西門子同步發電機輸出電壓的調控

　　調控的目的就是實現在西門子同步發電機額定負荷范圍內穩住輸出電壓。調控技術的理念是實時地從主發電機電樞取得電壓和電流,經整流和負反饋調理后供給勵磁機的定子線圈,使其產生變化規律與主發電機輸出電壓變化規律相反的直流電磁場,這個磁場也必然使勵磁機轉子電樞的輸出電壓及旋轉整流器供給主發電機轉子線圈的直流電流按同樣的規律而變化。從而起到實時調節主發電機轉子磁場大小,使主發電機在額定負荷范圍內保持良好輸出特性的作用。

　　對西門子發電機輸出電壓的調節過程,可以用以下的流程表示;

　　由于負荷增加使主發電機電樞電壓↓(降) →經負反饋調理后勵磁機定子電流及磁場↑→勵磁機轉子電樞輸出電壓↑→旋轉整流器輸出電流↑→主發電機轉子磁場↑→使主發電機電樞電壓↑

　　若主發電機電壓升高,則其反饋調控使以上各環節作用降低,導致電壓回到額定值。

　　可見通過勵磁機實時調控主發電機轉子磁場的大小,就可以穩住輸出電壓。這其中起重要作用的是負反饋調節單元,通常稱其為恒壓勵磁裝置和自動電壓調節器。

　供給主發電機轉子的勵磁電流變小,則主發電機因其轉子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之,AVR的負反饋調控功能就會使主發電機的輸出電壓升高。

　　　3 同步發電機的維護

　　同步發電機是柴油發電機組的關鍵部分。為柴油發電機組建立一個合適的工作環境,做好日常維護是十分必要的。

　　發電機房內的高溫、潮濕和空氣污染物是引起發電機故障的最常見因素。粉塵、灰塵和其它空氣污染物的積累會引起絕緣層的性能變壞,不僅易形成對地的導電通路,還會使轉子軸承部分的摩擦力增大而發熱。濕氣以及空氣污染物中的濕氣極易在發電機內形成對地的漏電通路,引起發電機故障。機房內溫度過高會使發電機組工作時產生的熱量難以散出,造成其輸出功率下降、機組過熱。所以機房的防塵、防潮濕、通風降溫就必須引起足夠的重視。

無論是單軸承發電機還是雙軸承發電機,它們的轉子軸與柴油發動機主軸之間連接的同軸度要求很高。長時期運行后的機組有時同軸度可能降低,導致發電機燥聲增

　　1、結構

　　西門子同步發電機主要由定子、轉子和其他部件組成。定子部分包括定子鐵芯、定子繞組、機座；轉子部分包括轉子鐵芯、勵磁繞組和滑環(隱極式轉子還有套箍、心環，凸極式轉子有磁極、磁軛、轉子支架)；其他部件包括電刷裝置、端蓋、軸承和風扇等。

   2、工作原理

　　同步發電機是根據電磁感應原理工作的，它通過轉子磁場和定子繞組的相對運動，將機械能轉變為電能。當轉子在外力帶動下，轉子磁場和定子導體作相對運動，即導體切割磁力線，因此在導體中產生感應電動勢，其方向可根據右手定則判定。由于轉子磁極的位置使導體以垂直方向切割磁力線，所以此時定子繞組中的感應電動勢最大。當磁極轉過90度后。磁極成水平位置，導體不切割磁力線，其感應電動勢為零。轉子再轉90度，定時定子繞組又以垂直方向切割磁力線，使感應電動勢達到最大值，但方向與前相反。當轉子再轉90度，感應電動勢又變為零。這樣轉子轉動一周，定子繞組的感應電動勢也發生正、負變化。如果轉子連續勻速旋轉，在定子繞組中就感應出一個周期性不斷變化的交變電動勢。 二、故障診斷與排除方法

　　1、發電機過熱

　　(1)發電機沒有按規定的技術條件運行，如定子電壓過高，鐵損增大；負荷電流過大，定子繞組銅損增大；頻率過低，使冷卻風扇轉速變慢，影響發電機散熱；功率因數太低，使轉子勵磁電流增大，造成轉子發熱。應檢查監視儀表的指示是否正常。如不正常，要進行必要的調節和處理，使發電機按照規定的技術條件運行。

