1、本科毕业论文（20 届）“育鲲”轮发电机工作原理及过电压故障分析所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期2内容摘要摘要 ：“育鲲”轮共有三台型号为 IFC6502 -6sA43 的同步无刷发电机，其原动机采了WARTSILA 520W4L20 型柴油机。本文详细介绍了发电机原理及技术特点、自动电压调节器（AVR 带有功率组件）的工作原理及技术特点，以及并联运行时发电机有差调节的原理。有一台发电机在工作过程中出现了过电压故障并造成全船失电。结合所叙述的原理对该发电机出现的故障进行分析并查出根源所在。根据所查出的故障根源和实际情况，采取了适当的措施解决了该故障，在文章的结尾作了总结并给出
2、了一些针对预防发电机过电压的日常维护保养的建议和注意事项。关键字：同步无刷发电机 过电压 自动电压调节器（AVR 带有功率组件）ABSTRACT:M/V YUKUN is installed with three brushless synchronous alternative generators, of which the type is IFC6502 -6sA43,their prime motors are WARTSILA 520W4L20 diesel engines. The thesis introduces the working principle and the te
3、chnical characteristics of the synchronous generator, the automatic voltage regulator with assemblies in detail. By the way it also introduces the principle of differential regulation while in parallel. Over voltage occurs while one of generators runs, which causes the whole ship losing electricity.
4、 According to the principles introduced, I analyze the reasons which can cause the problem and certain which one causes this problem. With the analysis and the practical conditions, the problem is solved with suitable measures . Some suggestions about daily maintenance and servicing managements to t
5、he generators are given at the end of the thesis,as well as some notes and a conclusion.KEYWORDS: brushless synchronous generator, overvoltage, automatic voltage regulator with assemblies i目录1 船用发电机简介 .11.1 船用发电机的基本类型 .11.2 现代船用带自动电压调节器的无刷同步发电机的优点 .22 育鲲轮发电机工作原理 .22.1 发电机原理 .32.2 自动电压调节器原理 .42.3 发电机
6、调差装置工作原理 .62.4 发电机技术特点 .73 发电机过电压故障 .73.1 发电机过电压故障现象 .73.2 发电机过电压故障原因分析 .83.3 发电机过电压故障处理 .94 总结 .91“育鲲”轮发电机工作原理及过电压故障分析1 船用发电机简介1.1 船用发电机的基本类型1.按同步发电机定子和转子的结构和作用不同有两种类型，即旋转磁极式和旋转电枢式。转枢式的定子是磁极，磁极固定在铁芯机壳上；转子是电枢，转子铁芯圆周槽嵌放对称的三相电枢绕组，三相绕组的三个出线端和中线分别接到固定在轴上的彼此绝缘的四个滑环上，通过电刷机构对外引出三相四线。转极式的转子是磁极（转子线圈通直流电或者采用永
