【船机帮】西门子发电机工作原理及故障实例
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导读
柴油发电机组是现代船舶极其重要的基础性设备。
尤其对于电力推进船舶，柴油发电机组的重要性相当于船舶的心脏，是船舶其他设备正常工作的动力来源与保障。
现代船舶上使用的中低压柴油发电机组的发电机端几乎都是三相同步发电机，按照励磁方式的不同，可以将三相同步发电机分为有刷励磁式和无刷励磁式2种。
其中，三相无刷励磁发电机以其故障率低、运行稳定、维护保养较为便利（无需像有刷励磁设备一样频繁更换电刷）等优点，在现代船舶上得到广泛应用。
德国西门子公司所设计生产的该类型发电机，在船舶电气领域有着较高的市场占有率。
一
发电机的构成和工作原理
发电机主要由发电机定子、转子、励磁机和调压装置等部分组成。
当发电机启动后，发电机的转子主磁极存在剩磁，会产生微弱的旋转磁场;
发电机定子线圈切割旋转磁场的磁力线，从而在定子线圈中产生交流电动势;
此电动势在并励绕组回路中产生一个不大的励磁电流;
该电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，使得气隙磁通增强，从而使电枢电势和端电压升高;
励磁电流增加，气隙磁场进一步加强。
如此循环激励，直至建立稳定的端电压。
同步发电机建立电压的过程，实质上是一个电磁转换的正反馈过程。
发电机工作原理见图1。
图 1 发电机工作原理
发电机输出端连接单相电压检测装置，发电机的输出电压通过电压互感器（BA1)输出到调压装置中；
调压装置根据所监测的发电机电压，通过端口F+和F-输出直流励磁电流至励磁机的励磁绕组，使励磁机形成稳定磁场。
与发电机旋转轴同轴相连的励磁机电枢绕组切割该稳定磁场，产生三相交流电，该交流电通过由二极管组成的整流器整流后变成直流电，给发电机励磁绕组提供电源，形成主磁场。
这样，调压装置根据发电机端电压反馈不断调整励磁电流，在发电机到达额定转速后，输出端电压稳定在额定电压值。
二
故障现象及解决
某日，本人所在船舶启动备用状态下的2号柴油发电机组（发电机型号为西门子1DC0836),在机组处于额定转速工况下，发电机输出电压为交流5V，无励磁电流产生，由此引发发电机励磁失败报警。
根据发电机工作原理分析可知，发电机无法建立输出电压的原因有以下几种：
(1) 调压装置故障，无输出电压给励磁机；
(2) 励磁机励磁绕组开路；
(3) 励磁回路整流二极管烧坏；
(4) 无剩磁。
首先检查励磁机励磁回路、励磁控制器BA1回路，均正常。
检查励磁控制器，该型发电机使用的是DECS-250数字式励磁控制器,停机状态下测得励磁电压为80V,启动后发电机励磁电压只有10V 左右。
检修人员拆下2号发电机的DECS-250数字式励磁控制器，并将其安装到同型号的1号发电机进行试验，发现1号发电机能正常启动并建立电压，说明2号发电机的励磁控制器功能正常。
排除励磁控制器发生故障的可能性后，电子电气员考虑到另外一种可能:
发电机没有剩磁也会使发电机无法建立工作电压。
在装复2号发电机的DECS- 250数字式励磁控制器后，电子电气员在励磁回路外接入9V 干电池用于充磁。
启动2号柴油发机组至柴油机达到额定转速后，充磁状态下发电机端输出电压为交流450V左右。
柴油发电机组在该转速下运行5min给励磁机充磁，随后停机拆除干电池，恢复原回路接线并再次启动发电机，此时电压输出交流690V的正常工作电压。
此后2号柴油发电机组在正常工况下连续并网使用11d，由于原动机机械故障，再次停止使用并开展检修工作。
在原动机机械故障成功排除后，再次启动2号柴油发电机组，发现2号发电机再次出现无正常输出电压且无励磁电压的故障。
同样在通过外接充磁的方式后，发电机输出电压及励磁电压恢复正常。
为进一步进行观察，将2号柴油发机组并入电网进行使用。
2d后一直处于在网状态的2号发电机主开关突然跳闸，原因就是发电机失压导致主开关失压脱扣，此时发电机输出和报警与之前一样。
电子电气员再次测量2号发电机的励磁绕组阻值后，发现励磁绕组处于开路状态。
先前发生励磁失败故障时测量结果显示励磁回路连接良好，而这次测量处于开路状态，说明故障出现在发电机励磁机绕组这侧。
将2号发电机端盖拆下，检查励磁整流回路。
图 2 烧毁的整流输入端接线柱
发现励磁整流回路交流输入端的2个接线柱烧毁 (见图2) ,导致磁绕组开路，不能给励磁机提供励磁电源，无法产生励磁电流。
更换烧毁的接线柱、电缆线耳、绝缘材料，重新接线励磁回路 ,经测量无误后重新启动柴油发电机组，输出电压等参数正常。
三
常见故障及排除方法
(1) 发电机无法建立输出电压。
测量励磁控制器输出电压是否处于正常值，检查励磁机励磁整流回路是否开路,整流二极管是否烧坏。
比较常见的故障就是励磁回路开路或者整流二极管烧坏。
(2) 发电机输出电压远低于正常值。
此时应检查发电机输出端电压检测回路、励磁控制器励磁电压输出值、励磁电流值是否异常，检查励磁回路接线是否松动。
(3) 发电机输出电压明显高于正常值。
此种情况下同样应检查发电机输出端电压检测回路、调压装置端电压设定值和其他设定值是否有异常。
(4) 发电机电压不稳定，出现波动。
应通过外加励磁电源的方式检查调压器的工作状况是否正常,若有异常则及时更改调压器增益值设定。
另外，在发电机正常励磁状态下，发电机空载和带负载时发电机输出电压、励磁电压和励磁电流值这三者的关系应该如图3和4所示。
图 3 发电机空载时的励磁电流、励磁电压以及 发电机电压与时间关系趋势
图4 发电机带负载时的励磁电流、励磁电压以及发电机电压与时间关系趋势
从图中可以看出：
在柴油发机组处于空载状态时，发电机励磁电流值为2A不变，发电机电压值也是稳定在696V,而励磁电压在-65~-45 V之间呈正弦波状上下波动；
当柴油发电机组处于带负载运行时，在负载没有大变化的情况下,励磁电压值为-59V,发电机电压也稳定在693V不变，而励磁电流在2~4A 之间波动。
在平时监控过程中，当励磁电压和励磁电流与上述值出现明显不一样时应马上停机，检查发电机励磁和调压回路。
四
结束语
本文发电机励磁失败故障，原因是励磁整流回路输人接线端子的松动虚接引起接线端温度过高，导致接线柱烧毁。
笔者参与解决的电气故障中，因接线松动导致各种故障发生的情况不在少数。
船舶设备的同时运行和恶劣海况引发的振动，非常容易造成接线松动，而接线端子氧化也容易导致电路接触不良。
因此,船舶电气相关负责人应定期检查船上各种电气设备，特别是电力电缆连接端接线的紧固情况，若出现连接松动或相关迹象应及时处理，从根源上实现对船用设备常见故障的预防和排除。
本文原创作者系：
广州海洋地质调查局 李华龙 李树文
END