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西门子同步发电机输出电压的控制系统工作原理
西门子同步发电机输出电压的调控
调控的目的就是实现在西门子同步发电机额定负荷范围内稳住输出电压。调控技术的理念是实时地从主发电机电枢取得电压和电流,经整流和负反馈调理后供给励磁机的定子线圈,使其产生变化规律与主发电机输出电压变化规律相反的直流电磁场,这个磁场也必然使励磁机转子电枢的输出电压及旋转整流器供给主发电机转子线圈的直流电流按同样的规律而变化。从而起到实时调节主发电机转子磁场大小,使主发电机在额定负荷范围内保持良好输出特性的作用。
对西门子发电机输出电压的调节过程,可以用以下的流程表示;
由于负荷增加使主发电机电枢电压↓(降) →经负反馈调理后励磁机定子电流及磁场↑→励磁机转子电枢输出电压↑→旋转整流器输出电流↑→主发电机转子磁场↑→使主发电机电枢电压↑
若主发电机电压升高,则其反馈调控使以上各环节作用降低,导致电压回到额定值。
可见通过励磁机实时调控主发电机转子磁场的大小,就可以稳住输出电压。这其中起重要作用的是负反馈调节单元,通常称其为恒压励磁装置和自动电压调节器。
供给主发电机转子的励磁电流变小,则主发电机因其转子磁场的减小而使输出电压降低。反之,AVR的负反馈调控功能就会使主发电机的输出电压升高。
3 同步发电机的维护
同步发电机是柴油发电机组的关键部分。为柴油发电机组建立一个合适的工作环境,做好日常维护是十分必要的。
发电机房内的高温、潮湿和空气污染物是引起发电机故障的最常见因素。粉尘、灰尘和其它空气污染物的积累会引起绝缘层的性能变坏,不仅易形成对地的导电通路,还会使转子轴承部分的摩擦力增大而发热。湿气以及空气污染物中的湿气极易在发电机内形成对地的漏电通路,引起发电机故障。机房内温度过高会使发电机组工作时产生的热量难以散出,造成其输出功率下降、机组过热。所以机房的防尘、防潮湿、通风降温就必须引起足够的重视。
无论是单轴承发电机还是双轴承发电机,它们的转子轴与柴油发动机主轴之间连接的同轴度要求很高。长时期运行后的机组有时同轴度可能降低,导致发电机燥声增
1、结构
西门子同步发电机主要由定子、转子和其他部件组成。定子部分包括定子铁芯、定子绕组、机座；转子部分包括转子铁芯、励磁绕组和滑环(隐极式转子还有套箍、心环，凸极式转子有磁极、磁轭、转子支架)；其他部件包括电刷装置、端盖、轴承和风扇等。
2、工作原理
同步发电机是根据电磁感应原理工作的，它通过转子磁场和定子绕组的相对运动，将机械能转变为电能。当转子在外力带动下，转子磁场和定子导体作相对运动，即导体切割磁力线，因此在导体中产生感应电动势，其方向可根据右手定则判定。由于转子磁极的位置使导体以垂直方向切割磁力线，所以此时定子绕组中的感应电动势最大。当磁极转过90度后。磁极成水平位置，导体不切割磁力线，其感应电动势为零。转子再转90度，定时定子绕组又以垂直方向切割磁力线，使感应电动势达到最大值，但方向与前相反。当转子再转90度，感应电动势又变为零。这样转子转动一周，定子绕组的感应电动势也发生正、负变化。如果转子连续匀速旋转，在定子绕组中就感应出一个周期性不断变化的交变电动势。 二、故障诊断与排除方法
1、发电机过热
(1)发电机没有按规定的技术条件运行，如定子电压过高，铁损增大；负荷电流过大，定子绕组铜损增大；频率过低，使冷却风扇转速变慢，影响发电机散热；功率因数太低，使转子励磁电流增大，造成转子发热。应检查监视仪表的指示是否正常。如不正常，要进行必要的调节和处理，使发电机按照规定的技术条件运行。
(2)发电机的三相负荷电流不平衡，过载的一相绕组会过热；若三相电流之差超过额定电流的10%，即属于严重蛄相电流不平衡，三相电流不平衡会产生负序磁场，从而增加损耗，引起磁极绕组及套箍等部件发热。应调整三相负荷，使各相电流尽量保持平衡。
(3)风道被积尘堵塞，通风不良，造成发电机散热困难。应清除风道积尘、油垢、使风道畅通无阻。