　　(2)發電機的三相負荷電流不平衡，過載的一相繞組會過熱；若三相電流之差超過額定電流的10%，即屬于嚴重蛄相電流不平衡，三相電流不平衡會產生負序磁場，從而增加損耗，引起磁極繞組及套箍等部件發熱。應調整三相負荷，使各相電流盡量保持平衡。

　　(3)風道被積塵堵塞，通風不良，造成發電機散熱困難。應清除風道積塵、油垢、使風道暢通無阻。

　　(4)進風溫度過高或進水溫度過高，冷卻器有堵塞現象。應降低進風或進水溫度清除冷卻器內的堵塞物。在故障未排除前，應限制發電機負荷，以降低發電機溫度。

　　(5)軸承加潤滑脂過多或過少，應按規定加潤滑脂，通常為軸承室的1/2~1/3(轉速低的取上限，轉速高的取下限)，并以不超過軸承室的70%為宜。

　　(6)軸承磨損。若磨損不嚴重，使軸承局部過熱；若磨損嚴重，有可能使定子和轉子摩擦，造成定子和轉子避部過熱。應檢查軸承有無噪音，若發現定子和轉子摩擦，應立即停機進行檢修或更換軸承。

　　(7)定子鐵芯絕緣損壞，引起片間短路，造成鐵芯局部的渦流損失增加而發熱，嚴重時會使定子繞組損壞。應立即停機進行檢修。

　　(8)定子繞組的并聯導線斷裂，使其他導線的電流增大而發熱。應立即停機進行檢修。

　　2、發電機中性線對地有異常電壓

　　(1)正常情況下，由于高次諧波影響或制造工藝等原因造成各磁極下的氣隙不均、磁勢不等而出現的很低電壓，若電壓在一至數伏，不會有危險，不必處理。

　　(2)發電機繞組有短路或對地絕緣不良，導致電設備及發電機性能變壞，容易發熱，應及時檢修，以免事故擴大。

　　(3)空載時中性線對地無電壓，而有負荷時出現電壓，是由于三相不平衡引起的，應調整三相負荷使其基本平衡。

　　3、發電機電流過大

　　(1)負荷過大，應減輕負荷。

　　(2)輸電線路發生相間短路或接地故障，應對線路進行檢修，故障排除后即可恢復正常。

　　4、發電機端電壓過高

　　(1)與電網并列的發電機電網電壓過高，應降低并列的發電機的電壓。

　　(2)勵磁裝置的故障引起過勵磁，應及時檢修勵磁裝置。

　　5、功率不足

　　由于勵磁裝置電壓源復勵補償不足，不能提供電樞反應所需的勵磁電流，使發電機端電壓低于電網電壓，送不出額定無功功率，應采取下列措施：

　　(5)發電機內部進入金屬異物，在檢修發電機后切勿將金屬物件、零件或工具遺落到定子膛中；綁緊轉子的綁扎線、緊固端部零件，以不致發生由于離心力作用而松脫。

　　(6)過大電壓擊穿：1)線路遭受雷擊，而防雷保護不完善。應完善防雷保護設施。2)誤操作，如在空載時，將發電機電壓升得過高。應嚴格按操作規程對發電機進行升壓，防止誤操作。3)發電機內部過電壓，包括操作過電壓、弧光接地過電壓和諧振過電壓等，應加強繞組絕緣預防性試驗，及時發現和消除定子繞組絕緣中存在的缺陷。

　　7、定子鐵芯松馳

　　由于制造裝配不當，鐵芯沒有緊固好。如果是整個鐵芯松馳，對于小型發電機，可用兩塊小于定子繞組端部內徑的鐵板，穿上雙頭螺栓，收緊鐵芯。待恢復原形后，再將鐵芯原來夾緊螺栓緊因。如果局部性鐵芯松弛，可先在松弛片間涂刷硅鋼片漆，再在松弛部分打入硬質絕緣材料即可。

