浅谈船舶发电机自动电压调节系统.docx

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浅谈船舶发电机自动电压调节系统

浅谈船舶发电机自动电压调节系统

摘要：

本文简要叙述了船舶发电机励磁自动电压调节系统的功能与原理，以及调整方法，并结合35000t船舶调试发电机过程中出现的一些问题，谈谈一些常见故障的处理。

关键词：

船舶发电机自动电压调节器（AVR）原理调整调试

1.前言

目前船舶电站已广泛采用无刷同步交流发电机，我公司建造的35000t船舶三台发电机也是属于无刷同步交流发电机，该系列发电机励磁自动电压调节系统都采用西门子专利产品。

船舶发电机是船舶航行最主要的设备之一，直接关系到船舶航行的安全性能，为了提高船舶电站供电的可靠性和连续性，规范对发电机励磁电压自动调节系统规定的技术要求。

2.励磁电压自动调节系统结构原理以及要求

2.1系统的结构原理

（1）系统的构成（见后面附图1）

系统主要由二大部分组成，即励磁装置和自动电压调节器（AVR），励磁装置主要由T1-3：

单相电流互感器，Ｔ4：

下垂补偿电流互感器．Ｔ５：

降压变压器．Ｔ６：

整流变压器,Ｌ：

电抗器，Ｃ1-3：

谐振电容器，ＶDＣ２：

旋转整流器等器件组成，构成相复励磁系统；自动电压调节器（AVR）主要由一块面积约200平方厘米的印刷线路板组成，它可使发电机在任何负载下保持电压恒定，大大提高了输出电能的品质，AVR板上设有四个可调的电位器，主要用来整定电压，调节下垂补偿及调整发电机运行的稳定性。

（2）工作原理

1）励磁装置（见方框图1）

方框图1方框图2

原理描述：

空载励磁电流分量由L．C１－３谐振在某一频率使剩磁电压在该频率点上在W1处电压降最大，并经感应在W2处得最高电压经V1-6整流提供给励磁机定子绕组（即付励电流），然后由励磁机转子旋转产生三相交流电（放大），经VDC2整流供主机转子绕组以励磁电流，在主机定子上产生电压，该电压进一步增加，正反馈产生出更高的电压，这样很快建立起空载电压，加负载后，随负载电流的增加，一个三相整流变压器将被三个单相整流变压器所替代，同样在W2上感应出随负载电流增加的负载励磁电流分量，并在W2处同空载励磁电流进行矢量迭加，供励磁机定子付励电流。

2）自动电压调节器AVR即AUTOMATICVOLTAGEREGULATOR，其工作原理是通过控制硅的导通角来改变分流电阻R101的分流电流，从而达到控制励磁电流的目的。

（见方框图2）

※1原理描述：

（见后面附图1）AVR的输入信号由电压回路T5和电流回路T4向量和组成，其中电流分量只有在需要并联运行进才加入，信号经变压器T5降压后，经开关S1/1，电位器S（若不并联运行，S=0，若并联运行，则T4次级电流在S上产生的电压降则迭加在信号上），经V1-V4整流，再经过S1/2一路经稳压回路产生标准电压并供整块板直流电源，另一路经S1/3电位器U上产生取样电压，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进行人为调整，从而改变取样值，进而调整发电机输出电压，在U处值设定后，若发电机随着负载的增加或者转速的变化，其输出电压也会发生一些变化，这个变化会引起与标准电压差值的变化，对这种微小信号进行放大，使之能够控制触发可控硅的导通角，进而控制励磁电流的大小，达到调节发电机电压的目的，在电机有正常稳定电压输出的情况下，可控桂始终有分流存在，每次的调节仅仅是改变导通角，从而控制分流电流的大小。

信号电压在经过滤波回路滤波，同反馈量迭加后一起送入放大器，其中K、T用来调节放大器参数，并经由脉冲单元转换成触发脉冲，触发可控硅V21的导通角，并通过R101分掉静止整流块的部分电流。

※2组成及功能：

电压调节器由电源、实测值、滤波回路、调节放大器、脉冲单元、过压保护器、外附整定电位器、功率组件等组成。

电压调节器包括电位器U、S、K、T、R47等可调元件，发电机的额定电压已在制造厂用电位器U调整完毕，其动态性能也已由电位器K、T、R47调整好了。

电位器K用来调节放大器的放大倍数，电位器T用来调节积分反应时间，电位器R47则用以向调节放大器的输入端引入端偏差信号以改善其动态性能，将旋纽K朝着刻度数字减小的方向旋转，以及将旋钮T朝着刻度数字的方向旋转，通常是使控制系统趋于稳定，减弱其调节作用的强度，在需要时，断开跨接线BR可将电位器K所调节的调节器放大系数近似地减小为其四分之一，电压调节器的稳定性亦可利用增加分流回路内的电阻而得以改善，但此时调节器在下限的电压整定范围将变得减小。

