淺談船舶發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、淺談船舶發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)陳杰鋒摘要：本文簡要敘述了船舶發(fā)電機勵磁自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能與原理，以及調(diào)整方法，并結(jié)合35000t船舶調(diào)試發(fā)電機過程中出現(xiàn)的一些問題，談?wù)勔恍┏Ｒ姽收系奶幚?。關(guān)鍵詞：船舶發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）原理 調(diào)整 調(diào)試1. 前言目前船舶電站已廣泛采用無刷同步交流發(fā)電機，我公司建造的35000t船舶三臺發(fā)電機也是屬于無刷同步交流發(fā)電機，該系列發(fā)電機勵磁自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)都采用西門子專利產(chǎn)品。船舶發(fā)電機是船舶航行最主要的設(shè)備之一，直接關(guān)系到船舶航行的安全性能，為了提高船舶電站供電的可靠性和連續(xù)性，規(guī)范對發(fā)電機勵磁電壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)規(guī)定的技術(shù)要求。2 . 勵磁電壓自動調(diào)節(jié)

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理以及要求2. 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理（1）系統(tǒng)的構(gòu)成（見后面附圖1）系統(tǒng)主要由二大部分組成，即勵磁裝置和自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），勵磁裝置主要由T1-3：單相電流互感器，4：下垂補償電流互感器：降壓變壓器：整流變壓器,：電抗器，1-3：諧振電容器，D：旋轉(zhuǎn)整流器等器件組成，構(gòu)成相復(fù)勵磁系統(tǒng)；自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）主要由一塊面積約200平方厘米的印刷線路板組成，它可使發(fā)電機在任何負載下保持電壓恒定，大大提高了輸出電能的品質(zhì)，AVR板上設(shè)有四個可調(diào)的電位器，主要用來整定電壓，調(diào)節(jié)下垂補償及調(diào)整發(fā)電機運行的穩(wěn)定性。（2）工作原理1）勵磁裝置（見方框圖1） 方框圖1 方框圖2 原理描述：空載

3、勵磁電流分量由LC諧振在某一頻率使剩磁電壓在該頻率點上在W1處電壓降最大，并經(jīng)感應(yīng)在W2處得最高電壓經(jīng)V1-6整流提供給勵磁機定子繞組（即付勵電流），然后由勵磁機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生三相交流電（放大），經(jīng)VDC2整流供主機轉(zhuǎn)子繞組以勵磁電流，在主機定子上產(chǎn)生電壓，該電壓進一步增加，正反饋產(chǎn)生出更高的電壓，這樣很快建立起空載電壓，加負載后，隨負載電流的增加，一個三相整流變壓器將被三個單相整流變壓器所替代，同樣在W2上感應(yīng)出隨負載電流增加的負載勵磁電流分量，并在W2處同空載勵磁電流進行矢量迭加，供勵磁機定子付勵電流。2）自動電壓調(diào)節(jié)器AVR即AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR，其工作原

4、理是通過控制硅的導(dǎo)通角來改變分流電阻R101的分流電流，從而達到控制勵磁電流的目的。（見方框圖2）1原理描述：（見后面附圖1）AVR的輸入信號由電壓回路T5和電流回路T4向量和組成，其中電流分量只有在需要并聯(lián)運行進才加入，信號經(jīng)變壓器T5降壓后，經(jīng)開關(guān)S1/1，電位器S（若不并聯(lián)運行，S=0，若并聯(lián)運行，則T4次級電流在S上產(chǎn)生的電壓降則迭加在信號上），經(jīng)V1-V4整流，再經(jīng)過S1/2一路經(jīng)穩(wěn)壓回路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓并供整塊板直流電源，另一路經(jīng)S1/3電位器U上產(chǎn)生取樣電壓，若將開關(guān)S1/3打開，需外接整定電位器，取樣電壓可以通過內(nèi)設(shè)或外設(shè)電壓整定電位器進行人為調(diào)整，從而改變?nèi)又?，進而調(diào)整發(fā)電機輸

