科勒发电机操作故障排除及维修理论

科勒发电机操作故障排除及维修理论

20至300KW

科勒发电机

科勒公司于1976年推出FRⅠ快速响应发电机，其特点为采用了全新的励磁控制方式。这些年来，尽管元件的结构，位置与外观均有所变化，但在现在的FRⅡ快速响应发电机组上，基本概念仍然保持不变。

从它首先被应用于FRⅠ发电机开始，科勒的“Decision Maker”控制器也经历了许多结构上的变化。最初的固态“子母”板已经发展成了基于微处理器的控制器。科勒将继续提供运用了最新技术的发电机控制装置。

快速响应这个词指发电机对负载变动的响应能力。一般地，这种发电机从电压瞬变恢复的时间为0.05秒，而常规无刷型发电机为0.5秒甚至整整两秒钟。

由于两个时间延迟，常规无刷发电机响应时间不可避免的要慢——首先，励磁机在磁场激励时的响应滞后，其次，主发电机也有一个响应时间滞后。

通过用永磁体来替代绕制的励磁磁场，快速响应发电机消除了励磁延时。因此，在触发SCR（可控硅）模块时，励磁机能够直接给主发电机磁场满励。

常规发电机的励磁机电源是依赖于主发电机输出的。如果接在发电机上的外电路短路时，励磁电压将和线路电压一样下降。由于电压的减少，不能提供足够的电流以使故障回路中的断路器跳闸，因此将影响系统中的其他所有回路。由于快速响应励磁机采用了永久磁场，而不依赖于主发电机输出，从而在短路时可支持发电机的磁场。短路时至少300%额定电流的能力，可使故障回路断路器跳闸，从而在不破坏其他回路的前提下将故障回路从系统中切除。

对负载变动的响应 左边的示波器记录显示一台50KW常规无刷发电机从空载单步加载至满载，功率因数为0.8时的长时间电压降。右边记录显示一台50KW快速响应Ⅱ发电机运行在同样情况下时的恢复时间。快速的恢复（2周内）有助于电机起动能力并极大地减少因负载变动而产生的光线暗淡。

耐受短路电流能力 一台工作在满负荷下的发电机组3相对称短路——最严重的情况——显示在两示波器屏幕上。左边的轨迹显示工作在额定电流下的常规无刷发电机在短路时，由冲击电流逐渐减少至低于额定电流。右边屏幕上的轨迹显示的是额定值一样的快速响应Ⅱ发电机，工作在同样情况下，其电流升高至超出其额定水平，从而能够跳开支路断路器。

科勒发电机结构

产生交流输出的机械交流发电机要么是旋转电枢要么是旋转磁场型，都需要3种基本的东西：

    1．-导体

  2．-磁场

    3．-二者间的相对运动

1．导体是绕制在钢叠片槽中的铜导线即电枢，提供发电机输出电压。

2．磁场是由电磁铁产生的不可见的磁力线。

3．磁场与导体间的相对运动对在电枢中产生电流是必需的，通常由燃气发动机或柴油机提供。

旋转电枢科勒发电机

这种类型的发电机产生的交流输出是在旋转元件中产生的，需要滑环和电刷来将电流送至用户固定负载。磁场绕组是绕制在位于固定铁壳内的钢叠片块上。由于电刷的存在，这种发电机的规格限制在20KW以下。这种发电机不能在单相和三相电压间重新连接。

旋转磁场发电机

今天大多数备用发电机组中采用的发电机都是旋转磁场结构。磁极绕着电枢饶组旋转。由于电枢是固定的，因此不需要电刷来将交流电送至用户负载。固定电枢使绕组容易重新连接，从而可以得到不同的三相或单相电压。

这种发电机通常采用一小型的旋转电枢发电机来给主发电机磁场绕组提供励磁电源。该电源由一个二极管整流桥将交流变换成直流。这个电枢与主磁场同轴旋转，因此不需要滑环和电刷。由于这种励磁发电机的磁场绕组是固定的，因此其调节控制电路可以直接连接，这又消除了对电刷与滑环的需要。一个SCR（可控硅）励磁/稳压器被用来给磁场提供整流的直流电。SCR电路的输入功率来自主电枢（定子）的输出。

