HFC6 船用无刷发电机励磁系统故障分析
黄平
摘要：本文分析了HFC6船用无刷同步发电机励磁系统工作原理，结合该励磁系统结构特点介绍了一起较典型的因励磁电流不足导致发电机输出电压降低的故障分析和处理方法，提出了针对该类发电机日常维护管理的要点。
关键词：船舶发电机 励磁系统 故障处理
1 概述
HFC6船用无刷发电机由韩国现代电气工程有限公司（Hyundai Electrical Engineering Co. Ltd.）采用西门子技术生产制造，其性能指标及工作原理与同年代我国无锡电机厂（现无锡汾锡电机有限公司）按西门子专利许可制造的1FC5、1FC6基本一致。由于该类型发电机具有技术先进、运行可靠、维护管理简单等特点，受到船东和船舶管理公司的青睐，在上世纪90年代广泛应用于韩国建造的各类船舶上。目前我公司有2艘1995年韩国建造的4 960总吨392TUE集装箱船舶装备了该类型发电机，作为船舶主发电机。随着使用年限的增加，该类型发电机的故障逐渐增多，一些隐性的缺陷也开始显现，本文以HFC6 456-84K船舶发电机为研究对象，介绍一起较典型的励磁系统故障处理方法与日常维护管理要点，以供同行借鉴。HFC6 456-84K船舶发电机主要参数如表1所示。
表1发电机主要参数
序号 参数名称 参数值
序号 参数名称 参数值
1 额定容量 500KVA
2 额定转速 900r/min
3 额定电压 445V
4 额定电流 648.7A
5 额定频率 60Hz
6 功率因数 0.8（感性）
7 绝缘等级 F级
2 励磁系统基本原理
HFC6 456-84K 船用无刷同步发电机励磁系统如图1所示，G1发电机，G2同轴励磁机，A1电压调整器，L1线性电抗器，T1、T2、T3为单相电流互感器，T4压降补偿中间电流互感器，T6整流变压器，C1、C2、C3谐振电容器，V28励磁分流可控硅，R48串联限流电阻，V29静止整流模块，V2旋转整流器，U压敏电阻。
发电机组启动后，残留在发电机转子铁芯磁极上的剩磁与定子三相绕组相互作用，在定子三相绕组上产生较小的剩磁三相交流电压Us。该电压作为发电机调压装置的自励分量 Lu，经L1线性电抗器降压和移相后输入到T6整流变压器，经整流变压器电磁耦合，输出至V29静止整流模块整流。静止整流模块输出的直流励磁电压加载给予发电机同轴的交流励磁机G2的定子励磁绕组，交流励磁机转子绕组上便产生相应的三相交流电压。励磁机输出电压经V2旋转整流器整流后，形成发电机的励磁电压供给发电机G1转子励磁绕组。在此励磁电压作用下，发电机的定子绕组产生更高的三相交流电压。这种正反馈的作用使发电机输出电压迅速上升到空载特性曲线1和励磁特性曲线2的交汇点A，如图2所示，也即额定电压Ue （445V），从而完成发电机的自励起压过程。
图2 励磁系统自励起压过程
电容C1、C2、C3在系统中的作用是：在发电机运行于0.9额定频率附近的起压阶段，通过LC串联电压谐振作用，增大输入整流变压器的电压，使图2中的励磁特性曲线2右移，成为特性曲线3，从而快速越过B、C点，以避免电压稳定在该两点上，使发电机迅速起压。电压增大到一定值后，由于非线性阻抗迅速减小，励磁特性曲线又逐步恢复到特性曲线2上。
T1、T2、T3单相电流互感器将发电机的各相负载电流，即发电机的复励分量 Li输送至整流变压器复励绕组，复励分量 Li作为发电机电枢反应去磁效应和内阻抗压降的补偿，在整流变压器上与自励分量 Lu进行电磁（磁势）矢量叠加、耦合后经整流变压器输出绕组输出，共同加载给发电机的励磁系统，从而完成发电机的相复励调压。整流变压器在其中的作用是对电压和电流进行变换，通过电磁综合电压和电流分量，同时隔离励磁电路和发电机主回路。利用等值电路分析，可以画出相位和电流补偿时静止整流模块V29交流侧励磁电流 L的矢端轨迹，如图3所示。
图3交流侧励磁电流I的矢端轨迹图
在进行等值电路分析时，我们是用变换到副边的电流相迭加的方法来得到 L的，这只是一种分析、计算的方法，实际上两分量只有电磁联系而没有电的联系，计算分析方法中等值电路中的那些电流实际上都是磁势的表征，它的迭加实际上也是磁势的迭加，即电压与电流分量是通过电磁关系而迭加的，如图4所示。