7、磁铁） ；定子是电枢，定子铁芯圆周槽嵌放对称的三相电枢绕组，定子切割磁场所产生的三相电由定子直接输出。一般的船用三相同步发电机采用转极式，有些小容量的同步发电机和特殊用途的发电机（如励磁机）采用转枢式结构。2.按同步发电机的励磁电源的不同有两种类型，即自励和他励。凡是发电机本身提供励磁电源的是自励发电机。这种励磁形式是利用发电机剩磁电压经励磁装置给励磁绕组提供励磁电流。凡采用外接电源为发电机励磁称为他励的。它分为两种形式，即外加直流励磁电源励磁式和采用同轴永磁式直流励磁机式。外加直流励磁电源励磁式是由外界直流电源直接为发电机励磁绕组提供励磁电流。永磁式直流励磁机在转子上嵌有永久磁极，当原动机转
8、动时带动磁场旋转，在定子上产生直流电，然后将此直流电引入到发电机转子励磁绕组中为发电机励磁。现代船舶基本不采用他励发电机。3.自励同步发电机励磁方式有两种类型，即不可控相复励和可控相复励。所谓相复励即根据负载电流和发电机输出端电压共同对发电机励磁进行调整。不可控相复励装置中没有自动电压调节器，直接从发电机输出端采集电压和电流信号作用在励磁磁场上，具有动态特性好的优点。可控相复励装置中含有自动电压调节器，可以对采集的电压信号与设定值进行比较，按照电压偏差对发电机端电压进一步调节，能够基本实现恒压调节，具有稳态特性好的优点。4.同步发电机有有刷同步发电机和无刷同步发电机两种类型。凡是采用电刷滑环机
9、构向外输出三相电的同步发电机称为有刷同步发电机，而省去电刷滑环机构而采用同轴励磁机的同步发电机称为无刷同步发电机。无刷同步发电机的同轴励磁机大多采用一个小容量的交流同步发电机，它由发电机本身提供励磁，在旋转电枢上发出三相交流电，通过与之同轴的旋转二极管整流后直接引入到发电机转子励磁绕组中为发电机励磁。21.2 现代船用带自动电压调节器的无刷同步发电机的优点现代船用发电机一般都为无刷同步发电机。因为采用了无刷代替以前的有刷好处非常明显：第一，少了电刷机构就不用再使用碳粉，降低了污染，同时发电机绕组绝缘得到保障，延长了发电机的使用寿命；第二，少了电刷机构，减轻了维修保养的负担；第三，少了电刷机构，
10、提高了发电机运行的可靠性。另外，现代船用发电机为了使输出电压基本恒定，采用自动电压调节器对输出电压进行调节，这首先满足了负荷变化时对无功功率调节的要求；而且电压恒定能够使负载工作稳定，延长其使用寿命，减少了工作人员的维修保养负担。“育鲲”轮发电机即采用了现代船舶通常采用的带自动电压调节器的无刷同步发电机。2 “育鲲”轮发电机工作原理 “育鲲”轮主发电机是采用德国西门子技术由汾西机器厂制造的三相无刷交流同步发电机。如图 2.1 所示，从发电机结构上可以看出，无刷同步发电机是由同轴的两台交流发电机构成。右侧为直流励磁绕组在定子上的转枢式励磁机，中间为励磁绕组在转子上的转极式主发电机，左侧为机械通风
11、叶片。主机为隐极同步发电机，当转子通以直流电时产生磁场，原动机拖动转子旋转时，即使磁场旋转，在定子绕组中就会感应出三相电。励磁机为凸极同步发电机，定子上安装有主磁极线圈，该线圈中通以直流电时产生恒定的磁场，转子上嵌有交流电枢绕组，当转子旋转时，电枢绕组因切割磁力线而感应出交流电势。 接 线 箱 励 磁 装 置 励 磁 机 定 子 绕 组定 子 绕 组发 电 机 励 磁 绕 组 旋 转整 流 器励 磁 机 定 子 绕 组定 子 绕 组 励磁机转子绕组风 扇 轴 承图 2.1 无刷发电机内部结构简图3发电机原动机为瓦西兰公司生产的 Auxpac 520W4L20 型 4 缸发电柴油机，额定转速10
12、00 转/分，额定功率 545 千瓦，计有 1 号、2 号、3 号三台主发电机。主发电机型号：IFC6 502-6SA43； 磁极数：6； 额定电压：400V； 额定频率：50HZ； 额定功率：520KW； 额定电流：938A； 主励磁电流：81A； 励磁机励磁电流：6.1A；润滑方式：自由端单滚动轴承； 冷却方式：自带轴流风机内冷式。2.1 发电机原理由图 2.1 发电机内部结构图可知发电机由主机、励磁机及励磁装置三大部分组成。图 2.2 发电机原理接线图主机定子绕组G1， 励磁机转子绕组G3 ，主机转子绕组G2， 励磁机磁场绕组G4，C1C3 电容器 V2 旋转整流器，T6 整流变压器 ，
