科勒快速反应发电机.docx
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科勒快速反应发电机
操作，故障排除及维修理论：
快速响应20至300KW
快速响应发电机
科勒FRⅠ快速响应发电机于1976年推出，以一种全新的励磁控制为其特色。
尽管这些年来，元件的结构，配置与外观均有所变化，但在现在的FRⅡ快速响应发电机组上，基本概念仍然保持不变。
从它首先被应用于FRⅠ发电机开始，科勒的“DecisionMaker”控制器也经历了许多结构上的变化。
最初的固态“子母”板已经发展成了基于微处理器的控制器。
科勒将继续提供运用了最新技术的发电机与控制装置。
快速响应
快速响应这个词指发电机对负载变动的响应能力。
一般地，这种发电机从电压瞬变恢复的时间为0.05秒，而常规无刷型发电机为0.5秒甚至整整两秒钟。
由于两个迟滞，常规无刷发电机响应时间不可避免要慢——首先，励磁机在磁场激励时的响应滞后，其次，通常的主发电机响应时间滞后。
通过用永磁体来替代绕制的励磁磁场，快速响应发电机消除了励磁延时。
因此，在触发SCR（可控硅）模块时，励磁机能够直接给主发电机磁场满励。
常规发电机的励磁功率是依赖于主发电机输出的。
如果接在发电机上的电路短路时，励磁电压将和线路电压一样下降。
由于电压的减少，不能提供足够的电流以切断故障回路中的断路器，因此将影响系统中的其他所有回路。
由于快速响应励磁机采用了永久磁场，而不依赖于主发电机输出，从而在短路时可支持发电机的磁场。
能支撑至少300%额定电流的能力，可使故障回路断路器跳闸，从而在不破坏其他回路的前提下将故障回路从系统中切除。
对负载变动的响应。
左边的示波器记录显示一台50KW常规无刷发电机从空载单步加载至满载，功率因数为0.8时的长时间电压降。
右边记录显示一台50KW快速响应Ⅱ发电机运行在同样情况下时的恢复时间。
快速的恢复（2周内）有助于电机起动能力并极大地减少因负载变动而产生的光线暗淡。
耐受短路电流能力。
一台工作在满负荷下的发电机组A3相对称短路——最严重的情况——显示在两示波器屏幕上。
左边的轨迹跟踪一工作在额定电流下的常规无刷发电机在短路时，由冲击电流逐渐减少至低于额定电流。
右边屏幕上的轨迹显示的是额定值一样的快速响应Ⅱ发电机，工作在同样情况下，其电流升高至超出其额定水平，从而能够跳开支路断路器。
发电机结构
产生交流输出的机械交流发电机或者是旋转电枢或者是旋转磁场结构，需要3种基本的东西：
1．-导体
2．-磁场
3．-二者间的相对运动
1．导体是绕制在钢叠片槽中的铜导线即电枢，并提供发电输出电压。
2．磁场是由电磁铁产生的不可见的磁力线。
3．磁场与导体间的相对运动对在电枢中产生电流是必需的，通常由气燃机或内燃机提供。
旋转电枢发电机
这种类型的发电机产生的交流输出是在旋转元件中产生的，需要滑环和电刷来将电流送至用户固定负载。
磁场绕组是绕制在位于固定铁壳内的钢叠片块上。
由于电刷的存在，这种发电机的规格限制在20KW以下。
这种发电机不能在单相和三相电压间重新连接。
旋转磁场发电机
今天大多数备用发电机组中采用的发电机都是旋转磁场结构。
磁极饶着电枢饶组旋转。
由于电枢是固定的，因此不需要电刷来将交流电送至用户负载。
固定电枢使绕组容易重新连接，从而许可不同的三相和单相电压。
这种发电机通常采用一小型的旋转电枢发电机来给主发电机磁场绕组提供励磁功率。
该励磁功率是由一个二极管桥来将交流变换成直流。
这个电枢与主磁场同轴旋转，因此不需要滑环和电刷。