图4相复励系统磁势迭加矢量图
电磁叠加相复励调压系统具有电流补偿和相位补偿功能，由于调压和发电机电压的变化几乎是同时进行的，因此调压动作速速，动态特性好，能满足对发电机电压的动态调整率要求。
发电机的静态电压调整主要由图1中的A1电压调整器来完成的，其调节原理：发电机的输出电压经A1电压调整器的1、3端引入，与电压调整器A1中设置的基准电压进行比较，差值经电压调整器A1中的积分比例单元电路放大后去控制可控硅的触发单元。触发单元则根据差值信号的大小和方向控制可控硅V28的导通角，以调节发电机励磁电流分流作用的大小，达到输出电压精调的目的。电压调整器A1和分流可控硅V28共同作用，来满足发电机输出电压的静态调整率。电压调整器A1在系统中的实际功能就是一个电压校正器，理论上静态电压可以做到无差调节。
为了使发电机能并联运行，励磁系统中增加了一个压降补偿电流互感器T4，其功能是与电压调节器A1中的专设元器件共同作用，来保证发电机输出外特性曲线有一定的斜率，即对输出电压进行调差。
R48在可控硅回路中进行限流，保护可控硅不受过电流的冲击。旋转整流器电路中的电容C和压敏电阻U防止瞬间过高的励磁电压对旋转整流器V2的冲击。
3 励磁系统故障现象与检查
2013年3月10日，某轮海上航行中准备对正在运行的1#辅机进行常规检修，便启动2#发电机组。运行15分钟后成功并网，并在负载转移后将1#发电机解列。此时，发现2#发电机电压突然由445V降到400V左右，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。值班人员随即通知驾驶台停主机及相关辅助设备。这些操作完成后，发现2#发电机电压回升至410V左右，船舶电气管理人员卸载部分负荷后迅速将2#主开关分闸，同时合上1#主开关，启动相关辅助设备，待恢复主机动力及正常航行后，船舶电气管理人员查看2#发电机，电压又恢复到445V。为安全起见，船舶使用1#发电机直至靠港，同时将故障情况E-MAIL报公司，寻求岸基支持。
船舶靠妥码头后，笔者上船对2#发电机调压系统进行了全面检查，发电机各接线未发现有松动及脱落现象。检查电压调整器A1板子，也未发现有明显的烧灼和脱焊假焊痕迹。进一步检查励磁控制系统的各整流设备及其他部件，也未发现有异常，检查中仅发现静止整流器模块环氧封装面上有一条裂缝，见图5。
图5 静止整流器模块
随后启动2#发电机，将转速调到额定转速，电压为445V，将2#发电机并网，转移功率后分闸1#主开关。2#发电机电压再次降至415V左右，此时发电机频率为60Hz，功率为50kW，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。
4 励磁系统故障分析与处理
在上述故障现象检查的基础上，对故障进行了分析。首先空载电压正常，说明发电机的自励部分及相关设备工作是正常的；发电机加上正常航行功率120kW，电压下降到400V左右，切断为主机服务的辅助设备后，电压略有上升为415V左右，说明发电机的电压是随着负荷的增加而下降的。因此，判断故障应发生在复励部分和电压调整器A1主板及整流器部分。根据以往经验，在本发电机的励磁系统中，比较容易发生故障的是电压调整器主板及整流器部分。电压调整器主板发生故障，有可能发出错误的调压信号，导致电压错调。整流模块元器件老化，有可能发生元器件可逆性击穿现象，即元器件在一定的端电压下能正常工作，但当端电压超越该值后发生击穿类似于稳压管的反向工作特性，当端电压恢复到该值以下后又恢复原先的特性，故此我把它定义为元器件的可逆性击穿。整流元器件的可逆性击穿故障，笔者曾在二十几年前的原装西门子IFC4发电机故障中碰到并处理过。相对而言，发生在T1、T2、T3单相电流互感器及T6整流变压器的概率较小。
本发电机调压系统中更换电压调整器A1主板（全插件式）和整流器模块还是比较方便的，因此我们首先考虑更换整流器模块。旋转整流器虽然运行环境较恶劣，但由于励磁电压低，整流元件超配容量大，发生损坏的概率较小，以往的管理中也较少发生这类情况，为此我们决定先更换静止整流器模块V29，况且它环氧封装面上已有一条裂缝。