5、出電壓，在U處值設(shè)定后，若發(fā)電機隨著負載的增加或者轉(zhuǎn)速的變化，其輸出電壓也會發(fā)生一些變化，這個變化會引起與標(biāo)準(zhǔn)電壓差值的變化，對這種微小信號進行放大，使之能夠控制觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通角，進而控制勵磁電流的大小，達到調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓的目的，在電機有正常穩(wěn)定電壓輸出的情況下，可控桂始終有分流存在，每次的調(diào)節(jié)僅僅是改變導(dǎo)通角，從而控制分流電流的大小。信號電壓在經(jīng)過濾波回路濾波，同反饋量迭加后一起送入放大器，其中K、T用來調(diào)節(jié)放大器參數(shù)，并經(jīng)由脈沖單元轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖，觸發(fā)可控硅V21的導(dǎo)通角，并通過R101分掉靜止整流塊的部分電流。2組成及功能：電壓調(diào)節(jié)器由電源、實測值、濾波回路、調(diào)節(jié)放大器、脈沖單元、過壓

6、保護器、外附整定電位器、功率組件等組成。電壓調(diào)節(jié)器包括電位器U、S、K、T、R47等可調(diào)元件，發(fā)電機的額定電壓已在制造廠用電位器U調(diào)整完畢，其動態(tài)性能也已由電位器K、T、R47調(diào)整好了。電位器K用來調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，電位器T用來調(diào)節(jié)積分反應(yīng)時間，電位器R47則用以向調(diào)節(jié)放大器的輸入端引入端偏差信號以改善其動態(tài)性能，將旋紐K朝著刻度數(shù)字減小的方向旋轉(zhuǎn)，以及將旋鈕T朝著刻度數(shù)字的方向旋轉(zhuǎn)，通常是使控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，減弱其調(diào)節(jié)作用的強度，在需要時，斷開跨接線BR可將電位器K所調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器放大系數(shù)近似地減小為其四分之一，電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性亦可利用增加分流回路內(nèi)的電阻而得以改善，但此時調(diào)節(jié)器在下限的

7、電壓整定范圍將變得減小。2. 2 系統(tǒng)的技術(shù)要求 電力系統(tǒng)運行的電能質(zhì)量指標(biāo)是電壓和頻率的穩(wěn)定度。電壓的穩(wěn)定度由發(fā)電機它的勵磁系統(tǒng)保證；頻率的穩(wěn)定由原動機的調(diào)速器保證。對船舶電網(wǎng)電壓的極度上升和下降將會導(dǎo)致其它保護電器動作，電網(wǎng)解例，甚至全船舶停電的嚴(yán)重事故，所以對發(fā)電機和勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)規(guī)范規(guī)定是非常必要的。1） 靜態(tài)指標(biāo)發(fā)電機靜態(tài)電壓調(diào)整率是指發(fā)電機端出現(xiàn)的最大或最小工作電壓與額定電壓差值對額定電壓的百分比。規(guī)范規(guī)定：在考慮原動機速度特性的情況下，當(dāng)發(fā)電機的負載自滿載到空載，再自空載到滿載的范圍內(nèi)的任一負載下，且其功率因素保持額定值，發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓變化率應(yīng)不能超過額定電壓的±2

8、.5%。2）動態(tài)指標(biāo) 規(guī)范規(guī)定：交流發(fā)電機在負載為空載，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，電壓接近額定值的狀態(tài)下，突加和突卸60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4的對稱負載時，當(dāng)電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%，而突卸60%上述負載時，其時的電壓上升其瞬態(tài)電壓值不超過額定電壓的120%，電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差3%以內(nèi)所需要的時間應(yīng)不超過去1.5秒。上述要求的前提是原動機調(diào)整器特性要符合：當(dāng)突然卸去額定負載時，其瞬時調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的10%；穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%。3. 系統(tǒng)的通電調(diào)試過程中碰到的問題和解決辦法3. 1 調(diào)試前的檢查1）發(fā)電機勵磁和電壓調(diào)節(jié)裝置安裝在機端蓋上，因施工課

9、施工進線和接線需要等原因，將會多多少少地把灰塵、雜物留在AVR調(diào)節(jié)裝置上，為此在通電調(diào)試前，必須對自動電壓調(diào)節(jié)器進行一次全面的清潔，最好用無水酒精清洗，保證沒有雜物灰塵在上面。2）發(fā)電機運轉(zhuǎn)前，自動電壓調(diào)節(jié)進行絕緣電阻測量，特別注意一點是絕不能用500V或1000V的搖絕緣表測量，因AVR上有電子部件，用手搖絕緣表測量容易造成AVR上的電子元件擊穿。測量須用精度好的數(shù)字式萬用表歐姆檔來測量，阻值要大于或等于1M歐姆，如測量結(jié)果電阻小于1M歐姆，需要更換AVR模塊。3）要檢查一遍發(fā)電機AVR模塊上的接口，因在調(diào)試過程中有很多東西是摸不到，看不著的，所以要謹(jǐn)慎對待每一步的過程。32 調(diào)試發(fā)電機自動