由于这种励磁发电机的磁场绕组是固定的，因此其调节控制电路可以直接连接，这又消除了对电刷与滑环的需要。
一个SCR（可控硅）励磁/稳压器被用来给磁场提供整流的直流电。
SCR电路的输入功率来自主电枢（定子）的输出。
发电机结构
磁场激励
供应备用/主用电源市场的发电机都是显磁极，旋转磁场型的。
主要的交流功率发生部件，即定子和转子这些年来基本没有变动。
然而励磁回路，即供给主磁场所需的直流电的部件有许多结构上的变动，主要地在固态元件如SCR（可控硅）出现后。
下面对今天使用的最常见类型的励磁机作一简单描述。
恒励磁（励磁调节器）
该系统将从发电机输出的交流电整流并通过电刷/集电环送一受控的直流电至旋转磁场。
这种励磁机可以是磁放大器型；不过，一般是由一固态调压电路控制的SCR桥。
此系统运行可靠，可设计成具有出色的负载响应与电压调整能力。
恒励磁结构的缺点在于转子集电环与电刷。
这些元件是日常维护的主要对象。
（电源辅助）
在20KW以下的发电机组中，科勒拥有POWERBOOST专利励磁调节器。
它采用一独立的辅助定子绕组（独立于主输出），来在加载或卸载引起波动时励磁。
该系统提供了出色的电机起动能力，并基本上保持常压。
发电机结构
绕制磁场无刷激励
该系统采用绕制的励磁电枢，它与主磁场同轴旋转。
通过将主发电机的交流工作经验输出的一小部分整流，调压器给励磁机磁场提供可调的直流电源。
系统采用固态的调压器，避免了恒励磁型机器固有的巨大的能量尖峰。
同样，系统也是完全无刷的。
在短路或者严重过载时，它可以自保护，此时发电机电压陡降，使负载断电。
这种系统的主要缺点是励磁机磁场有固有的时间常数，从而与恒励磁型相比，在恢复时间上明显的要慢。
由于这种机器是自保护的，因其陡降电压特性，它不能选择跳闸。
辅助PM无刷激励
在比科勒FR发电机组系列更大的发电机上，采用带旋转永久磁场副励发电机的无刷绕制励磁机。
励磁机磁场激励由副励发电机的定子输出提供。
励磁机电枢的输出经整流后给主发电机磁场作激励电源。
由于和负载绕组的唯一联系就是用于调节器的传感信号，所以调压器可避免由SCR负载引入的谐波影响。
永久磁场副励发电机使发电机可以提供短路电流，使电路断路器跳闸。
发电机结构
科勒快速响应
快速响应励磁系统采用永久磁场励磁机，带有称为FR模块的旋转SCR（可控硅）桥。
该模块控制送到发电机磁场的直流电流。
这种结构采用一调压器，通过光耦合来给旋转SCR桥发信号。
调压器检测发电机的输出电压，并按输出电压的幅度使固定的LED（发光二极管）亮或者灭。
调压器的电源由发电机组电池提供。
LED装在发电机轴的端部，对着在轴上旋转的光敏晶体管。
光敏晶体管接收来自LED的信号，按要求比如调压器的指令来指示SCR旋转桥开通或关断。
相比常规的绕制磁场无刷发电机，这种类型的发电机在电压恢复时间上要快好几倍，因为它没有励磁机磁场电感要克服。
它结合了具有短路电流支持能力的恒励磁发电机的快速响应特性与副励磁机结构对负载引起的谐波相对不敏感的优点。
通过使到SCR模块的光耦信号失效，在出现扩充的不受保护的过载时，可选的安全保护断路器能保护发电机。
发电机组件
定子
安装在科勒发电机组上的发电机都有一
个商品尺寸代码，这个代码与定子铁心
长度最接近的英寸数以及用英寸表示的
空腔直径有关。
例如：
4S9
4极铁心长度
铁心内径代码
P—9.5”
S—12”
U—15.5”
型号为4S9的发电机指的是一台4极发电机，其空腔直径为12”，铁心长度大约为9”。
在大多数的100KW的机组上使用的是这种发电机。
（图4S）
在单相应用中，将采用一加大的发电机（4S13），同样在需要更好的电机起动性能时，也可以指定加大的发电机。