(4)进风温度过高或进水温度过高，冷却器有堵塞现象。应降低进风或进水温度清除冷却器内的堵塞物。在故障未排除前，应限制发电机负荷，以降低发电机温度。
(5)轴承加润滑脂过多或过少，应按规定加润滑脂，通常为轴承室的1/2~1/3(转速低的取上限，转速高的取下限)，并以不超过轴承室的70%为宜。
(6)轴承磨损。若磨损不严重，使轴承局部过热；若磨损严重，有可能使定子和转子摩擦，造成定子和转子避部过热。应检查轴承有无噪音，若发现定子和转子摩擦，应立即停机进行检修或更换轴承。
(7)定子铁芯绝缘损坏，引起片间短路，造成铁芯局部的涡流损失增加而发热，严重时会使定子绕组损坏。应立即停机进行检修。
(8)定子绕组的并联导线断裂，使其他导线的电流增大而发热。应立即停机进行检修。
2、发电机中性线对地有异常电压
(1)正常情况下，由于高次谐波影响或制造工艺等原因造成各磁极下的气隙不均、磁势不等而出现的很低电压，若电压在一至数伏，不会有危险，不必处理。
(2)发电机绕组有短路或对地绝缘不良，导致电设备及发电机性能变坏，容易发热，应及时检修，以免事故扩大。
(3)空载时中性线对地无电压，而有负荷时出现电压，是由于三相不平衡引起的，应调整三相负荷使其基本平衡。
3、发电机电流过大
(1)负荷过大，应减轻负荷。
(2)输电线路发生相间短路或接地故障，应对线路进行检修，故障排除后即可恢复正常。
4、发电机端电压过高
(1)与电网并列的发电机电网电压过高，应降低并列的发电机的电压。
(2)励磁装置的故障引起过励磁，应及时检修励磁装置。
5、功率不足
由于励磁装置电压源复励补偿不足，不能提供电枢反应所需的励磁电流，使发电机端电压低于电网电压，送不出额定无功功率，应采取下列措施：
(5)发电机内部进入金属异物，在检修发电机后切勿将金属物件、零件或工具遗落到定子膛中；绑紧转子的绑扎线、紧固端部零件，以不致发生由于离心力作用而松脱。
(6)过大电压击穿：1)线路遭受雷击，而防雷保护不完善。应完善防雷保护设施。2)误操作，如在空载时，将发电机电压升得过高。应严格按操作规程对发电机进行升压，防止误操作。3)发电机内部过电压，包括操作过电压、弧光接地过电压和谐振过电压等，应加强绕组绝缘预防性试验，及时发现和消除定子绕组绝缘中存在的缺陷。
7、定子铁芯松驰
由于制造装配不当，铁芯没有紧固好。如果是整个铁芯松驰，对于小型发电机，可用两块小于定子绕组端部内径的铁板，穿上双头螺栓，收紧铁芯。待恢复原形后，再将铁芯原来夹紧螺栓紧因。如果局部性铁芯松弛，可先在松弛片间涂刷硅钢片漆，再在松弛部分打入硬质绝缘材料即可。
8、铁芯片间短路
(1)铁芯叠片松弛，当发电机运转时铁芯产生振动而损坏绝缘；铁芯片个别地方绝缘受损伤或铁芯局部过热，使绝缘老化，就按原计划条中的方法进行处理。
(2)铁芯片边缘有毛刺或检修时受机械损伤。应用细锉刀除去毛刺，修整损伤处，清洁表面，再涂上一层硅钢片漆。
(3)有焊锡或铜粒短接铁芯，应刮除或凿除金属熔接焊点，处理好表面。
(4)绕组发生弧光短路，也可能造成铁芯短路，应将烧损部分用凿子清除后，处理好表面。
9、发电机失去剩磁，起动时不能发电
(1)停机后经常失去剩磁，是由于励磁机磁极所用的材料接近软钢，剩磁较少。当停机后励磁绕组没有电流时磁场就消失，应备有蓄电池，在发电前先进行充磁。
(2)发电机的磁极失去磁性，应在绕组中通入比额定电流大的直流电流(时间很短)进行充磁，即能恢复足够的剩磁。
10、自动励磁装置的励磁电抗器温度过高
(1)电抗器线圈局部短路，应检修电抗器。
(2)电抗器磁路的气隙过大，应调整磁路气隙。
11、发电机起动后，电压升不起来
(1)励磁回路断线，使电压升不起来。应检查励磁回路有无断线，接触是否良好。
(2)剩磁消失，如果励磁机电压表无批示说明剩磁消失，应对励磁机充磁。
(3)励磁机的磁场线圈极性接反，应将它的正、负连接线对换。
(4)在发电机检修中做某些试验时误把磁场线圈通以反向直流电，导致剩磁消失或反向，应重新进行充磁。