但更换备用静止整流模块V29后开机试车，故障如前。然后，更换备用电压调整器A1主板，换妥后启动发电机组试车，发电机故障依旧。
进一步检查旋转整流器和T1、T2、T3单相电流互感器及整流变压器T6接线，外部连接线正常。然后将各线逐步拆除检查电流互感器T1、T2、T3和整流变压器T6，发现T3电流互感器次级绕组回路不通，拆卸下T3电流互感器检查，发现互感器引线至接线桩处断裂。对断线处重新进行了焊接处理后，将T3电流互感器装复。检查确认各拆接线连接无误后，开机试车，发电机恢复正常。我们将原更换下的静止整流模块V29和电压调整器A1主板等备件换回发电机，进行试验，发电机运行正常。由此我们确认故障是由T3电流互感器次级绕组引线处断裂所致。
5 管理中应注意的问题
对故障电流互感器T3检查发现，引线断裂处应该在生产时就存有瑕疵，经过这么多年的使用，瑕疵处不断被氧化，最终导致断裂。但由于该设备安装在发电机输出接线铜排的下端半封闭位置处，见图6，平时检查一般不会检查到这一步，发电机进厂进行预防性修理时也常常会被忽略。由设备老化和疏于检查导致的这一故障，提醒我们船舶发电机进厂进行预防性修理时，对平时容易被忽略的检查部位和项目有必要做细致的检查，尽可能将故障隐患消除在萌芽状态，从而控制和降低船舶的营运风险。
图6 电流互感器T1、T2、T3安装位置
船舶电气管理人员具备一定的专业知识是相当重要的，公司已在该船舶储备了足够的更换备件，船舶电气管理人员应有能力对这类故障进行自修处理，但该轮电气管理人员由于缺乏这方面的技能，致使船舶一台发电机运行到靠港，船舶和公司均承担了很大的风险。因此在船舶电气管理人员队伍整体技能滑坡的今天，加强对船舶电气管理人员上岗前的技能审核，培养在职船舶电气管理人员的责任意识和综合职业素养是十分重要的，也是十分必要的。在船舶电气管理人员技能培训、岗位收入等环节增加必要的投入，是确保航运企业船舶营运安全的有效途径之一。
参考文献
[1] 黄伦坤，朱正鹏，刘宗德。船舶电站及其自动装置[M]。北京：人民交通出版社，1981
[2] HFC6 456-84K船用无刷同步发电机使用手册
摘要：本文分析了HFC6船用无刷同步发电机励磁系统工作原理，结合该励磁系统结构特点介绍了一起较典型的因励磁电流不足导致发电机输出电压降低的故障分析和处理方法，提出了针对该类发电机日常维护管理的要点。
关键词：船舶发电机 励磁系统 故障处理
1 概述
HFC6船用无刷发电机由韩国现代电气工程有限公司（Hyundai Electrical Engineering Co. Ltd.）采用西门子技术生产制造，其性能指标及工作原理与同年代我国无锡电机厂（现无锡汾锡电机有限公司）按西门子专利许可制造的1FC5、1FC6基本一致。由于该类型发电机具有技术先进、运行可靠、维护管理简单等特点，受到船东和船舶管理公司的青睐，在上世纪90年代广泛应用于韩国建造的各类船舶上。目前我公司有2艘1995年韩国建造的4 960总吨392TUE集装箱船舶装备了该类型发电机，作为船舶主发电机。随着使用年限的增加，该类型发电机的故障逐渐增多，一些隐性的缺陷也开始显现，本文以HFC6 456-84K船舶发电机为研究对象，介绍一起较典型的励磁系统故障处理方法与日常维护管理要点，以供同行借鉴。HFC6 456-84K船舶发电机主要参数如表1所示。
表1发电机主要参数
序号 参数名称 参数值
序号 参数名称 参数值
1 额定容量 500KVA
2 额定转速 900r/min
3 额定电压 445V
4 额定电流 648.7A
5 额定频率 60Hz
6 功率因数 0.8（感性）
7 绝缘等级 F级
2 励磁系统基本原理
HFC6 456-84K 船用无刷同步发电机励磁系统如图1所示，G1发电机，G2同轴励磁机，A1电压调整器，L1线性电抗器，T1、T2、T3为单相电流互感器，T4压降补偿中间电流互感器，T6整流变压器，C1、C2、C3谐振电容器，V28励磁分流可控硅，R48串联限流电阻，V29静止整流模块，V2旋转整流器，U压敏电阻。