10、電壓調(diào)節(jié)出現(xiàn)故障分析35000t船舶在碼頭發(fā)電機靜態(tài)試驗，發(fā)電機額定功率910KW，電流1460A，負載從而25%開始試驗，每間隔15分鐘增加25%負載，用數(shù)字萬用表測量電壓顯示在允許范圍±2.5%額定電壓之內(nèi),當(dāng)負載升到100%負載試驗時,數(shù)字萬用表電壓由450V慢慢降落,電壓降到300V失壓脫扣,即時斷開發(fā)電機主開關(guān),停機檢查發(fā)電機電壓自動調(diào)壓系統(tǒng)是否振動引起接線松,檢查結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)接線有松動現(xiàn)象。為了解決這個疑難問題，我查遍了電壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有關(guān)方面知識，發(fā)現(xiàn)可能出在可控硅的導(dǎo)通角度，引起勵磁電流下降大造成電壓低主開關(guān)低壓脫扣，我只好主動聯(lián)系發(fā)動機廠家，要求廠家更換質(zhì)量好的可

11、控硅電子元件，因可控硅裝在散熱板上，有可能散熱板太小，散熱效果不理想，造成可控硅過熱，控制流過負載即勵磁機磁場電流出現(xiàn)問題，最后，廠家更換了AVR模塊上的可控硅，用散熱效果好的鋁板增大熱量，電壓自動調(diào)節(jié)裝置通過修理之后，重新試驗，在負載100%試驗沒有出現(xiàn)電壓波動，排除了故障，電壓自動調(diào)節(jié)裝置修復(fù)后一切正常。3. 3 電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見故障因為發(fā)電機系統(tǒng)在船舶電氣中是一個比較大的系統(tǒng)，在調(diào)試過程遇到的故障都不一樣，在這里介紹幾種在調(diào)試中常遇到的故障。1） 發(fā)電機電壓超出額定值很多，并且配電板上的調(diào)節(jié)電位器也不能進行調(diào)節(jié)，遇到這種故障要停機對AVR接線和發(fā)電機上的電壓自動調(diào)節(jié)部份的接線點進行檢查，

12、這種故障是因為AVR自動調(diào)壓控制路開路造成。2） 發(fā)電機電壓不平衡，一般來講用精度好的萬用表測量三線電壓，其誤差不超過1%（空載），如果超出此值，說明主機定子繞組可能存在匝間短路故障，具體測量U-V，U-W，V-W之間的電阻，其中RU-V，RU-W，RV-W之間最大允許有2%的誤差，超差，說明確實存在上述故障，若不超差，應(yīng)著手另外尋找原因。3） 發(fā)電機有電壓，但電壓在350V以下，這種故障的最大可能性是靜止整流塊或旋轉(zhuǎn)整流塊，有一路出現(xiàn)故障造成的，當(dāng)然也可能是由于勵磁繞組存在匝間短路，使勵磁電流增加，而勵磁系統(tǒng)又提供不了如此多的勵磁電流，造成電壓下降。4） 發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，頻率正常而無電壓輸出，

13、首先要用數(shù)字萬用表交流電壓檔對發(fā)電機實際輸出電壓檢查，測量三相線電壓無輸出，這種現(xiàn)象是發(fā)電機無剩磁造成，在停機狀態(tài)下，短時充磁即可。如果此時發(fā)電機仍然沒有電壓，可能是靜止整流塊損壞或者線路方面存在問題。5） 發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，頻率正常，主配電板上電壓調(diào)整不起作用或+-5%額定電壓值范圍不夠，這種故障可能有兩種情況，如果電壓能穩(wěn)定在某個值上（例如小于440V），說明AVR工作基本正常，造成這種故障的原因可能是外附整定電位器不良，這時可在發(fā)電機內(nèi)將外部電位器Rp的接線點短接，調(diào)整內(nèi)部整定電位器U，若電壓變化請檢查外部電位器Rp及其引線，如果電壓不變化，說明AVR存在故障或者分流回路可控硅分流電阻存在故