发电机励磁电流的调节过程
△ 由副励磁机——可控硅——AVR调节器——作为主励磁机定子励磁电流——来调节主励旋转电枢的输出电流——送至旋转整流盘——转子绕组
△ 静止的永励副励磁机的电枢送出400Hz的电源，通过励磁电压调节器中的三相全控桥式可控硅整流器形成可调的直流电源到交流励磁机的磁场绕组。
通过控制全控桥整流器的导通角来调节交流励磁机的磁场电流，从而达到调节发电机励磁电流的目的。
当DAVR故障时，由厂用电经工频手动励磁调节装置整流后提供。发电机励磁。
工作原理
发电机的励磁电流由交流励磁机经旋转整流盘整流后提供，交流励磁机的励磁电流则由永磁机经调节装置中 的可控硅全控桥整流后提供，励磁电流的大小由自励磁调节装置进行自动或手动调节，以满足发电机运行工况的要求。
2.3 无刷励磁系统特点
2.3.1 励磁机与发电机同轴，电源独立，不受电力系统干扰
2.3.2 没有滑环和电刷，根除了碳粉污染，噪音低，维护简单
2.3.3 具备高起始、响应持久、能有效地提高电力系统稳定性
2.3.4 选扎整流盘设计合理、电流和电压余量大，运行可靠
2.3.5 采用双重数字AVR、功能齐全、故障追忆功能强
无刷励磁系统原理框图
整流盘及电路
整流盘采用双盘结构，一个正极盘，另一个负极盘。
整流盘与转轴间绝缘可靠、固定合理，能承受各种短路力矩的冲击而不产生位移。
电路接线是：励磁机电枢八个Y支路中心点通过短路环连接在一起形成公共中心点，八个“Y”支路的出线则分别接一个全波整流桥，它们在直流侧正极性和负极性分别在一起，而后送发电机转子，可称为多支路直流侧并联接线方式，着接线方式可确保各“Y”支路旋转整流管之间均良好。
每个“Y”支路每整流臂有二个整流管，一个电容器和一个保护电容器的小熔断器，它们组装为一体，称为整流组件。另外还有二个主熔断器，主熔断器的端面带有机械熔断器指示器，在电机运转时，当熔丝熔断后，这种指示器弹出，用同步频闪仪能观察到二极管和主熔断器的参数。
主熔断器：电流 670A 电压 850V
二极管：R6LO—40型平板式元件 电流400A
反向峰压2000V
见图（二）
2.4 数字式励磁电压调节器（DAVR）
DAVR采用进口三菱公司的用于无刷励磁系统的全双通道数字式励磁电压调节装置MEC5230、DAVR按发电机机端和电网的工况自动地调整发电机的励磁，一旦发电机或励磁系统出现异常，可借助于多种限制功能单元，及时对异常工况限制或发出切机信号，使机组脱离电网并灭磁！
2.4.1 DAVR主要性能：
(a) 自动调节范围（恒电压模式）
发电机空载工况：10%~110%额定电压
发电机负载工况：95%~105%额定电压
(b) 手动调节范围（恒磁场电流模式）
发电机空载工况：10%~110%额定电压
发电机负载工况：允许达到110%发电机额定磁场电压（在额定负载和额定电压运行时）
(c) 调压精度：＜±1%
(d) 采样固期：20ms
2.4.2 DAVR工作原理：
DAVR控制方式：DAVR提供二种控制方式：发电机恒机端电压控制和恒励磁机磁场电流控制。
(a) 发电机恒机端电压控制：这种方式与常规AVR自动工作方式一样，通过控制发电机的磁场电流使发电机的端电压与电压整定器（90k）的整定值相同，发电机端电压保持恒定值。
(b) 恒磁场电流控制：这种方式相当于常规的手动工作。通过励磁机磁场电流反馈使发电机磁场电流保持恒定，从而达到发电机磁场电流恒定。
工作：
（1） 恒电压控制：
发电机机端电压和电流通过三相PT和CT，辅助PT和CT以及模拟式滤波器输入到A/D转换器，A/D转换器将模拟量转换为数字量，同时，幼功（P）、无功(Q)、端电压（Vt）和电流（Ia）通过计算机被检测。
端电压信号与电压整定器（90k）的偏差信号通过增益/相位补偿器和控制系统的可条节元件的限制功能级，触发脉冲发生级产生对应这信号的相控制脉冲，控制可控硅的输出。
（2） 恒磁场电流控制：