商品代码在规格表，价格表和电机起动指南中都能找到。
发电机组件
定子组件
科勒快速反应发电机属于调节范围宽，12-导线类型的。
绕组基本上为三相绕组，每一相绕成两部分。
发电机能在每部分电压变化幅度在110~139伏内时正常运转。
这些定子在50/60赫兹下都可以重新连接成的不同的电压接法，包括：
三相Y形，三相△形，以及单相连接。
当定子绕组接成三相Y或星形连接时，线电压（L1-L2-L3）等于相电压（L1-L0,L2-L0,L3-L0）的矢量和或1.73倍的相电压。
120X1.73=208277X1.73=480139X1.73=240
相绕组既可以串联（高）也可以并联（低）连接。
在高Y形连接中最经常见到的电压是：
220/380，240/416或277/480。
对低Y形接法一般电压是110/190，120/208或139/240。
对△形连接最普通的电压是120/240或110/220。
一半的相电压可由串接绕组和线之间得到。
（L1-L0）
12-导线发电机可以连接成提供单相电源。
这种接法被称为“狗腿”。
用这种接法，120与240伏的单相电路都可以得到。
当单相运行时，由于这种连接固有的热效应，容量必须降低。
这种发电机不能重新连接成600伏。
可以用6-导线Y形连接定子来实现这些三相系统。
线对中性点电压为347伏。
每相上都提供了抽头以提供120和240伏电给计量与调压连接用。
发电机组件
负载不平衡
用在既有单相也有三相负载系统中的发电机容易受负载不平衡影响。
三相负载是自动平衡的；但是，单相负载就必须小心规划并分配到各相上，以获得平衡电压并防止一相或两相过载。
对Y形连接的发电机来说，这是一件很简单的事情；但当采用三相120/240伏△形连接系统时，就必须综合考虑了。
一般地，负载应该布置成使发电机的任何一相都不会超出额定电流。
当计算三相系统时，经常假定其所带负载是平衡的。
但由于系统中单相负荷的存在，这假定很少能是真实的。
最明显的例子是120/240伏三相△形系统用在既有120伏和240伏单相负载又有240伏三相负载时。
对系统设计人员来说，将其负载连到一起，选用三个单相变压器，其中一个做得足够大来处理单相负载，是相对简单的。
然而对发电机组的供应商来说存在一个问题，即发电机的三相绕组在尺寸上是完全相同的，而且他对负载基本上没有控制权。
所有的单相负载连在一相上将造成不平衡。
过度的不平衡可能损坏发电机以及连在负载上的三相电机。
对三相△形连接要记住的基本点是：
●使120伏负载平衡。
●尽量使单相负荷小于50%.
●保持三个端子的任意一个尤其是L1和L3端子上的电流在发电机的额定电流内。
●不要加载电机组超过其设计满负载的80%。
发电机组件
定子组件
定子真空浇注环氧树脂涂层，涂层是按照Mil-l-24092标准防霉的。
它们可承受300%额定电流的短路电流长达十秒。
由于产生的热的总量，现今供应的大多数发电机都在其结构上采用F或者H级绝缘。
环境温度为104°F（40°C）时，F级绝缘允许温升为备用266°F（130°C），主用
221°F（105°C）。
H级绝缘允许温升为备用150°C，主用
120°C。
科勒发电机按照H级绝缘制造，但按照F级绝缘允许温升极限考虑。
如果发电机持续运行在最高环境温度和额定负载下，设计持续运行寿命为20,000小时。
显然发电机绕组的标准是很保守的。
事实上，运行在正常额定负载下时发电机很少出故障。
发电机绕组故障原因有周围环境情况，绕组的缺陷，持续过载或者负载不平衡。