2.2系统的技术要求

电力系统运行的电能质量指标是电压和频率的稳定度。

电压的稳定度由发电机它的励磁系统保证；频率的稳定由原动机的调速器保证。

对船舶电网电压的极度上升和下降将会导致其它保护电器动作，电网解例，甚至全船舶停电的严重事故，所以对发电机和励磁系统性能指标规范规定是非常必要的。

1）静态指标

发电机静态电压调整率是指发电机端出现的最大或最小工作电压与额定电压差值对额定电压的百分比。

规范规定：

在考虑原动机速度特性的情况下，当发电机的负载自满载到空载，再自空载到满载的范围内的任一负载下，且其功率因素保持额定值，发电机的稳态电压变化率应不能超过额定电压的±2.5%。

2）动态指标

规范规定：

交流发电机在负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值的状态下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%，而突卸60%上述负载时，其时的电压上升其瞬态电压值不超过额定电压的120%，电压恢复到与最后稳定值相差3%以内所需要的时间应不超过去1.5秒。

上述要求的前提是原动机调整器特性要符合：

当突然卸去额定负载时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%；稳定调速率不大于额定转速的5%。

3.系统的通电调试过程中碰到的问题和解决办法

3.1调试前的检查

1）发电机励磁和电压调节装置安装在机端盖上，因施工课施工进线和接线需要等原因，将会多多少少地把灰尘、杂物留在AVR调节装置上，为此在通电调试前，必须对自动电压调节器进行一次全面的清洁，最好用无水酒精清洗，保证没有杂物灰尘在上面。

2）发电机运转前，自动电压调节进行绝缘电阻测量，特别注意一点是绝不能用500V或1000V的摇绝缘表测量，因AVR上有电子部件，用手摇绝缘表测量容易造成AVR上的电子元件击穿。

测量须用精度好的数字式万用表欧姆档来测量，阻值要大于或等于1M欧姆，如测量结果电阻小于1M欧姆，需要更换AVR模块。

3）要检查一遍发电机AVR模块上的接口，因在调试过程中有很多东西是摸不到，看不着的，所以要谨慎对待每一步的过程。

3．2调试发电机自动电压调节出现故障分析

35000t船舶在码头发电机静态试验，发电机额定功率910KW，电流1460A，负载从而25%开始试验，每间隔15分钟增加25%负载，用数字万用表测量电压显示在允许范围±2.5%额定电压之内,当负载升到100%负载试验时,数字万用表电压由450V慢慢降落,电压降到300V失压脱扣,即时断开发电机主开关,停机检查发电机电压自动调压系统是否振动引起接线松,检查结果没有发现接线有松动现象。

为了解决这个疑难问题，我查遍了电压自动调节系统的有关方面知识，发现可能出在可控硅的导通角度，引起励磁电流下降大造成电压低主开关低压脱扣，我只好主动联系发动机厂家，要求厂家更换质量好的可控硅电子元件，因可控硅装在散热板上，有可能散热板太小，散热效果不理想，造成可控硅过热，控制流过负载即励磁机磁场电流出现问题，最后，厂家更换了AVR模块上的可控硅，用散热效果好的铝板增大热量，电压自动调节装置通过修理之后，重新试验，在负载100%试验没有出现电压波动，排除了故障，电压自动调节装置修复后一切正常。

3.3电压调节系统常见故障

因为发电机系统在船舶电气中是一个比较大的系统，在调试过程遇到的故障都不一样，在这里介绍几种在调试中常遇到的故障。

1）发电机电压超出额定值很多，并且配电板上的调节电位器也不能进行调节，遇到这种故障要停机对AVR接线和发电机上的电压自动调节部份的接线点进行检查，这种故障是因为AVR自动调压控制路开路造成。

2）发电机电压不平衡，一般来讲用精度好的万用表测量三线电压，其误差不超过1%（空载），如果超出此值，说明主机定子绕组可能存在匝间短路故障，具体测量U-V，U-W，V-W之间的电阻，其中RU-V，RU-W，RV-W之间最大允许有2%的误差，超差，说明确实存在上述故障，若不超差，应着手另外寻找原因。

