励磁机及其振动.docx

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励磁机及其振动

励磁机及其振动

简介

发电机的运行需要发电机的转子提供电磁场，而该电磁场往往是在转子的线圈内通直流电形成的。

励磁机就是给发电机转子提供直流电的装置。

该磁场的强度很大程度上取决于励磁机产生并供给的直流电流的大小。

一般通过旋转轴末端的集电环上的电刷，将直流电流输送给发电机绕组，或者通过无刷馈入发电机转子绕组。

直流电流提供了一种精确而灵敏的控制发电机输出的方法，使用户能够获得恒定特性的可靠电源。

励磁机及其所有相关的控制和设备称为励磁系统。

励磁机分为旋转励磁机和静态励磁机两种。

旋转励磁机 – 励磁机的转子是旋转的

旋转有刷励磁机：

此时励磁机相当于一台直流发电机，由主发电机的轴或单独电机驱动。

发出的直流电通过换向器输送给发电机转子。

换向器是旋转的，需要滑环、换向器和刷子。

旋转无刷励磁机：

此时励磁机相当于一台交流发电机，由主发电机驱动该交流发电机转子，与整流器配合使用，将交流电整流为直流电，并输送给发电机转子。

无需滑环和碳刷。

静态励磁机 – 励磁机没有旋转部件

对于大型蒸汽涡轮机，已经设计出并应用了没有旋转部件的励磁电源，励磁直流电源从发电机输出转换而来。

由于主要部件都是不动的，因此称为静态系统。

从主发电机输出获得的电源通过一个特殊的励磁变压器导线，然后馈入整流器转换为直流，该直流电通过发电机轴端旋转的集电环或者滑环和刷子送到主发电机转子线圈绕组中。

因为没有旋转部件，系统具有非常快速的响应，并且在发电机基座上不需要空间，因此，拆卸主发电机或转子时不需要拆卸励磁机设备。

相对于发电机而言，励磁机的特点是重量轻、转子更加柔性，因而其振动特点更多的是受发电机振动的影响。

典型的励磁机是外侧一块瓦，发电机和励磁机间共享一块瓦，对于静态励磁机而言，没有转动部分，励磁机外侧没有轴承。

相对而言，励磁机是问题比较少、可靠性好的设备。

主要的问题是励磁机上零件多，可能因为松动而飞脱，但实践中较少发生；更多的是这些零件中的电容、二极管、保险丝等需要经常更换，更换这些零件包括螺栓、垫片等，如果没有检维修流程控制，更换的零件重量发生改变，紧固件没有精确还原，回装后会发生不平衡；有刷励磁机的碳刷磨损也会导致不平衡，接触表面磨损影响不圆和光滑度，导致额外的振动，进而加剧磨损，所以需要根据制造商对于接触表面的要求去保养和检修，否则还会导致电弧和可能增加轴电流。

当然这类问题对于无刷励磁机就不存在了。

旋转有刷励磁机

基本设计

∙直接连接到主发电机转子上，或者独立于主发电机

∙直接由主发电机直接驱动或者通过齿轮箱改变转速后驱动

励磁机的目的是为发电机的旋转磁场产生并提供直流电。

第一种类型是旋转换向器励磁机，它直接产生直流电，很像早前使用的汽车发电机。

一般来说，旋转励磁机上有很多轮盘，它们是过盈配合和键连接安装在励磁机转子上的，一般不会出问题，但如果设计、制造和安装不当，键及键槽会导致转子的各向异性，过盈配合可能松动，不过这种问题不多见。