14、障。如果在主配電板調(diào)整外部整定電位器Rp達不到+-5%額定電壓值時，應(yīng)配合內(nèi)部整定電位器U來調(diào)整，二者配合調(diào)整如果還達不到最佳位置，這種現(xiàn)象是主配電板電位器同發(fā)電機AVR上的電位器不匹配造成的。6） 發(fā)電機在運轉(zhuǎn)時，頻率正常值，調(diào)主配電板電壓調(diào)節(jié)器時，順時針增加電壓值時，電壓表指針反而向“小”方向走，逆時針減小電壓值時，電壓表指針向“大”方向走，這種現(xiàn)象是主配電板調(diào)壓電位器接反線造成7） 發(fā)電機運行帶載電壓不穩(wěn)，燈泡閃爍，這種情況一般是由于調(diào)整不當(dāng)造成的，由于在發(fā)電機出廠試驗中原Urn調(diào)整是適應(yīng)發(fā)電機試驗站的最佳值，在用戶現(xiàn)場就有可能隨著負載的不同造成原來動態(tài)參數(shù)不一定合適。8） 發(fā)電機中線電

15、流大，這種現(xiàn)象分兩種情況，一種是由于負載嚴(yán)重不平衡引起的，根據(jù)VDE0503標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如果負載嚴(yán)重不平衡，包括電流不平衡或相位不平衡，則會產(chǎn)生中線電流，如果中線電流超過額定的50%，應(yīng)調(diào)整負載使之平衡，一般情況下，應(yīng)盡可能的使之平衡，以使中線電流最小。另一種是由于三次諧波引起的，根據(jù)發(fā)電機技術(shù)文件的說明，如果若干臺發(fā)電機的中點是互接在一起的或直接與變壓器和負載的中點相連接的，那就會產(chǎn)生三次諧波電流。應(yīng)在各種可能發(fā)生的負載情況下測量發(fā)電機的中線電流，以便檢測其三次諧波電流的大小。9） 發(fā)電機高溫報警或高溫跳閘，發(fā)電機在運行過程中會由于過載、負載功率因素低、不平衡、或者環(huán)境溫度過高、空氣過濾器堵

16、塞、通風(fēng)路徑堵塞造成風(fēng)阻太大等原因均會造成發(fā)電機繞組溫度超過絕緣等級所允許的最高限度值，導(dǎo)致發(fā)電機壽命降低，甚至燒毀定、轉(zhuǎn)子繞組，所以發(fā)電機在某些用途或用戶有要求時可配溫度裝置傳感器，以供監(jiān)測報警或跳閘用，一般選用利用其隨溫度變化，在某一溫度時阻值會突然變大的特性，利用中間繼電器接通聲光報警回路發(fā)出聲光報警或控制屏斷路器跳閘，報警溫度145°，跳閘溫度155°，一般為三個串聯(lián)，并備用一組，共六只PTC，一般情況下：R500，若大于動作溫度：R約為1.33.9K,如果在使用過程中發(fā)現(xiàn)高溫報警或跳閘,首先應(yīng)檢查控制回路有無問題,控制繼電器DRB也是易損件之一,可通過更換或者摸擬

17、方法來檢測,如果控制回路正常,應(yīng)檢查通風(fēng)路徑,空濾器負載等因素,只有這些問題全部排除,才可以懷疑主機定子繞組是否存在匝間短路故障,這當(dāng)然也可以通過測量其它參數(shù)來綜合分析故障點.4電壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)整方法AVR過去是做成一個完整的設(shè)備，安裝在發(fā)電機附近，采用電子元件后，一般都做成電路板式，設(shè)置在發(fā)電機接線盒或端蓋內(nèi)，大多數(shù)帶AVR的交流發(fā)電機，出廠前已完成調(diào)整工作，一般不必作太多的改動，發(fā)電機更換AVR后，通常需要對電壓調(diào)節(jié)范圍，靈敏度、穩(wěn)定性和調(diào)差性等的重新調(diào)整。41 電壓調(diào)節(jié)范圍調(diào)整調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓的元件一般是采用電位器，AVR板上和控制屏上各設(shè)置一個，發(fā)電機控制屏上的電位器通常是接成可變電