　　8、鐵芯片間短路

　　(1)鐵芯疊片松弛，當發電機運轉時鐵芯產生振動而損壞絕緣；鐵芯片個別地方絕緣受損傷或鐵芯局部過熱，使絕緣老化，就按原計劃條中的方法進行處理。

　　(2)鐵芯片邊緣有毛刺或檢修時受機械損傷。應用細銼刀除去毛刺，修整損傷處，清潔表面，再涂上一層硅鋼片漆。

　　(3)有焊錫或銅粒短接鐵芯，應刮除或鑿除金屬熔接焊點，處理好表面。

　　(4)繞組發生弧光短路，也可能造成鐵芯短路，應將燒損部分用鑿子清除后，處理好表面。

　　9、發電機失去剩磁，起動時不能發電

　　(1)停機后經常失去剩磁，是由于勵磁機磁極所用的材料接近軟鋼，剩磁較少。當停機后勵磁繞組沒有電流時磁場就消失，應備有蓄電池，在發電前先進行充磁。

　　(2)發電機的磁極失去磁性，應在繞組中通入比額定電流大的直流電流(時間很短)進行充磁，即能恢復足夠的剩磁。

　　10、自動勵磁裝置的勵磁電抗器溫度過高

　　(1)電抗器線圈局部短路，應檢修電抗器。

　　(2)電抗器磁路的氣隙過大，應調整磁路氣隙。

　　11、發電機起動后，電壓升不起來

　　(1)勵磁回路斷線，使電壓升不起來。應檢查勵磁回路有無斷線，接觸是否良好。

　　(2)剩磁消失，如果勵磁機電壓表無批示說明剩磁消失，應對勵磁機充磁。

　　(3)勵磁機的磁場線圈極性接反，應將它的正、負連接線對換。

　　(4)在發電機檢修中做某些試驗時誤把磁場線圈通以反向直流電，導致剩磁消失或反向，應重新進行充磁。

發電機勵磁電流的調節過程

△         由副勵磁機——可控硅——AVR調節器——作為主勵磁機定子勵磁電流——來調節主勵旋轉電樞的輸出電流——送至旋轉整流盤——轉子繞組

△         靜止的永勵副勵磁機的電樞送出400Hz的電源，通過勵磁電壓調節器中的三相全控橋式可控硅整流器形成可調的直流電源到交流勵磁機的磁場繞組。

通過控制全控橋整流器的導通角來調節交流勵磁機的磁場電流，從而達到調節發電機勵磁電流的目的。

當DAVR故障時，由廠用電經工頻手動勵磁調節裝置整流后提供。發電機勵磁。

工作原理

發電機的勵磁電流由交流勵磁機經旋轉整流盤整流后提供，交流勵磁機的勵磁電流則由永磁機經調節裝置中 的可控硅全控橋整流后提供，勵磁電流的大小由自勵磁調節裝置進行自動或手動調節，以滿足發電機運行工況的要求。

2.3   無刷勵磁系統特點

2.3.1  勵磁機與發電機同軸，電源獨立，不受電力系統干擾

2.3.2  沒有滑環和電刷，根除了碳粉污染，噪音低，維護簡單

2.3.3  具備高起始、響應持久、能有效地提高電力系統穩定性

2.3.4  選扎整流盤設計合理、電流和電壓余量大，運行可靠

2.3.5  采用雙重數字AVR、功能齊全、故障追憶功能強

無刷勵磁系統原理框圖

整流盤及電路

整流盤采用雙盤結構，一個正極盤，另一個負極盤。

整流盤與轉軸間絕緣可靠、固定合理，能承受各種短路力矩的沖擊而不產生位移。

電路接線是：勵磁機電樞八個Y支路中心點通過短路環連接在一起形成公共中心點，八個“Y”支路的出線則分別接一個全波整流橋，它們在直流側正極性和負極性分別在一起，而后送發電機轉子，可稱為多支路直流側并聯接線方式，著接線方式可確保各“Y”支路旋轉整流管之間均良好。

每個“Y”支路每整流臂有二個整流管，一個電容器和一個保護電容器的小熔斷器，它們組裝為一體，稱為整流組件。另外還有二個主熔斷器，主熔斷器的端面帶有機械熔斷器指示器，在電機運轉時，當熔絲熔斷后，這種指示器彈出，用同步頻閃儀能觀察到二極管和主熔斷器的參數。

