)。為了使發(fā)電機能并聯(lián)運行，勵磁系統(tǒng)中增加了一個壓降補償電流互感器t4,其功能是與 電壓調(diào)節(jié)器al中的專設(shè)元器件共同作用，來保證發(fā)電機輸出外特性曲線有一定的斜率，即對 輸出電壓進行調(diào)差。r48 在可控硅回路中進行限流，保護可控硅不受過電流的沖擊。旋轉(zhuǎn)整流器電路中的電 容c和壓敏電阻u防止瞬間過高的勵磁電壓對旋轉(zhuǎn)整流器v2的沖擊。3勵磁系統(tǒng)故障現(xiàn)象與檢查20l3年3月l0 日，某輪海上航行中準(zhǔn)備對正在運行的l#輔機進行常規(guī)檢修，便啟動2#發(fā)電機組。運行l(wèi)5分鐘后成功并網(wǎng)，并在負(fù)載轉(zhuǎn)移后將 l#發(fā)電機解列。此時，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機電壓突然由445v降到400v左右，調(diào)節(jié)al電

9、壓調(diào)整器 上的調(diào)壓鈕，電壓變化不大。值班人員隨即通知駕駛臺停主機及相關(guān)輔助設(shè)備。這些操作完 成后，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機電壓回升至4l0v左右，船舶電氣管理人員卸載部分負(fù)荷后迅速將2#主 開關(guān)分閘，同時合上l#主開關(guān)，啟動相關(guān)輔助設(shè)備，待恢復(fù)主機動力及正常航行后，船舶電 氣管理人員查看2#發(fā)電機，電壓又恢復(fù)到445v。為安全起見，船舶使用l#發(fā)電機直至靠港， 同時將故障情況 e-mail 報公司，尋求岸基支持。船舶靠妥碼頭后，筆者上船對 2#發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)進行了全面檢查，發(fā)電機各接線未發(fā)現(xiàn) 有松動及脫落現(xiàn)象。檢查電壓調(diào)整器al板子，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的燒灼和脫焊假焊痕跡。進一 步檢查勵磁控制系統(tǒng)的各整流設(shè)

10、備及其他部件，也未發(fā)現(xiàn)有異常，檢查中僅發(fā)現(xiàn)靜止整流器 模塊環(huán)氧封裝面上有一條裂縫，見圖 5。圖5靜止整流器模塊4 勵磁系統(tǒng)故障分析與處理本發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)中更換電壓調(diào)整器al主板（全插件式）和整流器模塊還是比較方便的， 因此我們首先考慮更換整流器模塊。旋轉(zhuǎn)整流器雖然運行環(huán)境較惡劣，但由于勵磁電壓低， 整流元件超配容量大，發(fā)生損壞的概率較小，以往的管理中也較少發(fā)生這類情況，為此我們 決定先更換靜止整流器模塊v29，況且它環(huán)氧封裝面上已有一條裂縫。但更換備用靜止整流模塊 v29 后開機試車，故障如前。然后，更換備用電壓調(diào)整器 a1 主板，換妥后啟動發(fā)電機組試車，發(fā)電機故障依舊。進一步檢查旋轉(zhuǎn)整流器和

11、tl、t2、t3單相電流互感器及整流變壓器t6接線，外部連接 線正常。然后將各線逐步拆除檢查電流互感器tl、t2、t3和整流變壓器t6,發(fā)現(xiàn)t3電流互 感器次級繞組回路不通，拆卸下t3電流互感器檢查，發(fā)現(xiàn)互感器引線至接線樁處斷裂。對斷 線處重新進行了焊接處理后，將t3電流互感器裝復(fù)。檢查確認(rèn)各拆接線連接無誤后，開機試 車，發(fā)電機恢復(fù)正常。我們將原更換下的靜止整流模塊v29和電壓調(diào)整器al主板等備件換回 發(fā)電機，進行試驗，發(fā)電機運行正常。由此我們確認(rèn)故障是由t3電流互感器次級繞組引線處 斷裂所致。5 管理中應(yīng)注意的問題對故障電流互感器t3檢查發(fā)現(xiàn)，引線斷裂處應(yīng)該在生產(chǎn)時就存有瑕疵，經(jīng)過這么多年的

12、 使用，瑕疵處不斷被氧化，最終導(dǎo)致斷裂。但由于該設(shè)備安裝在發(fā)電機輸出接線銅排的下端 半封閉位置處，見圖 6，平時檢查一般不會檢查到這一步，發(fā)電機進廠進行預(yù)防性修理時也 常常會被忽略。由設(shè)備老化和疏于檢查導(dǎo)致的這一故障，提醒我們船舶發(fā)電機進廠進行預(yù)防 性修理時，對平時容易被忽略的檢查部位和項目有必要做細(xì)致的檢查，盡可能將故障隱患消 除在萌芽狀態(tài)，從而控制和降低船舶的營運風(fēng)險。圖6電流互感器tl、t2、t3安裝位置船舶電氣管理人員具備一定的專業(yè)知識是相當(dāng)重要的，公司已在該船舶儲備了足夠的更 換備件，船舶電氣管理人員應(yīng)有能力對這類故障進行自修處理，但該輪電氣管理人員由于缺 乏這方面的技能，致使船舶一臺