18、阻的形式，稱為“電壓調(diào)節(jié)器”調(diào)整的目的，手動調(diào)節(jié)電位器時，機端電壓可在要求調(diào)節(jié)范圍整定，一般要求電壓調(diào)節(jié)范圍不小于±5%，調(diào)整程序如下：發(fā)電機運轉(zhuǎn)之前，把AVR板上的“電壓調(diào)節(jié)”鈕逆時針旋到底。把發(fā)電機控制屏上的電壓調(diào)節(jié)器旋到中間位置。把AVR板上的“穩(wěn)定調(diào)節(jié)”鈕旋到中間位置。在發(fā)電機端接一個精度要求高的數(shù)字萬用表交流電壓檔來測量。起動發(fā)電機至空載額定頻率。順時針旋AVR板上的“電壓調(diào)節(jié)”鈕使電壓至發(fā)電機額定值。如果在額定電壓值出現(xiàn)電壓震蕩，可調(diào)節(jié)“穩(wěn)定調(diào)節(jié)”鈕使電壓穩(wěn)定，經(jīng)過這樣的調(diào)整，如果電壓指示偏離額定值，重新調(diào)節(jié)“電壓調(diào)節(jié)”鈕。手動調(diào)節(jié)控制屏上的電壓調(diào)節(jié)器，檢查電壓調(diào)節(jié)范圍是

19、否符合要求，控制屏上的電壓調(diào)節(jié)器是發(fā)電機廠提供的，應(yīng)能滿足要求，電壓調(diào)節(jié)范圍調(diào)整完成。42 電壓穩(wěn)定調(diào)整AVR都有穩(wěn)定電路，以保證發(fā)電機電壓有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。電壓自動調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要是AVR的調(diào)節(jié)速度與勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)不匹配所致，調(diào)節(jié)速度太快會引起電壓震蕩，調(diào)節(jié)速度太慢無法抑制電壓的瞬時波動，延緩電壓恢復(fù)時間。調(diào)整的要點是，“穩(wěn)定調(diào)節(jié)”鈕的最佳位置是在接近不穩(wěn)定的臨界點，“穩(wěn)定調(diào)節(jié)”鈕調(diào)節(jié)方向一般是逆時針不穩(wěn)定，順時針穩(wěn)定，調(diào)整是在發(fā)電機空載和額定電壓的情況下進行，逆時針緩慢調(diào)節(jié)“穩(wěn)定調(diào)節(jié)”鈕，調(diào)節(jié)到電壓開始不穩(wěn)定時停，然后順時針稍微調(diào)節(jié)一點，使電壓穩(wěn)定，這就是最佳位

20、置，調(diào)整完成。43 調(diào)節(jié)精度調(diào)整AVR的調(diào)節(jié)精度又稱為靈敏度，是指發(fā)電機負載頻率和環(huán)境溫度等在允許范圍內(nèi)變化時，經(jīng)AVR調(diào)節(jié)后的電壓變化率。船舶規(guī)范規(guī)定發(fā)電機靜態(tài)電壓調(diào)整率為±2.5%，現(xiàn)AVR的調(diào)節(jié)精度可以達到±0.5%。調(diào)節(jié)精度是先試驗后調(diào)整。用負載試驗來考核和調(diào)整調(diào)節(jié)精度，花費時間長，耗費也大。可以先用頻率試驗來考核。頻率試驗是做AVR的電壓頻率特性。即頻率變化±2.5%時電壓的相應(yīng)變化。具體方法如：起動發(fā)電機在額定頻率空載運行，手動調(diào)節(jié)電壓至額定值，調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速，下行至頻率-2.5%，上行至頻率+2.5%,選幾個頻率點，如58.5Hz、59Hz、60Hz、61Hz、61.5Hz，記下頻率值和對應(yīng)的電壓值，計算電壓調(diào)整率，如果在±2.5%以內(nèi)不必再調(diào)整，超出則要調(diào)節(jié)“靈敏度”鈕。如果提高調(diào)節(jié)精度后出現(xiàn)電壓震蕩現(xiàn)象，則應(yīng)重新調(diào)整“穩(wěn)定調(diào)節(jié)”。44 調(diào)差特性考慮到并聯(lián)運行發(fā)電機間的無功電流分配，帶AVR的發(fā)電機必須具有無功調(diào)差特性。發(fā)電機AVR的調(diào)差特性一般是在出廠前調(diào)好，實際使用的特性指標(biāo)是發(fā)電機