发电机组启动后，残留在发电机转子铁芯磁极上的剩磁与定子三相绕组相互作用，在定子三相绕组上产生较小的剩磁三相交流电压Us。该电压作为发电机调压装置的自励分量 Lu，经L1线性电抗器降压和移相后输入到T6整流变压器，经整流变压器电磁耦合，输出至V29静止整流模块整流。静止整流模块输出的直流励磁电压加载给予发电机同轴的交流励磁机G2的定子励磁绕组，交流励磁机转子绕组上便产生相应的三相交流电压。励磁机输出电压经V2旋转整流器整流后，形成发电机的励磁电压供给发电机G1转子励磁绕组。在此励磁电压作用下，发电机的定子绕组产生更高的三相交流电压。这种正反馈的作用使发电机输出电压迅速上升到空载特性曲线1和励磁特性曲线2的交汇点A，如图2所示，也即额定电压Ue （445V），从而完成发电机的自励起压过程。
图2 励磁系统自励起压过程
电容C1、C2、C3在系统中的作用是：在发电机运行于0.9额定频率附近的起压阶段，通过LC串联电压谐振作用，增大输入整流变压器的电压，使图2中的励磁特性曲线2右移，成为特性曲线3，从而快速越过B、C点，以避免电压稳定在该两点上，使发电机迅速起压。电压增大到一定值后，由于非线性阻抗迅速减小，励磁特性曲线又逐步恢复到特性曲线2上。
T1、T2、T3单相电流互感器将发电机的各相负载电流，即发电机的复励分量 Li输送至整流变压器复励绕组，复励分量 Li作为发电机电枢反应去磁效应和内阻抗压降的补偿，在整流变压器上与自励分量 Lu进行电磁（磁势）矢量叠加、耦合后经整流变压器输出绕组输出，共同加载给发电机的励磁系统，从而完成发电机的相复励调压。整流变压器在其中的作用是对电压和电流进行变换，通过电磁综合电压和电流分量，同时隔离励磁电路和发电机主回路。利用等值电路分析，可以画出相位和电流补偿时静止整流模块V29交流侧励磁电流 L的矢端轨迹，如图3所示。
图3交流侧励磁电流I的矢端轨迹图
在进行等值电路分析时，我们是用变换到副边的电流相迭加的方法来得到 L的，这只是一种分析、计算的方法，实际上两分量只有电磁联系而没有电的联系，计算分析方法中等值电路中的那些电流实际上都是磁势的表征，它的迭加实际上也是磁势的迭加，即电压与电流分量是通过电磁关系而迭加的，如图4所示。
图4相复励系统磁势迭加矢量图
电磁叠加相复励调压系统具有电流补偿和相位补偿功能，由于调压和发电机电压的变化几乎是同时进行的，因此调压动作速速，动态特性好，能满足对发电机电压的动态调整率要求。
发电机的静态电压调整主要由图1中的A1电压调整器来完成的，其调节原理：发电机的输出电压经A1电压调整器的1、3端引入，与电压调整器A1中设置的基准电压进行比较，差值经电压调整器A1中的积分比例单元电路放大后去控制可控硅的触发单元。触发单元则根据差值信号的大小和方向控制可控硅V28的导通角，以调节发电机励磁电流分流作用的大小，达到输出电压精调的目的。电压调整器A1和分流可控硅V28共同作用，来满足发电机输出电压的静态调整率。电压调整器A1在系统中的实际功能就是一个电压校正器，理论上静态电压可以做到无差调节。
为了使发电机能并联运行，励磁系统中增加了一个压降补偿电流互感器T4，其功能是与电压调节器A1中的专设元器件共同作用，来保证发电机输出外特性曲线有一定的斜率，即对输出电压进行调差。
R48在可控硅回路中进行限流，保护可控硅不受过电流的冲击。旋转整流器电路中的电容C和压敏电阻U防止瞬间过高的励磁电压对旋转整流器V2的冲击。
3 励磁系统故障现象与检查
2013年3月10日，某轮海上航行中准备对正在运行的1#辅机进行常规检修，便启动2#发电机组。运行15分钟后成功并网，并在负载转移后将1#发电机解列。此时，发现2#发电机电压突然由445V降到400V左右，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。值班人员随即通知驾驶台停主机及相关辅助设备。这些操作完成后，发现2#发电机电压回升至410V左右，船舶电气管理人员卸载部分负荷后迅速将2#主开关分闸，同时合上1#主开关，启动相关辅助设备，待恢复主机动力及正常航行后，船舶电气管理人员查看2#发电机，电压又恢复到445V。为安全起见，船舶使用1#发电机直至靠港，同时将故障情况E-MAIL报公司，寻求岸基支持。