3）发电机有电压，但电压在350V以下，这种故障的最大可能性是静止整流块或旋转整流块，有一路出现故障造成的，当然也可能是由于励磁绕组存在匝间短路，使励磁电流增加，而励磁系统又提供不了如此多的励磁电流，造成电压下降。

4）发电机运转时，频率正常而无电压输出，首先要用数字万用表交流电压档对发电机实际输出电压检查，测量三相线电压无输出，这种现象是发电机无剩磁造成，在停机状态下，短时充磁即可。

如果此时发电机仍然没有电压，可能是静止整流块损坏或者线路方面存在问题。

5）发电机运转时，频率正常，主配电板上电压调整不起作用或+-5%额定电压值范围不够，这种故障可能有两种情况，如果电压能稳定在某个值上（例如小于440V），说明AVR工作基本正常，造成这种故障的原因可能是外附整定电位器不良，这时可在发电机内将外部电位器Rp的接线点短接，调整内部整定电位器U，若电压变化请检查外部电位器Rp及其引线，如果电压不变化，说明AVR存在故障或者分流回路可控硅．分流电阻存在故障。

如果在主配电板调整外部整定电位器Rp达不到+-5%额定电压值时，应配合内部整定电位器U来调整，二者配合调整如果还达不到最佳位置，这种现象是主配电板电位器同发电机AVR上的电位器不匹配造成的。

6）发电机在运转时，频率正常值，调主配电板电压调节器时，顺时针增加电压值时，电压表指针反而向“小”方向走，逆时针减小电压值时，电压表指针向“大”方向走，这种现象是主配电板调压电位器接反线造成

7）发电机运行带载电压不稳，灯泡闪烁，这种情况一般是由于调整不当造成的，由于在发电机出厂试验中原U．Ｖr．Ｔn调整是适应发电机试验站的最佳值，在用户现场就有可能随着负载的不同造成原来动态参数不一定合适。

8）发电机中线电流大，这种现象分两种情况，一种是由于负载严重不平衡引起的，根据VDE0503标准的规定，如果负载严重不平衡，包括电流不平衡或相位不平衡，则会产生中线电流，如果中线电流超过额定的50%，应调整负载使之平衡，一般情况下，应尽可能的使之平衡，以使中线电流最小。

另一种是由于三次谐波引起的，根据发电机技术文件的说明，如果若干台发电机的中点是互接在一起的或直接与变压器和负载的中点相连接的，那就会产生三次谐波电流。

应在各种可能发生的负载情况下测量发电机的中线电流，以便检测其三次谐波电流的大小。

9）发电机高温报警或高温跳闸，发电机在运行过程中会由于过载、负载功率因素低、不平衡、或者环境温度过高、空气过滤器堵塞、通风路径堵塞造成风阻太大等原因均会造成发电机绕组温度超过绝缘等级所允许的最高限度值，导致发电机寿命降低，甚至烧毁定、转子绕组，所以１ＦＣ６发电机在某些用途或用户有要求时可配温度装置传感器，以供监测报警或跳闸用，一般选用ＰＴＣ利用其随温度变化，在某一温度时阻值会突然变大的特性，利用中间继电器接通声光报警回路发出声光报警或控制屏断路器跳闸，报警温度145°Ｃ，跳闸温度155°Ｃ，一般为三个串联，并备用一组，共六只PTC，一般情况下：

R〈500Ω，若大于动作温度：

R约为1.3～3.9K,如果在使用过程中发现高温报警或跳闸,首先应检查控制回路有无问题,控制继电器DRB也是易损件之一,可通过更换或者摸拟方法来检测,如果控制回路正常,应检查通风路径,空滤器负载等因素,只有这些问题全部排除,才可以怀疑主机定子绕组是否存在匝间短路故障,这当然也可以通过测量其它参数来综合分析故障点.

4．电压自动调节系统调整方法

AVR过去是做成一个完整的设备，安装在发电机附近，采用电子元件后，一般都做成电路板式，设置在发电机接线盒或端盖内，大多数带AVR的交流发电机，出厂前已完成调整工作，一般不必作太多的改动，发电机更换AVR后，通常需要对电压调节范围，灵敏度、稳定性和调差性等的重新调整。

4．1电压调节范围调整

调节发电机端电压的元件一般是采用电位器，AVR板上和控制屏上各设置一个，发电机控制屏上的电位器通常是接成可变电阻的形式，称为“电压调节器”调整的目的，手动调节电位器时，机端电压可在要求调节范围整定，一般要求电压调节范围不小于±5%，调整程序如下：

