船舶同步发电机恒压励磁系统故障分析与处理

陈祥光



船舶同步发电机恒压励磁系统故障分析与处理

陈祥光

（天津海运职业学院，天津300350）

以船舶同步发电机调压励磁系统某一故障为例，介绍TZ-F型可控相复励自励恒压装置的工作原理并对该故障进行了分析处理，为船舶电子电气员排除发电机励磁系统故障提供参考。

同步发电机 励磁系统 调压装置

0 引言

额定电压是船舶电力系统的基本参数之一，是保证船舶电力系统供电质量的重要参数，因此电压必须满足稳态基本技术指标。根据我国《钢质海船入级规范》，“交流发电机连同其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载范围内，且功率因数为固定时，船舶同步发电机的静态电压变化量为±2.5%”。为了维持船舶同步发电机的端电压恒定，要求船舶发电机的励磁系统能够根据负载的变化自动调节励磁电流大小。船舶发电机励磁系统发生故障会影响电力系统供电，严重时会导致全船失电，电力系统崩溃，危及船舶安全营运。

1 故障现象

某轮进行坞修，对船舶发电机和电力系统例行维护修理，3号发电机维护修理之后，启动柴油发电机，当柴油机运行到额定转速720 r/min时，在集控室内主配电板的发电机控制屏前准备并网试运行时，发现空载电压只有370 V左右，在加载之后，观察电压表发现发电机的端电压继续下降，无法正常使用，无法同1号和2号发电机并联运行。为了保证船舶电力系统的正常工作，暂停使用3号发电机，用1号发电机向电网供电。为了船舶电站供电可靠性及电网的容量冗余应及时修复3号发电机。

2 励磁系统工作原理

船舶同步发电机励磁自动调整装置的种类繁多，主要分为三类：按照负载电流大小和电流相位关系调整的是不可控相复励自励恒压励磁装置，其动态特性好，静态特性差；按照端电压偏差调整的是可控硅自励恒压励磁装置，其动态特性差，静态特性好；按照负载电流大小、电流相位和端电压偏差调整的是可控相复励自励恒压励磁装置。经查阅说明书，该轮发电机采用TZ-F型的可控相复励自励恒压装置，其原理图如图1所示。

图1 TZ-F型可控相复励自励恒压装置原理图

TZ-F型可控相复励自励恒压装置主要包括：一部分是相复励电磁迭加具有电压曲折绕组的谐振式自励恒压装置，另一部分是可控硅直流分流器SCR1和晶体管式自动调压器构成的电压校正器AVR。该TZ-F型可控相复励自励恒压装置原理图可简化为图2直流侧晶闸管分流的调压装置。

图2 直流侧晶闸管分流的调压器单线原理图

直流侧晶闸管分流调压的基本工作原理：用于检测负载电流大小的TA电流互感器和用于检测电流相位关系的LR移相电抗器组成了相复励励磁装置，目的是实现发电机的自励起压，负责电压的动态调整；加上自动电压校正器AVR，用于进步调整发电机的端电压精度。如果相复励励磁装置调整过后，端电压仍然存在出现偏差，与发电机端电压偏差有关的AVR输出触发电流，改变SCR晶闸管的导通角进行断续分流励磁直流电流，使发电机端电压恢复正常值。

TZ-F型可控相复励自励恒压装置的电压校正器是由晶体管式自动调压器构成的。电压校正器主要是由三部分组成：测量回路、分流触发控制回路以及可控硅励磁分流关断回路。

测量回路主要是由变压整流滤波回路组成的，如图1中变压器Bc、12个二极管的六相桥式整流电路、阻容滤波回路R1C1和R2C2、分压电器R3和R4和比较电路W1W2和R5，随着船舶电网负荷的变化引起端电压的变化能够反映到U和△U上，为分流触发控制回路提供信号，其中R3用来调整发电机的端电压。

图1中分流触发控制回路主要由三极管BG1构成的分压式偏置放大电路、由三极管BG2构成的射极输出器和单结晶体管BT1的射极输出器组成。当发电机端电压U下降，△Uk下降，分压式偏置放大电路输出电位升高，三极管BG2电阻增高，U达到单结晶体管BT1的峰点电压的时间滞后，可控硅SCR1导通滞后，导通角减少，分流电流减少，相当于励磁回路的电流增大，使得发电机端电压U上升恢复到正常值。

如图1中的可控硅励磁分流关断回路主要是由变压器Bk、单结晶体管BT2和可控硅SCR2组成的；发电机的端电压U控制可控硅SCR1导通对励磁回路进行分流，结束分流需要完成对SCR1关断，通过可控硅SCR2的导通来实现；400 V电源电压经变压器Bk变压后，单相半波整流，稳压后，作为单结三极管BT2的电压源，经过固定电阻R19向电容C9充电，当达到单结三极管BT2的峰点电压，BT2导通，触发脉冲作用到可控硅SCR2控制极上使其导通，关闭SCR1，当电压波形到负半波时，SCR2自己关断，当SCR1再次触发，再次进行分流，周而复始。