13、X6.X7 端子板，L1 电抗器 X1X4, 端子板T1.T3 单相电流互感4器，T4 下垂补偿电流互感器（中间互感器） ，A1 带功率组件的电压调节器，R1外附整定电位器，U过压保护模块发电机工作原理如图 2.2 所示：当原动机起动后，励磁装置利用发电机剩磁电压经过电抗器 L1 与电容 C1-C3 组成的谐振装置被放大（谐振的作用是增大此输出电压,利于发电机起压） 。经谐振后的电压送至变压器 T6，从变压器输出绕组输出的电压经接插件 X4/1-X4/6 送至励磁整流器 V102 整流(见图 2.3)，整流后的电流经接插件 X4/7-X4/12 送至励磁机的定子绕组 G4，为励磁机提供励磁电流
14、。励磁机定子绕组 G4 得到直流电后产生固定磁场，嵌在转子上的电枢绕组 G3 因切割磁力线而感应出交流电势。该交流电通过与其同轴的旋转整流器 V2 变为直流电通入主机的转子绕组 G2 中为主机励磁。主机转子绕组 G2 得到直流电后产生磁场，定子绕组 G1 因切割磁力线而感应出三相交流电势。由上述分析可知发电机启动后，依靠发电机的剩磁建立端电压，端电压建立后又被引入到励磁装置中，使励磁机的定子绕组励磁电流加大，以加强发电机的磁场，这样的正反馈使发电机的端电压逐步升高，直至发电机磁势饱和。通过调试励磁装置的电抗器绕组参数等可将发电机电压调至额定电压。过压保护模块 U 的作用是，当加在主机励磁绕组
15、G2 上的冲击电压过大时起保护作用，防止 G2 烧毁。2.2 自动电压调节器原理自动电压调节器是由电压调节器和功率组件（包括整流器、分流回路中的可控硅和电阻）两部分组成。 V102RBR3V10V254609V26781BR27R1S/T1UBV3V42(1)34TK6调 节 单 元 功 率 组 件2X5X29X/5solitX40/12063 X/1X/10X4/789X4/2536X4/102图 2.3 自动电压调节器原理简图51 电源, 2 实测值滤波回路,3 PI 调节放大器，4 脉冲单元，5 过压保护器，6 外附整定电位器，T1 降压变压器，S 调差电位器，U 设定电位器，K 电位器
16、、调节放大倍数，T 电位器、调节时间常数，R47 电位器、调反馈偏差量，R101 分流回路中的电阻器，V22 分流回路中的可控硅，V101 分流回路中的可控硅，V102 励磁整流器自动电压调节器即 AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR，以下简称 AVR，原理如图 2.3 所示，它由电源单元（电源变压器 T1 及整流元件） 、电压反馈单元、滤波单元、调节放大单元、脉冲单元、过压保护单元、外附电压设定调节电位器、全波整流电路（功率组件）V102 等部分组成。其工作原理是通过控制可控硅 V101 的导通角来改变通过分流电阻 R101 的分流电流，从而达到控制励磁电流的目的。R101
17、 和可控硅 V101 所构成的分流回路并联在励磁整流器 V102 的一个支路上。AVR 原理具体如下：AVR 的输入信号由电压回路T1(X1/1，X1/3和X1/5输入)和电流回路T4(X2/5，X2/9输入)向量和组成，其中电流分量只有在需要并联运行时才有效。当发电机单机运行时，电压信号经变压器T1 降压后，经开关 S1/1、电位器S，再经桥式整流器V1-V4整流，通过S1/2 一路经稳压回路产生标准电压，整流稳压后的标准电压为电压调节器提供所需直流电源。另一路经经S1/3 在电位器U 上产生实测电压Uist，若将开关S1/3 打开，需外接整定电位器，取样电压可以通过内设或外设电压整定电位器
18、进行人为调整，从而改变取样值，进而调整发电机输出电压。发电机实际电压信号经过整流后再经实测值滤波回路2滤波，送至比较器与设定值比较。随着发电机负载或者转速的变化，其输出端电压也会发生一些变化，这个变化必然引起加在电位器U上电压的变化，即实测值发生变化。在设定电位器U值不变时，若发电机端电压增大，实测值与设定值偏差正向增大，此时比较器输出一个正向增大的电压信号。此电压信号经PI调节放大器3放大，输出一个更大的电压用于控制脉冲单元，能够使脉冲单元发出的触发脉冲信号移相，使可控硅V22导通角增大。从接插件X2/9、X2/10和X2/11引入经整流器V23-V28整流后的一部分直流电流要经电阻R202