发电机运转之前，把AVR板上的“电压调节”钮逆时针旋到底。

把发电机控制屏上的电压调节器旋到中间位置。

把AVR板上的“稳定调节”钮旋到中间位置。

在发电机端接一个精度要求高的数字万用表交流电压档来测量。

起动发电机至空载额定频率。

顺时针旋AVR板上的“电压调节”钮使电压至发电机额定值。

如果在额定电压值出现电压震荡，可调节“稳定调节”钮使电压稳定，经过这样的调整，如果电压指示偏离额定值，重新调节“电压调节”钮。

手动调节控制屏上的电压调节器，检查电压调节范围是否符合要求，控制屏上的电压调节器是发电机厂提供的，应能满足要求，电压调节范围调整完成。

4．2电压稳定调整

AVR都有稳定电路，以保证发电机电压有良好的静态和动态性能。

电压自动调节过程出现的电压不稳定现象，主要是AVR的调节速度与励磁系统的时间常数不匹配所致，调节速度太快会引起电压震荡，调节速度太慢无法抑制电压的瞬时波动，延缓电压恢复时间。

调整的要点是，“稳定调节”钮的最佳位置是在接近不稳定的临界点，“稳定调节”钮调节方向一般是逆时针不稳定，顺时针稳定，调整是在发电机空载和额定电压的情况下进行，逆时针缓慢调节“稳定调节”钮，调节到电压开始不稳定时停，然后顺时针稍微调节一点，使电压稳定，这就是最佳位置，调整完成。

4．3调节精度调整

AVR的调节精度又称为灵敏度，是指发电机负载频率和环境温度等在允许范围内变化时，经AVR调节后的电压变化率。

船舶规范规定发电机静态电压调整率为±2.5%，现AVR的调节精度可以达到±0.5%。

调节精度是先试验后调整。

用负载试验来考核和调整调节精度，花费时间长，耗费也大。

可以先用频率试验来考核。

频率试验是做AVR的电压频率特性。

即频率变化±2.5%时电压的相应变化。

具体方法如：

起动发电机在额定频率空载运行，手动调节电压至额定值，调节柴油机转速，下行至频率-2.5%，上行至频率+2.5%,选几个频率点，如58.5Hz、59Hz、60Hz、61Hz、61.5Hz，记下频率值和对应的电压值，计算电压调整率，如果在±2.5%以内不必再调整，超出则要调节“灵敏度”钮。

如果提高调节精度后出现电压震荡现象，则应重新调整“稳定调节”。

4．4调差特性

考虑到并联运行发电机间的无功电流分配，带AVR的发电机必须具有无功调差特性。

发电机AVR的调差特性一般是在出厂前调好，实际使用的特性指标是发电机满载、功率因数（滞后）为零时，机端电压降落5%。

如果提供AVR无功电流信号的电流互感器是外附的，调整时首先应检查接线的极性，是发电机内附的出厂前已校对好。

用负载试验考核AVR的调节精度时，调差的电流信号被短接，校对电流信号的极性，可以在负载的情况下断开短接线，观察电压变化得出，校对时先保持电流信号端子的短接状态，起动发电机带上一定数量的感性负载，一般可以加载50%左右，功率因数不高于0.8%（滞后）,这时的机端电压应在“调节精度”保持的数值内，拆开短接线，电压上升，说明极性接反，电压下降，极性正确。

码头试验设备提供COSф=0（滞后）的满载可能有困难，调整或考核调差特性可以在COSф=0.8（滞后）的满载情况下进行，如果要求的调差特性为5%，在调差电流的作用下，机端电压降落应为3%，要求调差特性为6%时，应下降3.6%，根据两个对应的调差数据，可以考核调差特性，如果不符要求，可以在负载的情况下调整调差电位器S，调整的要求是使参与联运行的各台发电机有相同的调差特性。

5.结束语

通过35000t船舶发电机电压自动调节系统调试全过程的工作，在很短时间内取得了调试的完满成功，保证了发电机系统在海上试航的顺利进行。

有了这次调试的完满成功，保证了发电机系统在海上试航的顺利进行。

有了这次调试的成功经验，将为后续般调试工作提供了借鉴经验，为加快船舶建造进度，缩短建造周期，作出了实际贡献。

参考文献：

1FC6无刷恒压同步发电机培训教材——汾西机器厂发电设备销售公司出版1995年11月第一版

船舶电站与电力拖动——哈尔滨船舶工程学院出版社出版1989年7月第一版

二〇〇七年三月十三日

附图1