3 故障分析处理

由同步发电机空载电动势的公式E=CΦn以及船舶发电机发生的故障现象可知，在电势常数不变，柴油机转速不变时，引起发电机端电压的变化主要原因是船舶发电机的励磁系统出现故障。TZ-F型可控相复励自励恒压装置是相复励装置和自动电压校正器AVR组成的，因此需要从两个方面入手。励磁系统发生故障有可能调压装置内部的元器件、连接电路等故障引起外，也有可能调压装置的参数调整不正确导致其工作不正常，进而影响发电机的端电压。

1）船舶发电机空载运行时，空载电压低于额定电压，可能原因是空载时励磁电流电流过低造成。分析故障以及处理分为两种情况进行：

从TZ-F型的原理分析可知，相复励装置由电流互感器W3和移相电抗器DK组成的，简化为单线原理图如图3所示；在空载时，发电机不带负载时没有形成负载电流，由电流互感器产生的电流分量的励磁电流I等于0，那么空载电压过低则是由移相电抗器电压分量的励磁电流过小造成的，因此故障出现在相复励装置的自励回路，可以调整移相电抗器的匝数或由若干层绝缘薄片叠加而成的气隙大小恢复空载电压；空载电压过低可以减少移相电抗器匝数或增压电抗器的气隙，以减少电抗器的电抗值，使电压分量的励磁电流I增大，最终增加I使空载电压恢复到额定值；但有可能相复励装置中电压分量的励磁电流I经过调整输出达到最大值，仍然出现发电机端电压过低，那么可能是励磁系统其他的故障也影响着发电机空载电压。

图3 相复励装置单线原理图

另一种造成发电机端电压过低是由自动电压校正器AVR故障造成的，按照要求例行维护维修时，一般AVR中的元器件或连接电路等不会出现故障，那么可以从AVR中的参数调整考虑发电机空载电压变化；如果相复励的电压分量I正常情况下，引起励磁电流过低造成空载电压过低的故障应出现在可控硅SCR1分流电路；通常发电机励磁回路处于过励的状态，那么发生空载电压低，说明分流的励磁电流太多，造成发电机励磁系统欠励，要使电压恢复额定值，应调整如图1 TZ-F型可控相复励自励恒压装置原理图中的，若空载电压开始恢复，说明原来分流电阻的阻值小，应调大阻值，使分流直流降低，若调大最大，空载电压仍然低于额定值，应该调整电位器3，当空载电压恢复上升，说明了发电机的给定值发生变化，若是端电压U没有变化，说明可控硅直流分流器SCR1失控，这时需要检测分流触发控制电路控制过程以及可控硅SCR2励磁分流关断回路中的元器件是否正常工作。

2）船舶发电机加载运行时，发电机端电压低于额定电压，其主要原因是励磁电流过低。发电机加载前处于空载运行电压偏低时，按照上述要求调整好空载电压恢复到额定值并确认自动调压装置AVR正常工作。船舶上大多数负载都是感性负载，当发电机加载之后，会产生交轴电枢反应和直轴去磁电枢反应，都会引起发电机端电压降低，如果励磁电流电流分量I补偿不合适使得发电机端电压不能恢复到正常值。其励磁电流由相复励装置产生的电压分量I和电流分量I组成，如图3所示，空载电压正常说明励磁回路电压分量的励磁电流基本保持不变，励磁电流不足导致发电机端电压降低主要是由电流分量I不足造成的，因此应该提高电流互感器W3的电流分量，一般电流互感器原边匝数只有二、三匝，没有抽头可调整，可以通过减少电流互感器副边匝数来提高变比即为增加电流分量，提高总励磁电流I，使发电机带载后端电压恢复到钢制海船入级规范对船舶发电机端电压的要求。

4 总结

船舶同步发电机励磁系统的维护管理是非常重要的，励磁系统工作的可靠性影响到船舶是否正常航行。当船舶发电机励磁系统故障时，维护管理人员应利用扎实理论知识的同时并利用积累实船的经验进行维修使其恢复正常工作。对可控相复励自动励磁装置维护维修应注意：首先读懂实船发电机励磁系统的说明书，明白工作原理再调整；其次应停电停机后对相关的设备进行少量调整，防止设备损坏；最后对励磁系统调整之后调试，调试成功后，不能再调整，保证励磁系统稳定性。

参考文献：

[1] 王占吉. “育鲲”轮船舶同步发电机调压装置故障及维修[J]. 航海技术, 2015.

[2] 叶萍. 船舶同步发电机励磁系统故障的事故树分析[J]. 机电设备, 2012.

[3] 姜锦范. 船舶电站及自动化[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2006.

[4] 张春来, 林叶锦. 船舶电气与自动化[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2012.

Fault Analysis and Treatment of Constant Voltage Excitation System of Marine Synchronous Generator

Chen Xiangguang

(Tianjin Maritime College, Tianjin 300350, China)

TM343

A

1003-4862（2016）08-0077-03

2016-03-10

陈祥光（1986-），男，讲师。研究方向：船舶电气与自动化。