手动电压整定器（70E）的整定值与通过A/D转换所获得的磁场电流（If）的偏差信号输出到触发脉冲输出级，产生对应这偏差的控制脉冲，控制可控硅的输出。在这控制环节中形成磁场电流的闭环控制，从而达到控制磁场电流在某一恒定值。
3． 氢气系统
3.1 氢气系统功能
3.1.1 以CO2为中间介质，实现发电机气体置换。
3.1.2 自动维持发电机内的氢压
3.1.3 自动监测机内气体参数（氢压温度和纯度）及运行工况
3.1.4 通过氢气干燥器连干燥机内氢气，维持机内氢气低温度。
3.2 系统简介：
氢系统由运行和检测两部分组成正常运行时，纯度要求≥95%，在额定氢压下机内允许湿度露点为≤-5℃（≤3.25g/m3）这可通过控制氢源湿度、润滑油含水量及发电机氢系统培植的氢气干燥器来保证。
3.2.1 运行部分：供CO2、H2装置、氢气压力控制装置充排氢阀门组、氢气干燥器等。
3.2.2 检测部分、氢气纯度变送装置、浮子检漏计、发电机局部过热检测装置、氢油水工况检测柜等。
3.3 氢气系统主要部件简介
3.3.1 氢气干燥器：氢气干燥器为冷凝式干燥器。
冷凝式干燥器是利用制冷机将氢气温度降低到-10~ -15℃左右，使氢气中的水分饱和析出并可以霜的形式凝结在蒸发器表面。当霜结到一定的程度时，需停机化霜。为了提高脱水效果，可用二台冷凝式干燥器并联运行，一台干燥，一台化霜，交替运行。
3.3.2 发电机机内局部过热检测装置
该装置的作用是监测机内是否有局部过热现，其基本原理是定子铁心表面和线棒表面的绝缘漆温度达到一定程度（约200℃）时，就会引起热分解，从而产生大量高浓度超微粒子。当粒子随氢流入该装置内离子室时，会被大量吸附，从而改变装置原先在正常情况下的输出电流，使之大大下降，从而发出报警信号，可及早发现事故隐患。
3.3.3 液体检漏器
液体检漏器是指装在发电机机壳和主出线盒下面的浮子控制开关，其可指示出发电机里可能存在的冷却器漏出或冷凝成的任何液体。在机壳的底部，每端机壳端环上没有开口，将收集起的液体排到液体检漏器。
3.3.4 发电机漏点检测
3.3.4.1 发电机气密试验额定压力0.4mpa时，≤2.1米/3天
L=0.0023VP/T 20℃时 环境温度
L——发电机的泄露量 单位：立方米/天
V——发电机容积 单位：立方米
P——保压期间机内压力变化量 单位：毫米水柱
T——保压时间 单位：小时
保压时间不少于4h 推荐为24h
3.3.4.2 漏点、检测
如果泄露量超过规定的限值，就应该用肥皂液拉开粉溶液或卤素检漏仪进行系统检查。一般肥皂液或拉开粉溶液用于初检，而卤素检漏仪用语精检。
发电机和氢系统中凡有电气信号输入和输出以及有绝缘要求的部位，如接线端子、出线瓷瓶及测温元件因出导线等不能用肥皂液检漏，而只能用卤素检漏仪检漏。拉开粉溶液精度高于肥皂液，相当于卤素检漏仪 的末级精度，液体检漏仪必须、在0.1Mpa和额定氢压的压力下各做一次。
卤素检漏仪检漏
我厂采用日本东芝公司的HAL—8型卤素检漏仪，灵敏度分六档，最高灵敏度档可测出卤素气体以百万分之一毫升每秒漏出时的泄露量；而取最低灵敏度档也可测出百万分之一毫升/秒的泄露量 。
发电机气密试验时里面充的空气，用卤素检漏仪漏前，发电机内必须充有氟利昂（F12）气体，本数量配比为70克/立方米，但F12不能和H2混合，否则将是一种有毒的混合气体。
卤素检漏仪重点、检测部位：机座端盖、
出线盒、转子引线、管道、阀门、氢气干燥器和氢气纯度、检测变送装置等。
4. 密封油系统
4.1 功能特点：
a． 向密封瓦提供二个独立循环的密封油源，防止发电机内压力气体沿转轴逸出。
b． 保证密封油油压始终高于机内气体压力某一个规定值，并确保密封瓦内氢侧与空侧油压维持相等其差压限定在允许变动的范围之内。
c． 通过热交换器冷却密封油，从而带走因密封瓦与轴之间的摩擦损耗而产生的热量，确保瓦温与油温控制在要求的范围之内。
d． 通过滤波器去除油中杂物，保证密封油的清洁度。