主熔斷器：電流 670A  電壓 850V

二極管：R6LO—40型平板式元件  電流400A 

反向峰壓2000V

見圖（二）

2.4  數字式勵磁電壓調節器（DAVR）

DAVR采用進口三菱公司的用于無刷勵磁系統的全雙通道數字式勵磁電壓調節裝置MEC5230、DAVR按發電機機端和電網的工況自動地調整發電機的勵磁，一旦發電機或勵磁系統出現異常，可借助于多種限制功能單元，及時對異常工況限制或發出切機信號，使機組脫離電網并滅磁！

2.4.1  DAVR主要性能：

(a)    自動調節范圍（恒電壓模式）

發電機空載工況：10%~110%額定電壓

發電機負載工況：95%~105%額定電壓

(b)                  手動調節范圍（恒磁場電流模式）

發電機空載工況：10%~110%額定電壓

發電機負載工況：允許達到110%發電機額定磁場電壓（在額定負載和額定電壓運行時）

(c)                 調壓精度：＜±1%

(d)                   采樣固期：20ms

2.4.2   DAVR工作原理：

DAVR控制方式：DAVR提供二種控制方式：發電機恒機端電壓控制和恒勵磁機磁場電流控制。

(a)                發電機恒機端電壓控制：這種方式與常規AVR自動工作方式一樣，通過控制發電機的磁場電流使發電機的端電壓與電壓整定器（90k）的整定值相同，發電機端電壓保持恒定值。

(b)                恒磁場電流控制：這種方式相當于常規的手動工作。通過勵磁機磁場電流反饋使發電機磁場電流保持恒定，從而達到發電機磁場電流恒定。

 工作：

（1）                   恒電壓控制：

發電機機端電壓和電流通過三相PT和CT，輔助PT和CT以及模擬式濾波器輸入到A/D轉換器，A/D轉換器將模擬量轉換為數字量，同時，幼功（P）、無功(Q)、端電壓（Vt）和電流（Ia）通過計算機被檢測。

端電壓信號與電壓整定器（90k）的偏差信號通過增益/相位補償器和控制系統的可條節元件的限制功能級，觸發脈沖發生級產生對應這信號的相控制脈沖，控制可控硅的輸出。

（2）                   恒磁場電流控制：

手動電壓整定器（70E）的整定值與通過A/D轉換所獲得的磁場電流（If）的偏差信號輸出到觸發脈沖輸出級，產生對應這偏差的控制脈沖，控制可控硅的輸出。在這控制環節中形成磁場電流的閉環控制，從而達到控制磁場電流在某一恒定值。

3．           氫氣系統

3.1    氫氣系統功能

3.1.1  以CO2為中間介質，實現發電機氣體置換。

3.1.2  自動維持發電機內的氫壓

3.1.3  自動監測機內氣體參數（氫壓溫度和純度）及運行工況

3.1.4  通過氫氣干燥器連干燥機內氫氣，維持機內氫氣低溫度。

3.2   系統簡介：

          氫系統由運行和檢測兩部分組成正常運行時，純度要求≥95%，在額定氫壓下機內允許濕度露點為≤-5℃（≤3.25g/m³）這可通過控制氫源濕度、潤滑油含水量及發電機氫系統培植的氫氣干燥器來保證。

3.2.1  運行部分：供CO2、H2裝置、氫氣壓力控制裝置充排氫閥門組、氫氣干燥器等。

3.2.2  檢測部分、氫氣純度變送裝置、浮子檢漏計、發電機局部過熱檢測裝置、氫油水工況檢測柜等。

3.3   氫氣系統主要部件簡介

3.3.1  氫氣干燥器：氫氣干燥器為冷凝式干燥器。

冷凝式干燥器是利用制冷機將氫氣溫度降低到-10~ -15℃左右，使氫氣中的水分飽和析出并可以霜的形式凝結在蒸發器表面。當霜結到一定的程度時，需停機化霜。為了提高脫水效果，可用二臺冷凝式干燥器并聯運行，一臺干燥，一臺化霜，交替運行。