温升=[Rf/Ro*（To+234.5）]—（Tf+234.5）
R=电阻（欧姆）
T=温度（摄氏度）
o=起始的（冷态）
f=最终的（热态）
发电机组件
定子
绝缘的目的是防止在绕组，铁芯槽与发电机构造上任何导电物体之间的短路。
如果绝缘磨损或损坏，将在铜绕组和外框结构之间产生一条电流通路。
灰尘，油脂，化学烟气，热，老化，以及潮湿是导致绝缘损坏的一些因素。
作为定期维护程序的一部分，在发电机整个寿命期间，需检测绕组与地之间的绝缘磨损，以用作比较分析。
这些电阻值很高（兆欧姆）。
通常用兆欧表来进行测量。
兆欧表在被绝缘导体和与其绝缘的物体通常是地之间施加一电压。
由流入或流过绝缘材料的电流可测定电阻。
不应使用“Hi-Pots”产生的高电位（1000v+），它能增加绝缘的磨损。
使用兆欧表前先阅读并遵循随仪表提供的说明书。
断开与发电机连接的所有负载尤其是电子装置，调压器，二极管，电路板等等。
按照定子被连接的特殊的电压连接（星，三角），保持所有线圈之间的连贯性。
将中性线与地隔离，兆欧表连于中性线组与地间。
记录兆欧读数。
如果绝缘电阻小于1.5兆欧，绕组必须被服务。
这可能需要一次大修或者仅仅通过一“干燥”过程，即给绕组通以一段时间的电流。
发电机组件
定子线圈
做定子检查前，断开发电机组的电池以防止意外起动是很重要的。
用户负载必须彻底与定子导线断开。
定子线圈的电阻值非常低。
除非用来指示其连续性，不推荐采用VOM。
有的可能会让新技术人员以为绕组短路了。
如果需要确切的电阻值，就必须采用某种仪器比如能有毫安级精确读数的开尔文双路桥。
“V”低功率导线（V0,V7,V8,V9）在内部与主定子线圈连接起来，因此其末端必须从端子板上拆下，以得到精确的读数。
这些导线为计量与调整供给传感功率。
定子线圈电阻
FR发电机
代码功率（kw）电阻（Ω）6个定子线圈
4P425.112
4P530.079
4P740.057
4P850.039
4P1060.028
4S780.033
4S9100.020
4S13150.010
4U7180.012
4U9240.008对6个线圈1-4，2-5等每个的阻值相等
4U10250.006
4U10275.006
4U13300.005
所有的电阻值都是在25°C下的,误差为+/-10%
发电机组件
定子线圈
在星形连接发电机中，测线圈电阻时不需要将线圈分开。
在串连连接中线圈总的阻值是各个线圈阻值之和。
高星形连接发电机中，可以测得线到线，线到中性点，或6个独立线圈组之间的阻值。
举例：
4P4-25KW定子=0.112欧姆/线圈
在低星形连接中，线至中性点的线圈是并联的。
并联线圈总的阻值为单个线圈的一半。
在三角形连接中，测量前必须打开串联线圈连接中的一个，以切断串/并电路。
注意：
如果存在松动，腐蚀或者扭力不够的螺栓端子连接，线-线测量时可能会出现比规定高得多的电阻值。
发电机组件
定子
PM励磁机磁场
励磁发电机是永久磁场旋转电枢型的。
框架组件是用螺栓连接在主定子端部撑架上并隐藏在主框架内。
它包含有8个陶瓷磁体，粘接在其内周上。
每个磁体包括一北极和一南极总共16个磁极。
因此励磁机在1800RPM产生一240周的交流输出。
采用永久励磁磁场，只要发动机以额定转速旋转，励磁机电枢就为最大励磁电压。
三种大小的励磁发电机用在FR发电机系列上。
25-30KW,40-150KW,180-300KW。
如果各部分都牢牢地紧固在框架上，磁极可以有裂缝。
所有松动的部分必须拆除。
任何一个磁体的少掉部分的总体积不可以超过磁极磁体原有体积的5%.