19、分流，可控硅V22的作用就是通过改变导通角控制此分流电流的大小。可控硅V22导通角的增大使加在可控硅V101的控制端的电流增大，从而增大了V101导通角，分流电阻R101分流增大，使励磁机励磁绕组G4励磁电流减小，使发电机端电压减小趋于设定值。反之，若发电机端电压下降时，实测值与设定值之间的偏差反向增大，经放大后控制脉冲单元发出的脉冲信号后移，使可控硅V101的导通角变小，使励磁电流增大，这样就会调节降低的端电压重新返回到设定值。6为了获得最佳的校正效果，经过电阻R47向调节器反馈一个偏差量。反馈来的偏差量会与滤波后的电压分量一起送入比较器，使调节更加精确。这里必须说明，在电机有正常稳定电压输
20、出的情况下，可控硅始终有分流存在，每次的调节仅仅是改变导通角，从而控制分流电流的大小。另外即使当自动电压调节器不起作用时，即分流回路不能分流，全部的励磁电流为发电机提供励磁时，此时发电机空载输出电压为440V（发电机磁势饱和） ，由于发电机下倾的电压外特性，它也能继续工作，可用于应急运行。当发电机并联运行时，电流分量才加入。电流信号由X2/5和X2/9引入到电阻R1上，此时与经开关S1/1的电压信号叠加，经电位器S调节，再经桥式整流器V1-V4整流，后面的调节过程与单机运行时相同。过压保护单元5的作用是当发电机输出端电压过大时，它直接控制可控硅V22使其导通角增大，以增大V101的导通角，减小
21、励磁电流，保护发电机。电压调节器的稳定性由调节放大器决定：电位器 K 用来调节放大倍数，电位器 T 用来调节积分反应时间，各电位器出厂时已经整定好，不可轻易改动。2.3 发电机调差装置工作原理调差装置的工作原理如下图2.4所示，同步发电机要并联运行，有功功率的分配要靠原动机的转速降来分配，但无功功率的分配需要靠电压来保证，这就需要发电机有一个随无功电流大小而变化的量。发电机采用UR相电流同USUT相电压相叠加的方，即当无功电流增加时(假定UR相无功电流增加)cos0， = 90，此时，UR相电流增加造成的电压下降，类似于在USUT相上的电压下降，电压调节器就只对无功电流起作用，即当无功电流增加
22、时，使发电机输出电压下降，从而使励磁电流减小以此来降低无功电流，使发电机间无功电流基本保持均衡，当两台参数相同的发电机并联运，其无功功率分配差度将依靠此调差装置来保证。URUS UTIR90,cos7图2.4 发电机调差装置原理图发电机在出厂时是这样来调整的： ，即发电机在额定电压UN时，加上cos0.8，IN = I 的负载，调节S，使发电机在额定电压的基础上下降约3.6，S 增加，电压下降；cos1时，发电机端电压不下降：cos0时，端电压下降约6。2.4 发电机技术特点发电机运行过程中，励磁回路禁止断开，否则会引起过电压。其技术特点如下：1.起励性能:一般情况下发电机勿需充磁即能快速建立
23、起空载电压。2.电压整定:发电机可利用AVR板上的电压整定电位器或外设的电压整定电位器方便地对输出电压进行整定，整定范围不小于额定电压的5。3.稳态性能： 由于采用了先进的励磁系统，使电机在任意负载下输出电压均保证恒定，稳态电压调整率为0.5。4.动态性能：发电机在突加突卸负载时电压波动较小，在突加60额定负载功率因数不大于0.4(滞后)时，电压跌落不超过13。5.过载和过电流性能：发电机在热态下过载110额定负载发电机不致出现危险的温升过热。发电机在150额定电流下运行2 分钟不致产生过热。6.不平衡负载：发电机能承受不平衡度达20的不平衡负载，电机能长期运行。7.并联运行：在满足一定条件情
24、况下，发电机可与同型号或不同型号的其它电机，长期并联运行，此时各台发电机的无功功率分配将自动按定额比例分配。8.强励性能：当负载系统发生短路故障时，发电机具有较强的强励性能，使端电压尽量维持不变，提高了电网的稳定性。发电机持续短路电流可维持在3.2IN 以上达5 秒。9.应急运行：当自动电压调节器发生故障时，发电机能应急运行，此时端电压升高不超过 115UN。 3 发电机过电压故障3.1 发电机过电压故障现象“育鲲”轮一号主发电机在工作过程中因过电压主开关跳闸，并造成瞬间全船失电（电网立即由已经建立电压的第一备用机组三号发电机供电，详见后附的运行发电机电压、频率异常，备用机并网流程图） 。故障发生后对一号发电机进行故障排查分析，原动机并没