3.3.2  發電機機內局部過熱檢測裝置

該裝置的作用是監測機內是否有局部過熱現，其基本原理是定子鐵心表面和線棒表面的絕緣漆溫度達到一定程度（約200℃）時，就會引起熱分解，從而產生大量高濃度超微粒子。當粒子隨氫流入該裝置內離子室時，會被大量吸附，從而改變裝置原先在正常情況下的輸出電流，使之大大下降，從而發出報警信號，可及早發現事故隱患。

3.3.3  液體檢漏器

          液體檢漏器是指裝在發電機機殼和主出線盒下面的浮子控制開關，其可指示出發電機里可能存在的冷卻器漏出或冷凝成的任何液體。在機殼的底部，每端機殼端環上沒有開口，將收集起的液體排到液體檢漏器。

3.3.4  發電機漏點檢測                               

3.3.4.1 發電機氣密試驗額定壓力0.4mpa時，≤2.1米/³天

  L=0.0023VP/T   20℃時  環境溫度

  L——發電機的泄露量           單位：立方米/天

  V——發電機容積               單位：立方米

  P——保壓期間機內壓力變化量   單位：毫米水柱

  T——保壓時間                 單位：小時

  保壓時間不少于4h   推薦為24h

3.3.4.2 漏點、檢測

如果泄露量超過規定的限值，就應該用肥皂液拉開粉溶液或鹵素檢漏儀進行系統檢查。一般肥皂液或拉開粉溶液用于初檢，而鹵素檢漏儀用語精檢。

   發電機和氫系統中凡有電氣信號輸入和輸出以及有絕緣要求的部位，如接線端子、出線瓷瓶及測溫元件因出導線等不能用肥皂液檢漏，而只能用鹵素檢漏儀檢漏。拉開粉溶液精度高于肥皂液，相當于鹵素檢漏儀 的末級精度，液體檢漏儀必須、在0.1Mpa和額定氫壓的壓力下各做一次。

   鹵素檢漏儀檢漏

   我廠采用日本東芝公司的HAL—8型鹵素檢漏儀，靈敏度分六檔，最高靈敏度檔可測出鹵素氣體以百萬分之一毫升每秒漏出時的泄露量；而取最低靈敏度檔也可測出百萬分之一毫升/秒的泄露量 。

   發電機氣密試驗時里面充的空氣，用鹵素檢漏儀漏前，發電機內必須充有氟利昂（F12）氣體，本數量配比為70克/立方米，但F12不能和H2混合，否則將是一種有毒的混合氣體。

   鹵素檢漏儀重點、檢測部位：機座端蓋、

出線盒、轉子引線、管道、閥門、氫氣干燥器和氫氣純度、檢測變送裝置等。

4.    密封油系統

4.1   功能特點：

a． 向密封瓦提供二個獨立循環的密封油源，防止發電機內壓力氣體沿轉軸逸出。

b． 保證密封油油壓始終高于機內氣體壓力某一個規定值，并確保密封瓦內氫側與空側油壓維持相等其差壓限定在允許變動的范圍之內。

c． 通過熱交換器冷卻密封油，從而帶走因密封瓦與軸之間的摩擦損耗而產生的熱量，確保瓦溫與油溫控制在要求的范圍之內。

d． 通過濾波器去除油中雜物，保證密封油的清潔度。

e． 通過發電機消泡箱和氫側回油控制箱，釋放掉溶于密封油中的飽和氫氣。

f． 空側油路有多路備用油源，以確保發電機安全連續運行。

g． 利用差壓控制器，壓力控制器及差壓變送器等，自動監測密封油系統的運行。

h． 空氫側各裝有一套加熱器，以保證密封油的運行油溫始終保持于所要求的范圍之中。

i．  密封油系統大部分集中安裝于一塊底板中，便于運行巡檢的維護。

4.2    主要部件簡介:

4.2.1  消泡箱

          從密封瓦氫側出來的油先流入到消泡箱中，在那里氣體得以從油中擴容逸出。消泡箱裝于發電機下半端蓋中，通過直管溢流裝置，使箱中的油位不至于過高。消泡箱 汽勵端各裝有一個，在他們之間的連接管道上裝有-U形管，以防二側風扇差壓不一致使油煙在發電機內循環流動。