发电机励磁

供应备用/主用电源市场的发电机都是显磁极，旋转磁场型的。

主要的交流功率产生部件，即定子和转子这些年来基本没有变动。

然而励磁回路，即供给主磁场所需的直流电的部件有许多结构上的变动，尤其在固态元件如SCR（可控硅）出现后。

下面对现在使用的最常见类型的励磁机作一简单描述。

发电机静励磁（励磁调节器）

该系统将从发电机输出的交流电整流并通过电刷/集电环送出一受控的直流电至旋转磁场。这种励磁机可以是磁放大器型；不过，一般是由一固态调压电路控制的SCR桥。此系统运行可靠，可设计成具有出色的负载响应与电压调整能力。

恒励磁结构的缺点在于转子集电环与电刷。这些元件是日常维护的主要对象。

(POWER BOOST)

在20KW以下的发电机组中，科勒拥有POWER BOOST专利的励磁调节器。它采用一独立的辅助定子绕组（独立于主输出），来在加载或卸载引起波动时励磁。

该系统提供了出色的电机起动能力，并基本上保持常压。

绕制磁场无刷励磁发电机

该系统采用绕制的励磁电枢，它与主磁场同轴旋转。通过将主发电机的交流输出的一小部分整流，调压器给励磁机磁场提供可调的直流电源。

系统采用固态的调压器，避免了静励磁型机器固有的巨大的能量尖峰。同样，系统也是完全无刷的。在短路或者严重过载时，它可以自保护，此时发电机电压陡降，但负载也将断电。

这种系统的主要缺点是励磁机磁场有固有的时间常数，从而与静励磁型相比，在恢复时间上明显的要慢。

由于这种机器是自保护的，因其陡降电压特性，它不能选择跳闸。

永磁副励无刷励磁发电机

在比科勒FR发电机组系列更大的发电机上，采用带旋转永久磁场副励发电机的无刷绕制励磁机。

励磁机磁场激励由副励发电机的定子输出提供。

励磁机电枢的输出经整流后给主发电机磁场作激励电源。

由于和负载绕组的唯一联系就是用于调节器的传感信号，所以调压器可避免由SCR负载引入的谐波影响。

永久磁场副励发电机使发电机可以提供短路电流，使电路断路器跳闸。

科勒发电机快速响应

快速响应励磁系统采用永久磁场励磁机，带有称为FR模块的旋转SCR（可控硅）桥。该模块控制送到发电机磁场的直流电流。

这种结构采用一调压器，通过光耦合来给旋转SCR桥发信号。

调压器检测发电机的输出电压，并按输出电压的幅度使固定的LED（发光二极管）亮或者灭。调压器的电源由发电机组电池提供。

LED装在发电机轴的端部，对着在轴上旋转的光敏晶体管。光敏晶体管接收来自LED的信号，按要求比如调压器的指令来指示SCR旋转桥开通或关断。

相比常规的绕制磁场无刷发电机，这种类型的发电机在电压恢复时间上要快好几倍，因为它没有励磁机磁场电感要克服。它结合了具有短路电流支持能力的静励磁发电机的快速响应特性与副励磁机结构对负载引起的谐波相对不敏感的优点。

通过断开送至SCR模块的光耦信号，在出现不受保护的过载时，可选的安全保护断路器能保护发电机。

KOHLER FRII

  

4UA发电机

(180 - 300)

4UA和4U发电机的主要区别在于重新设计的端部支架和转子。

端部支架在轴承前后均带有油脂腔，在组装的时候，油脂被注入该腔中。另有油枪加油嘴及排放塞，以供外部加油。

转子磁极上一穿孔的铝环，使转子平衡更容易且精确。SCR模块及平衡盘也附在该铝环上。

重新设计的发电机气流组织更佳，提高了发电机的冷却性能。

定子组件

科勒快速反应发电机属于调节范围宽，12-导线类型的。绕组基本上为三相绕组，每一相绕成两部分。

发电机能在每部分电压变化幅度在110~139伏内时正常运转。

这些定子在50/60赫兹下都可以重新连接成的不同的电压接法，包括：三相Y形，三相△形，以及单相连接。

当定子绕组接成三相Y或星形连接时，线电压（L1-L2-L3）等于相电压（L1-L0,L2-L0,L3-L0）的矢量和或1.73倍的相电压。

120X1.73=208    277X1.73=480    139X1.73=240

相绕组既可以串联（高）也可以并联（低）连接。

在高Y形连接中最经常见到的电压是：220/380，240/416或277/480。

对低Y形接法一般电压是110/190，120/208或139/240。

对△形连接最普通的电压是120/240或110/220。一半的相电压可由串接绕组和线之间得到。（L1-L0）

12-导线发电机可以连接成提供单相电源。这种接法被称为“狗腿”。用这种接法，120与240伏的单相电路都可以得到。

当单相运行时，由于这种连接固有的热效应，容量必须降低。

这种发电机不能重新连接成600伏。可以用6-导线Y形连接定子来实现这些三相系统。线对中性点电压为347伏。每相上都提供了抽头以提供120和240伏电给计量与调压连接用。

