西門子1FC5系列無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障分類分析2010年1月7日,內(nèi)容提要：介紹西門子1FC5系列無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，分析該系統(tǒng)常見故障，并列舉兩個實例。
發(fā)電機 無刷勵磁系統(tǒng) 故障 分類分析1FC5系列無刷同步發(fā)電機，是德國西門子研發(fā)的產(chǎn)品，投產(chǎn)后不斷改進，一直保持技術(shù)領(lǐng)先。
上世紀80年代，中國船舶工業(yè)總公司將其引進，原無錫電機廠按照西門子許可證生產(chǎn)，逐步大量裝備于我國船舶，并陸續(xù)應(yīng)用于鐵路、化工、石油、軍事等領(lǐng)域。1FC5系列無刷同步發(fā)電機，與任何產(chǎn)品一樣，也會發(fā)生故障。以船上具體條件是否可現(xiàn)場修復，故障可分為不具備現(xiàn)場修復條件的繞組損壞故障，和可現(xiàn)場修復的勵磁系統(tǒng)元件故障。
本文以1FC5系列400V無刷同步發(fā)電機為例，介紹其勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點和工作原理，分類分析船舶經(jīng)常遇到的可現(xiàn)場修復的勵磁系統(tǒng)元件故障，并舉例介紹故障檢測步驟。系統(tǒng)構(gòu)成和功能原理系統(tǒng)構(gòu)成有刷交流發(fā)電機，由定子、轉(zhuǎn)子和調(diào)壓裝置組成：轉(zhuǎn)子直流勵磁繞組，提供旋轉(zhuǎn)磁場；定子繞組，感應(yīng)產(chǎn)生和提供交流電；調(diào)壓裝置（多采用諧振式相復勵系統(tǒng)），提供并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直流勵繞組的激磁電流，以保證定子繞組提供與負荷適應(yīng)的交流電。
靜置的調(diào)壓裝置向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子提供激磁電流，通常采用電刷裝置，故稱為有刷發(fā)電機。電刷裝置，保養(yǎng)繁瑣，炭精污染，還易導致故障或事故。1FC5系列無刷同步發(fā)電機實際是兩個發(fā)電機——主發(fā)電機之外，增加了一個勵磁發(fā)電機。1FC5無刷同步發(fā)電機，原理接線圖見圖1。其中：A1，自動電壓調(diào)節(jié)器；A3，調(diào)差裝置（R2，同軸電位器，T4、T5，中間互感器）；C1，諧振電容器；C2，抑制干擾電容器；V1，靜止整流器；F1、F2，勵磁繞組端子；L1，電抗器；R1，分流電阻；T1、T2、T3，單相電流互感器；T6，整流變壓器；T7、T8，測量回路變壓器；U壓敏模塊；V，旋轉(zhuǎn)整流模塊（每個模塊包含兩個二極管）；，定子；，轉(zhuǎn)子；，自勵恒壓勵磁裝置；，發(fā)電機接線盒。主發(fā)電機，也由轉(zhuǎn)子（主繞組）提供旋轉(zhuǎn)磁場，由定子（主繞組）提供交流電。這一點與有刷交流發(fā)電機一樣。
勵磁發(fā)電機，定子增加副繞組且接入與負荷適應(yīng)的（直流）電流，提供與負荷適應(yīng)的磁場；轉(zhuǎn)子增加副繞組（勵磁機交流繞組）產(chǎn)生與負荷適應(yīng)的交流電，增加同軸旋轉(zhuǎn)的整流橋整流，提供給轉(zhuǎn)子（主）繞組產(chǎn)生與負荷適應(yīng)的磁場以保證定子（主）繞組提供與負荷適應(yīng)的交流電，還增加壓敏保護模塊以防止浪涌電壓，保護整流模塊。這樣就不必再設(shè)電刷裝置。同時，1FC5系列無刷同步發(fā)電機的調(diào)壓裝置，采用自勵恒壓勵磁裝置，除諧振式相復勵系統(tǒng)外，增加可控分流系統(tǒng)自動電壓調(diào)整器（以下簡稱AVR）：諧振式相復勵系統(tǒng)，包括電流互感器（T1、T2、T3）、電抗器L1、諧振電容C1、整流變壓器T6、整流橋V1等。AVR，包括調(diào)差裝置A3（T4、T5、R2）、測量變壓器（T7、T8）、A1等。1.2系統(tǒng)功能原理發(fā)電機勵磁，涵蓋發(fā)電機電壓的建立和調(diào)整全過程。
為了便于理解，將系統(tǒng)分解為起壓、電流補償、電壓精調(diào)三個功能環(huán)節(jié)，并采取逐步增加環(huán)節(jié)的方法予以介紹。1.2.1起壓發(fā)電機建立電壓是一個電磁轉(zhuǎn)換的正反饋過程。
（1）發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的剩磁磁場旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生剩磁電壓，在諧振式相復勵系統(tǒng)的L1、C1、T6、V1等作用下產(chǎn)生勵磁電流；
（2）經(jīng)過勵磁機和發(fā)電機兩個放大環(huán)節(jié)，勵磁電流不斷增大，發(fā)電機輸出電壓迅速升高到發(fā)電機電壓的穩(wěn)定點（空載特性曲線和勵磁特性曲線的交點），約為額定電壓的108%-114%。當然，通過調(diào)整電抗器L1氣隙也可以使得起壓后達到額定電壓，但發(fā)電機加負載后電壓將跌落很大。
1.2.2電流補償為了改善發(fā)電機帶負載能力，系統(tǒng)增加了負載電流補償。電流補償，指發(fā)電機負載電流變化后保持發(fā)電機輸出電壓基本穩(wěn)定的過程。電流補償，通過反映負載的電流作用于諧振式相復勵系統(tǒng)實現(xiàn)。
基本原理是：發(fā)電機負載運行，負載電流增加/減少，會導致發(fā)電機電壓隨之降低/升高；反映負載大小的電流，經(jīng)T1、T2、T3產(chǎn)生；反映發(fā)電機電壓的電流，經(jīng)電抗器L1、C1、變壓器T6產(chǎn)生；二者在變壓器T6的付邊矢量疊加，通過整流橋V1，使F1、F2接線端勵磁電流增大/減小，發(fā)電機電壓隨之上升/下降，從而保持發(fā)電機輸出電壓基本穩(wěn)定。 但是，相復勵系統(tǒng)的檢測信號（發(fā)電機電流和功率因數(shù)）與被調(diào)節(jié)信號（發(fā)電機電壓）不一致，是開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；而且各發(fā)電機調(diào)壓特性曲線斜率不一致又無法調(diào)整，無法實現(xiàn)電壓精調(diào)，并聯(lián)供電需設(shè)置均壓線才能均分無功功率。電壓精調(diào)電壓精調(diào)，指按照發(fā)電機的電壓偏差進行調(diào)整。