4.2.2  密封油泵

氫空側、交直流、共四臺、螺桿式恒流泵。

4.2.3  密封油備用油源

空側：第一備用——氣輪機高壓備用油源。第二備用——空側直流備用泵和第三備用——氣輪機低壓潤滑油源

氫側：當交流泵兩端壓降下降到0.035MPa 時，報警并自動起動直流備用油泵，使氫側密封油壓恢復正常。

4.2.4  冷油器

          由于密封油空、氫側各自獨立，因此冷油器也分開關­均為臥式管殼型，內部為浮動式管板結構，殼側通熱油，管側通冷卻水。

5.    定子水冷系統

5.1   系統的特點及功能簡介：

5.1.1  采用冷卻水通過定子線圈空心導線，將定子線圈損耗產生的熱量帶出發電機。

5.1.2  用水冷卻器帶走冷卻水從定子線圈吸取的熱量。

5.1.3  系統中沒有過濾器以除去水中的雜質。

5.1.4  用旁路式離子交換器對冷卻水進行軟化，控制其電導率。

5.1.5  使用監測儀表及報警器件等設備對冷卻水的電導率、流量、壓力及溫度等進行連續的監控。

5.1.6  具有定子線圈反沖洗功能，提高定子線圈沖洗效果。

5.1.7  水系統中的所有管道及與線圈冷卻水接觸的元器件均采用抗腐蝕材料。

5.2   系統主要部件簡介

5.2.1  水箱：是閉路循環水系統中的一個儲水容器，定子線圈的出水首先進入水箱，回水中如含有微量的氫氣可在水箱內釋放。當水箱內氣壓高于一定值時，可通過水箱上的安全閥自動排氣。水箱裝有液位控制器用于自動控制補水以保持箱內正常的液位水平及對過高或過低的液位發出報警，水箱上還配有玻璃管液位計，用以目測觀察水箱液位水箱為帶氫設備？因為由于少量高壓氫氣可滲過聚四氟乙烯絕緣引水管而進入定子水系統中，最終匯集于水箱上部。水箱內還裝有蒸氣加熱裝置，以便在機組升壓和投入運行之前對定子線圈內部的循環水進行加熱，從而杜絕線圈表面結露現象的產生。加熱蒸氣為電廠雜用蒸氣壓0.8~1.3Mpa，溫度約320 ℃，水箱檢修完畢后，需做水壓試驗。

5.2.2  水泵

      裝有兩臺互為備用的離心式水泵，裝有電氣連鎖。

5.2.3                水冷卻器

          水系統中裝有兩臺并聯的水冷卻器，每臺承擔冷卻器可承擔發電機100%所需的熱交換功率，正常一臺運行，另一臺備用。

5.2.4  水過濾器：系統中裝有兩臺并聯的水過濾器，正常情況下，一臺運行一臺備用。

5.2.5  離子交換器

          水系統的功能之一是保持進入定子線圈的冷卻水處于合適的低電導率值，這是因為定子絕緣引水管須承受定子線圈對地電壓。

5.2.6  氮氣壓力系統：

          水系統水箱是密閉的，在水箱液位以上的空間應充有一定壓力的氮氣，以隔絕空氣對水質的不良影響，壓力由氮氣減壓器自動穩定在4KPa。

5.2.7  補充水系統

          水系統的補充水來源于鍋爐的凝結水系統或除鹽水系統，補充水依序通過補水過濾器，減壓閥，電磁閥（或旁路閥）流量開關和離子交換器，然后進入水箱。

5.2.8  電導率儀

          定子線圈冷卻水的電導率由三個電導率儀來檢測，其中兩個串聯地安裝在定子線圈主水管路的[旁路上，用于監測主水路的電導率，一個安裝在離子交換器的出水管路上。

5.2.9  氣表

          定子水箱的排氣管道上裝有氣表（煤氣表）監測并記錄從水箱排出氣體的數量，正常運行約有50~150升氫氣/每天，通過絕緣引水管匯集到水箱，當流過氣表的流量明顯增大并伴有發電機補氫量增加時，提示定子內冷水路可能有泄露。