发电机负载不平衡

用在既有单相也有三相负载系统中的发电机容易受负载不平衡影响。

三相负载是自动平衡的；但是，单相负载就必须小心规划并分配到各相上，以获得平衡电压并防止一相或两相过载。

对Y形连接的发电机来说，这是一件很简单的事情；但当采用三相120/240伏△形连接系统时，就必须综合考虑了。

一般地，负载应该布置成使发电机的任何一相都不会超出额定电流。

当计算三相系统时，经常假定其所带负载是平衡的。但由于系统中单相负荷的存在，这假定很少能是真实的。

最明显的例子是120/240伏三相△形系统用在既有120伏和240伏单相负载又有240伏三相负载时。

对系统设计人员来说，将其负载连到一起，选用三个单相变压器，其中一个做得足够大来处理单相负载，是相对简单的。

然而对发电机组的供应商来说存在一个问题，即发电机的三相绕组在尺寸上是完全相同的，而且他对负载基本上没有控制权。

所有的单相负载连在一相上将造成不平衡。过度的不平衡可能损坏发电机以及连在负载上的三相电机。

对三相△形连接要记住的基本点是：

l         使120伏负载平衡。

l         尽量使单相负荷小于50%.

l         保持三个端子的任意一个尤其是L1 和L3端子上的电流在发电机的额定电流内。

发电机定子线圈

做定子检查前，必须断开发电机组的电池，以防止意外起动。

用户负载必须彻底与定子导线断开。

定子线圈的电阻值非常低。除非用来指示其连续性，不推荐采用VOM。有的可能会让新技术人员以为绕组短路了。

如果需要确切的电阻值，就必须采用某种仪器比如能有毫安级精确读数的开尔文双路桥。

“V”低功率导线（V0,V7,V8,V9）在内部与主定子线圈连接起来，因此其末端必须从端子板上拆下，以得到精确的读数。这些导线为计量与调整供给传感功率。

定子线圈电阻

FR发电机

代码          功率（kw）       电阻（Ω）          6个定子线圈

4P4            25              .112

4P5            30              .079

4P7            40              .057

4P8            50              .039

4P10           60              .028

4S7            80              .033

4S9           100              .020

4S13          150              .010

4U7           180              .012

4U9           240              .008         对6个线圈1-4，2-5, 等每个的阻值相等

4U10          250              .006

4U10          275              .006

4U13          300              .005

所有的电阻值都是在25°C下的,误差为+/-10%

PM发电机励磁机磁场

励磁发电机是永久磁场旋转电枢型的。框架组件是用螺栓连接在主定子端部撑架上并隐藏在主框架内。

它包含有8个陶瓷磁体，粘接在其内周上。

每个磁体包括一北极和一南极总共16个磁极。因此励磁机在1800RPM产生一240周的交流输出。

采用永久励磁磁场，只要发动机以额定转速旋转，励磁机电枢就为最大励磁电压。

三种大小的励磁发电机用在FR发电机系列上。25-30KW,40-150KW,180-300KW。

如果各部分都牢牢地紧固在框架上，磁极可以有裂缝。所有松动的部分必须拆除。任何一个磁体的少掉部分的总体积不可以超过磁极磁体原有体积的5%.