e． 通过发电机消泡箱和氢侧回油控制箱，释放掉溶于密封油中的饱和氢气。
f． 空侧油路有多路备用油源，以确保发电机安全连续运行。
g． 利用差压控制器，压力控制器及差压变送器等，自动监测密封油系统的运行。
h． 空氢侧各装有一套加热器，以保证密封油的运行油温始终保持于所要求的范围之中。
i． 密封油系统大部分集中安装于一块底板中，便于运行巡检的维护。
4.2 主要部件简介:
4.2.1 消泡箱
从密封瓦氢侧出来的油先流入到消泡箱中，在那里气体得以从油中扩容逸出。消泡箱装于发电机下半端盖中，通过直管溢流装置，使箱中的油位不至于过高。消泡箱 汽励端各装有一个，在他们之间的连接管道上装有-U形管，以防二侧风扇差压不一致使油烟在发电机内循环流动。
4.2.2 密封油泵
氢空侧、交直流、共四台、螺杆式恒流泵。
4.2.3 密封油备用油源
空侧：第一备用——气轮机高压备用油源。第二备用——空侧直流备用泵和第三备用——气轮机低压润滑油源
氢侧：当交流泵两端压降下降到0.035MPa 时，报警并自动起动直流备用油泵，使氢侧密封油压恢复正常。
4.2.4 冷油器
由于密封油空、氢侧各自独立，因此冷油器也分开关均为卧式管壳型，内部为浮动式管板结构，壳侧通热油，管侧通冷却水。
5. 定子水冷系统
5.1 系统的特点及功能简介：
5.1.1 采用冷却水通过定子线圈空心导线，将定子线圈损耗产生的热量带出发电机。
5.1.2 用水冷却器带走冷却水从定子线圈吸取的热量。
5.1.3 系统中没有过滤器以除去水中的杂质。
5.1.4 用旁路式离子交换器对冷却水进行软化，控制其电导率。
5.1.5 使用监测仪表及报警器件等设备对冷却水的电导率、流量、压力及温度等进行连续的监控。
5.1.6 具有定子线圈反冲洗功能，提高定子线圈冲洗效果。
5.1.7 水系统中的所有管道及与线圈冷却水接触的元器件均采用抗腐蚀材料。
5.2 系统主要部件简介
5.2.1 水箱：是闭路循环水系统中的一个储水容器，定子线圈的出水首先进入水箱，回水中如含有微量的氢气可在水箱内释放。当水箱内气压高于一定值时，可通过水箱上的安全阀自动排气。水箱装有液位控制器用于自动控制补水以保持箱内正常的液位水平及对过高或过低的液位发出报警，水箱上还配有玻璃管液位计，用以目测观察水箱液位水箱为带氢设备？因为由于少量高压氢气可渗过聚四氟乙烯绝缘引水管而进入定子水系统中，最终汇集于水箱上部。水箱内还装有蒸气加热装置，以便在机组升压和投入运行之前对定子线圈内部的循环水进行加热，从而杜绝线圈表面结露现象的产生。加热蒸气为电厂杂用蒸气压0.8~1.3Mpa，温度约320 ℃，水箱检修完毕后，需做水压试验。
5.2.2 水泵
装有两台互为备用的离心式水泵，装有电气连锁。
5.2.3 水冷却器
水系统中装有两台并联的水冷却器，每台承担冷却器可承担发电机100%所需的热交换功率，正常一台运行，另一台备用。
5.2.4 水过滤器：系统中装有两台并联的水过滤器，正常情况下，一台运行一台备用。
5.2.5 离子交换器
水系统的功能之一是保持进入定子线圈的冷却水处于合适的低电导率值，这是因为定子绝缘引水管须承受定子线圈对地电压。
5.2.6 氮气压力系统：
水系统水箱是密闭的，在水箱液位以上的空间应充有一定压力的氮气，以隔绝空气对水质的不良影响，压力由氮气减压器自动稳定在4KPa。
5.2.7 补充水系统
水系统的补充水来源于锅炉的凝结水系统或除盐水系统，补充水依序通过补水过滤器，减压阀，电磁阀（或旁路阀）流量开关和离子交换器，然后进入水箱。
5.2.8 电导率仪
定子线圈冷却水的电导率由三个电导率仪来检测，其中两个串联地安装在定子线圈主水管路的[旁路上，用于监测主水路的电导率，一个安装在离子交换器的出水管路上。
5.2.9 气表
定子水箱的排气管道上装有气表（煤气表）监测并记录从水箱排出气体的数量，正常运行约有50~150升氢气/每天，通过绝缘引水管汇集到水箱，当流过气表的流量明显增大并伴有发电机补氢量增加时，提示定子内冷水路可能有泄露。