船舶靠妥码头后，笔者上船对2#发电机调压系统进行了全面检查，发电机各接线未发现有松动及脱落现象。检查电压调整器A1板子，也未发现有明显的烧灼和脱焊假焊痕迹。进一步检查励磁控制系统的各整流设备及其他部件，也未发现有异常，检查中仅发现静止整流器模块环氧封装面上有一条裂缝，见图5。
图5 静止整流器模块
随后启动2#发电机，将转速调到额定转速，电压为445V，将2#发电机并网，转移功率后分闸1#主开关。2#发电机电压再次降至415V左右，此时发电机频率为60Hz，功率为50kW，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。
4 励磁系统故障分析与处理
在上述故障现象检查的基础上，对故障进行了分析。首先空载电压正常，说明发电机的自励部分及相关设备工作是正常的；发电机加上正常航行功率120kW，电压下降到400V左右，切断为主机服务的辅助设备后，电压略有上升为415V左右，说明发电机的电压是随着负荷的增加而下降的。因此，判断故障应发生在复励部分和电压调整器A1主板及整流器部分。根据以往经验，在本发电机的励磁系统中，比较容易发生故障的是电压调整器主板及整流器部分。电压调整器主板发生故障，有可能发出错误的调压信号，导致电压错调。整流模块元器件老化，有可能发生元器件可逆性击穿现象，即元器件在一定的端电压下能正常工作，但当端电压超越该值后发生击穿类似于稳压管的反向工作特性，当端电压恢复到该值以下后又恢复原先的特性，故此我把它定义为元器件的可逆性击穿。整流元器件的可逆性击穿故障，笔者曾在二十几年前的原装西门子IFC4发电机故障中碰到并处理过。相对而言，发生在T1、T2、T3单相电流互感器及T6整流变压器的概率较小。
本发电机调压系统中更换电压调整器A1主板（全插件式）和整流器模块还是比较方便的，因此我们首先考虑更换整流器模块。旋转整流器虽然运行环境较恶劣，但由于励磁电压低，整流元件超配容量大，发生损坏的概率较小，以往的管理中也较少发生这类情况，为此我们决定先更换静止整流器模块V29，况且它环氧封装面上已有一条裂缝。
但更换备用静止整流模块V29后开机试车，故障如前。然后，更换备用电压调整器A1主板，换妥后启动发电机组试车，发电机故障依旧。
进一步检查旋转整流器和T1、T2、T3单相电流互感器及整流变压器T6接线，外部连接线正常。然后将各线逐步拆除检查电流互感器T1、T2、T3和整流变压器T6，发现T3电流互感器次级绕组回路不通，拆卸下T3电流互感器检查，发现互感器引线至接线桩处断裂。对断线处重新进行了焊接处理后，将T3电流互感器装复。检查确认各拆接线连接无误后，开机试车，发电机恢复正常。我们将原更换下的静止整流模块V29和电压调整器A1主板等备件换回发电机，进行试验，发电机运行正常。由此我们确认故障是由T3电流互感器次级绕组引线处断裂所致。
5 管理中应注意的问题
对故障电流互感器T3检查发现，引线断裂处应该在生产时就存有瑕疵，经过这么多年的使用，瑕疵处不断被氧化，最终导致断裂。但由于该设备安装在发电机输出接线铜排的下端半封闭位置处，见图6，平时检查一般不会检查到这一步，发电机进厂进行预防性修理时也常常会被忽略。由设备老化和疏于检查导致的这一故障，提醒我们船舶发电机进厂进行预防性修理时，对平时容易被忽略的检查部位和项目有必要做细致的检查，尽可能将故障隐患消除在萌芽状态，从而控制和降低船舶的营运风险。
图6 电流互感器T1、T2、T3安装位置
船舶电气管理人员具备一定的专业知识是相当重要的，公司已在该船舶储备了足够的更换备件，船舶电气管理人员应有能力对这类故障进行自修处理，但该轮电气管理人员由于缺乏这方面的技能，致使船舶一台发电机运行到靠港，船舶和公司均承担了很大的风险。因此在船舶电气管理人员队伍整体技能滑坡的今天，加强对船舶电气管理人员上岗前的技能审核，培养在职船舶电气管理人员的责任意识和综合职业素养是十分重要的，也是十分必要的。在船舶电气管理人员技能培训、岗位收入等环节增加必要的投入，是确保航运企业船舶营运安全的有效途径之一。
参考文献
[1] 黄伦坤，朱正鹏，刘宗德。船舶电站及其自动装置[M]。北京：人民交通出版社，1981
[2] HFC6 456-84K船用无刷同步发电机使用手册