励磁机轴和发电机轴之间通常是用带榫槽的联轴器直接连接，联轴器的榫槽/螺栓把励磁机的端部连在发电机的端部上。

由于这种设计，只要联轴器两边的凸缘尺寸正确，两根轴的对心通常不是问题，但两个耦合面之间平行度不够，则可能导致励磁机轴的末端产生额外的涡动，表现高1X振动。

通常，需要检查摆度以确保励磁机轴与发电机轴成为一条直线。

上图是BrownBoveriBBC励磁系统。

这是一种老的大型汽轮发电机励磁系统，通过整流器，将交流励磁发电机的交流电变成直流电，交流励磁发电机直接由主发电机驱动。

（最右边是永磁交流发电机，中间是交流励磁机（硅晶二极管整流器组，交流励磁机是自激励的，动力来自永磁发电机），最左边是主发电机）

旋转带刷励磁机的优势：

∙设计老，还有使用

∙没啥优势

缺点

∙较为复杂，贵，维修频繁

∙滑环、换向器、碳刷、驱动皮带或齿轮箱都是易损件

∙有可能松动和飞脱的部件

故障

∙不平衡 – 机械、电气、热膨胀

通常是因为碳刷弹簧的拉力异常及冷却空气的污染引起。

换向器要求表面光滑，并与转子同心。

当盘车结束时，换向器接触的位置受到一个单向力的作用。

电气短路可能形成热点，使转子产生热弯曲，表现为1X的不平衡；电气短路或开路产生电气不平衡问题（磁场中心与转子中心不同），可能产生转子弯曲。

∙摩擦及摩擦引起的热弯曲。

常常是指励磁机轴承的油封摩擦。

∙不对中

∙流体诱导失稳

∙轴裂纹。

主要是联轴节及轮盘与转子间都是通过过盈配合和键固定的，存在一定的应力集中的可能。

但励磁转子相对桡性，也不容易受到极端的热瞬态作用，所以不容易产生裂纹。

励磁机上的裂纹比较容易通过涡流探头和键相传感器测到，原因也是转子的桡性。

避免产生裂纹的最好办法是确保正确的对中。

旋转无刷励磁机

业内喜欢的励磁机型式，因为无刷，避免了有刷引起的摩擦及其它相关失效。

旋转的永磁体转子在定子线圈中产生交流电，该交流电经过整流，得到直流电，送给励磁机的定子，形成静止的磁场。

励磁机的转子在旋转中产生交流电，该交流电通过旋转的可控硅二极管整流，得到直流电，该直流电直接无刷输送给发电机主转子的绕组。

励磁机控制输送给发电机转子的电流强度，也就控制了主发电机转子的磁场强度，进而控制了主发电机定子线圈的输出交流电功率。

优点：

∙无碳刷 – 无摩擦

∙无轴承 – 没有流体诱导失稳

∙没有联轴节 – 没有外部不对中

∙无需检修

 缺点

∙系统复杂

∙部件容易松动和飞脱

∙是发电机转子的悬臂端

故障

∙不平衡 – 机械

∙内部不对中（对心）/不均匀的气隙

∙摩擦

不平衡

励磁机的二极管盘可作为现场平衡平面。

励磁机几乎没有磨损、腐蚀等会改变励磁机的平衡状态，所以一旦平衡好了，几乎不用再担心平衡问题。

计划性的维修是改变当前平衡状态的可能原因（修出来的问题）。

因为维修时会拿出二极管、保险丝、和电容等做检测。

这些部件用螺栓固定在不同的轮盘上，只有回装时精确地用回装回相同的零件，包括螺栓和垫片，才不会改变之前良好的平衡状态。

通常零件会标上数字或者字母，就不会回装时出错，如果维修后有平衡问题，最好是检查回装时是否出错，但如果没有周祥的标号质量流程管理，难保没人不会出错。

静态励磁机

DC电源是由非旋转的逆变器产生并提供给主发电机转子绕组的，需要旋转的集电器或滑环。

一种设计是该励磁机的电源来自于主发电机输出供给，因为励磁机的主要部件是静止的，所以叫做静态励磁机。

继电器或者滑环是悬臂于主发电机的转子上的。

由直流电池组通过旋转的滑环给主发电机的转子绕组供电。

直流电池是通过没有旋转部件的交流整流成直流的装置储存而来，通过电路中的可变电阻调节供给转子线圈的电流量，决定主发电机转子的磁场强度，进而决定主发电机的定子线圈的电压和输出功率。

优点：

∙没有旋转部件

∙没有轴承 – 不会有流体诱导失稳

 缺点

∙继电器或者滑环悬臂于主发电机的转子外端

∙悬臂 – 容易导致/放大失衡，表现反进动涡动

检维修频繁

故障

∙不平衡 – 滑环设计制造不合适，滑环上的平衡块脱落。

∙不对中，软脚

∙摩擦和摩擦导致的热弯曲

∙结构共振

∙轴裂纹 – 滑环的过盈配合和键等产生的应力集中

∙因为励磁机线圈问题导致的电气runout（与转子动态响应无关的原始缺陷）

静态励磁机上的滑环无论从哪个角度而言都是最简单的部件，其外侧是发电机转子的理想平衡面。

对于这种励磁机，若有不平衡出现，最大的可能是原平衡块的脱落或者移除。

维修时，注意记录滑环上的当前平衡块个数和位置，以便确认是否是平衡块的飞脱或者移出。

滑环是动静接触件，需要经常性地研磨表面，保持表面的合规，其流程应该和前述的带换向器的旋转带刷励磁机一样。

操作不当，会导致转子的不平衡。

下图是一个静态励磁机的案例，在励磁非工作和工作时的两个Orbit/timebase图，显示存在EMF电磁干扰问题的对比图。

发电机转子绕组有故障，通直流电后使得转子磁化，干扰了涡流探头的信号。