发电机组件
转子
三种规格的转子与4P,4S与4U代码的FR定子配合。
旋转4极主磁场装置与励磁机电枢压制在一带轮毂的公共轴上，轮毂栓接在驱动轮上以与发动机飞轮直接连接。
励磁机电枢轴端部在端部支撑架内用轴承支承。
主磁极组件的叠片与磁极一起关于定子槽斜槽装配。
这样通过减少由电枢绕组电流产生的磁通引起的谐波，从而改善了发电机输出波形。
转子铁心中采用了阻尼线圈或者阻尼杆。
这些绕组含有铝棒，插在叠片磁极块内。
通过将其焊接至磁极端板，绕组或棒是短路的。
这些绕组的目的是通过减少涡流来减少转子的发热。
它们也减少了发电机随负载变化或与其他发电机并联时而震荡的可能性。
磁场线圈交替地缠绕在磁极上或在装配中连接，以产生交变磁场极性。
（N-S-N-S）
楔块可防止绕组因离心力而发生移动。
转子是真空浇注环氧树脂涂层，烘干并且动态平衡的。
串联磁场绕组连接在SCR模块的F+和F-输出端子上。
主磁场电阻可在这些端子上测量。
额定的转子电阻为1~3欧姆。
在用兆欧表检查绝缘情况时，为保证欧姆表得到正确的电阻读数，并防止损坏SCR，首先应将磁场导线从模块端子断开。
发电机组件转子
励磁机电枢
励磁机电枢压制在主轴上，给主发电机磁场提供励磁电压。
因为这些励磁机电枢采用永久磁铁给其励磁，运转时相当于饱和磁场发电机，只要机组运行在额定转速下，就能提供持续的最大输出。
这些旋转电枢发电机输出功率为1500w~3500w，电压为交流120~150v。
电枢的引线连至SCR模块的交流输入端子。
电枢饶组的电阻值为2-7欧姆。
发电机组件
转子
SCR（可控硅）模块
SCR模块将励磁机的交流输出整流，然后将直流电送至主发电机磁场（转子）。
三种不同的模块分别适用于三种尺寸的FR发电机。
模块包含2个SCR（可控硅）和两个二极管，连接成一桥形。
一个自由旋转的二极管和变阻器跨接在输出端（F+F-）上以保护桥路。
SCR的控制门或触发信号来自光敏晶体管板，加在端子G上。
两个限流电阻保护着门电路。
所有元件均封装以防风雨及震动。
通过参考原理图，各个元件均可检修。
通过螺柱型端子检查模块上元件或电阻值时，装上螺母并紧拧在金属薄板上以保证与金属薄板电路有良好的机械连接。
螺柱没有焊接在金属薄板上。
F-端子通过散热片和安装螺钉接地。
重盘连在转子极块的对面作为对重。
发电机组件
转子
光敏晶体管板
光敏晶体管电路板是光耦合电路的接受部分，为SCR模块提供选通脉冲信号。
输出信号的频率取决于它从静止的发光二极管接收到的通/断光信号。
在电路板和速度传感拖动杯中间插有一绝缘板和垫圈。
整个装置用两个螺钉安装在转子轴上。
电路板引线穿过轴与励磁电枢铁心上的小孔，连接在SCR模块端子上。
注意G（绿色）和F3（红色）的极性。
G至G，F3至F+。
闪光灯可以用作光源来触发光敏晶体管，以便测试或者故障排除。
在保护罩被拆下，又没有对可使发电机产生峰值输出电压的外部杂散光源进行防护时，不可以操作发电机。
发电机组件LED板
LED板给光敏晶体管提供光源来触发SCR，它包括一发光二极管（D1）和一单向二极管（D2）作为保护元件。
LED是光耦合电路的固定部分，安装在保护盖板上，直接对着接收光敏晶体管。
LED发出红外信号，肉眼不可见，但对尘埃或烟尘有出色的穿透能力，这些烟尘可能堆积一段时间。
调压器输出至LED的是方波，加在P1连接器的5B和3B端子上，“通”时间随负载的增加而增加。
发电机组件
调压器
FR调压器提供受控功率至发光二极管，且+/-2%可调。
调压器的输入功率由发电机组起动电池提供。
12V或14V电池系统都可以。
电池（+）电路用15A的保险丝保护，并通过一常开的K3控制继电器触头供电。
控制继电器在发电机起动和运行时带电。
在发生长时间过载时，可选的发电机过载保护电路断路器，即指安全保护断路器，将切断调压器输入功率。
调压器至光耦合LED的输出功率为100mA时1-2V。
开路电压约为直流8V。
FR调压器是一个平均值传感调节器。
在发电机端子V7-V8上监测标称值为190V-277V的单相电压传感信号。
通过跳线设置，调压器既可用于50Hz也可用于60Hz系统：
T1至T2用于60Hz，T1至T3或者移开用于50Hz。
调压器每赫兹伏特数构造。
这种特性使发电机电压在频率缔低于预定水平时会下降（平均8V/Hz）。
这将使发电机在单步加载大负载可以恢复转速（RPM）。
工厂初始频率设置为50Hz时48，60Hz时58。
设置在需要时可以现场调整。
通过把相应的电位计顺时针旋到底，也可以将此特性去掉。
稳定性调节装置用来精调并使光闪烁最小化。
1000欧姆，1瓦的电压调节电位计安装在远程测量仪表箱上。
1%调节器和3Ø传感线是可选的。
发电机组件调压器（3Ø）
A3相电压传感调节器可作为FR发电机组的可选件。
所有性能和规格与在FR发电机组上作为标准件提供的2%单相传感调节器一致。
调节器上装有三个电压互感器，在端子V7,V8和V9上检测发电机相对相电压。
3Ø传感在发电机负载不平衡时将提高发电机的性能。
通过监视全部三相电压，调节器可以检测到电压平均值，更加平衡地进行整体调节。
发电机组件
发电机罩
由四块组成的外罩为发电机组提供天气保护。
它们也支承着控制箱，装着不同的标准的和可选的控制器件及发电机支持元件，并且为发电机输出连接端子提供绝缘。
用户电力负载连接在外罩内进行，或者接至发电机出线，或者接至可选的断路器或母排上。
元件的布置随发电机的型号规格可能不同。
A-电流互感器
B-用户连接件
C-一般故障继电器
D-安全保护断路器
E-安全保护端子排
F-空气阻尼继电器
G-调速器继电器
H-运行继电器
I-电压调节器
J-线电路断路器
K-电子调速器控制
L-下降比较变阻器
带可调节磁脱扣的典型3极塑壳断路器
热脱口
磁脱扣
发电机组件
线路断路器（可选）
线路断路器在发电机供电的电路故障，产生一比预先选择的过电流值（通常是发电机的额定值）更大的电流需求时，自动切断电路。
它也允许将发电机和负载手动隔离。
在触点闭合时，断路器的机械装置为弹簧，因此可以很容易地跳至断开位置。
弹簧动作同样使触点可快速分合。
甚至在推柄固定或阻塞在“合闸”位置时，这种结构也能让触点脱扣。
在机械装置脱扣后，操作手柄会停在“合闸”与“断开”的中间位置，以给由故障造成的跳闸提供视觉指示。
在手柄可被再次合至“合闸”位置前，必须先推到“断开”位置以复位。
激活脱扣机构的一般方法为热，磁和旁路装置或者这些方式的组合。
热脱扣
热部分由一双金属片组成，它对由负载电流产生的热起作出反应。
过大的电流将使其足够的弯曲从而断开机械装置。
脱扣延时时间取决于过载电流的持续时间和大小。
元件在厂里已经被校准。
磁脱扣
磁脱扣部分由一与负载串联的电磁体以及一用来激活脱扣机构的可动衔铁组成。
当突然的过电流如短路发生时，电磁体吸引衔铁而导致瞬间脱扣。
固定或可调脱扣点的磁元件均可以得到。
热磁脱扣
带旁路脱扣的热磁脱口
发电机组件热磁脱扣
大多数断路器同时利用双金属片和电磁装置来激活脱扣机构。
热脱扣与磁脱扣的组合使过载时可以延时脱扣而在短路时可瞬时脱扣。
旁路脱扣
分路脱扣的选择在断路器框内提供一12或24V直流线圈，在从远处短时激励下将激活脱扣机构。
这样允许断路器按用户选择的故障如过电压或过速跳闸。
发电机组件安全保护断路器（可选）
FR励磁电路设计成允许发电机在600%额定输出安培数下供电并且耐受最小300%额定输出安培数。
这种特性使线路断路器在过载或短路时跳闸，而不损坏其他分支电路。
如果线路保护装置没有在指定的时间内跳闸，安全保护断路器将为发电机提供保护。
如附表中所示，某故障引起400%的额定电流，在安全保护断路器跳闸前，分支电路保护装置有5-20秒的时间来切除故障。
电流互感器既用来传感也用来给断路器的脱扣元件供电。
给电流表供电的电流互感器与断路器脱扣元件串联。
有一系列的断路器与不同规格的FR适配。
额定电流从3.0到5.0安培。
发电机的全部三相均受监测，断路器的扳手系在一起，以便在任意一相的电流超过额定脱扣电流时能断开断路器触点。
断开断路器触点将断开调压器的电池供应，破坏光耦回路，从而使主磁场崩溃。
必须认识到，安全保护断路器断开时，在主发电机负载端子上会存在剩余电压。
这是因为在转子铁心上有剩磁。
安全保护断路器不是线路断路器。
断路器触点额定电流为50安培。
发电机组件安全保护断路器（可选）
采用的电路断路器是一粘性阻尼磁脱扣断路器，带独立的触点和
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