发电机励磁机电枢

励磁机电枢压制在主轴上，给主发电机磁场提供励磁电压。

因为这些励磁机电枢采用永久磁铁给其励磁，运转时相当于饱和磁场发电机，只要机组运行在额定转速下，就能提供持续的最大输出。

这些旋转电枢发电机输出功率为1500w~3500w，电压为交流120~150v。

电枢的引线连至SCR模块的交流输入端子。

电枢饶组的电阻值为0.2-0.7欧姆。

发电机SCR（可控硅）模块

SCR模块将励磁机的交流输出整流，然后将直流电送至主发电机磁场（转子）。

三种不同的模块分别适用于三种尺寸的FR发电机。

模块包含2个SCR（可控硅）和两个二极管，连接成一桥形。一个自由旋转的二极管和变阻器跨接在输出端（F+  F-）上以保护桥路。

SCR的控制门或触发信号来自光敏晶体管板，加在端子G上。两个限流电阻保护着门电路。

所有元件均封装以防风雨及震动。

通过参考原理图，各个元件均可检修。

通过螺柱型端子检查模块上元件或电阻值时，装上螺母并紧拧在金属薄板上以保证与金属薄板电路有良好的机械连接。螺柱没有焊接在金属薄板上。

F-端子通过散热片和安装螺钉接地。

重盘连在转子极块的对面作为对重。

接线端子螺丝的紧固扭矩为8英寸.磅。所有的导线必须牢固连接，以防止因离心力产生松动。

发电机光电板

光敏晶体管电路板是光耦合电路的接受部分，为SCR模块提供选通脉冲信号。

输出信号的频率取决于它从静止的发光二极管接收到的通/断光信号。

在电路板和速度传感拖动杯中间插有一绝缘板和垫圈。整个装置用两个螺钉安装在转子轴上。

电路板引线穿过轴与励磁电枢铁心上的小孔，连接在SCR模块端子上。

注意G（绿色）和F3（红色）的极性。G至G，F3至F+。

闪光灯可以用作光源来触发光敏晶体管，以便测试或者故障排除。

在保护罩被拆下，又没有对可使发电机产生峰值输出电压的外部杂散光源进行防护时，禁止操作发电机。

发电机LED板

LED板给光敏晶体管提供光源来触发SCR，它包括一发光二极管（D1）和一单向二极管（D2）作为保护元件。

LED是光耦合电路的固定部分，安装在保护盖板上，直接对着接收光敏晶体管。

LED发出红外信号，肉眼不可见，但对尘埃或烟尘有出色的穿透能力。

 3B和5B导线是调压器至LED板的输出线，接在LED板的P1插头上。调压器输出的方波控制LED的“通”和“断”。“通/断”的时间比，取决于负载大小，及调压器维持期望输出电压的能力。5B和3B端子上，“通”时间随负载的增加而增加。当发电机在轻载下运行时，LED的“断”时间会比较长。如果发电机在重负载下运行，则“通”的时间会比较长。

发电机调压器

FR调压器提供受控功率至发光二极管，且+/-2%可调。

调压器的输入功率由发电机组起动电池提供。12V或24V电池系统都可以。

电池（+）电路用15A的保险丝保护，并通过一常开的K3控制继电器触头供电。控制继电器在发动机盘车和运行时带电。

在发生长时间过载时，可选的发电机过载保护电路断路器，即指安全保护断路器，将切断调压器输入功率。

调压器至光耦合LED的输出功率为100mA时1-2V。开路电压约为直流8V。

FR调压器检测电压平均值。在发电机端子V7-V8上监测标称值为190V-277V的单相电压传感信号。

通过跳线设置，调压器既可用于50Hz也可用于60Hz系统：T1至T2用于60Hz，T1至T3或者移开用于50Hz。

调压器电压/赫兹构造。这种特性使发电机电压在频率低于预定水平时会下降（平均8V/Hz）。这将使发电机在单步加载大负载时可以恢复转速(RPM)。工厂初始动作频率设置为50Hz时48，60Hz时58。设置在需要时可以现场调整。通过把相应的电位计顺时针旋到底，也可以将此特性去掉。

稳定性调节装置用来精调并使光闪烁最小化。

1000欧姆，1瓦的电压调节电位计安装在远程测量仪表箱上。

三相电压检测调压器是FR发电机组的可选件。

所有性能和规格与在FR发电机组上作为标准件提供的2%单相检测调压器一样。

调压器上装有三个电压互感器，在端子V7,V8和V9上检测发电机相电压。

三相检测在发电机负载不平衡时将提高发电机的性能。

通过监视全部三相电压，调节器可以检测到电压平均值，更加平衡地进行整体调节。

FR发电机故障排除流程：高电压

发电机无功压降补偿器

无功压降补偿器装置包括一个按照发电机规格选择好变比的电流互感器和一个对所有装置都一样的16欧姆、100瓦变阻器。

当发电机并联时，调速器控制发动机功率以便每台发电机负担总负载的相应分额。但发电机的励磁或者无功负载可能在一台机子上比其他的低或者高。这是因为各个调压器检测的都是公共母线电压，而不能检测出励磁电压或其他发电机承担的无功负载。

这些无功负载不平衡将导致发电机之间的环流（涡流）。

为将此影响最小化，采用了一补偿电路，通过给调压器送一修正信号来平衡无功功率。

发电机负载电流直接穿过互感器初级线圈。次级接在阻性负荷（变阻器）与发电机的一相上，该相与初级相位差90度。对感性负载，CT次级将产生一电压，加在电阻上，其大小和相位均与线电压成比例。该电压与调压器检测的电压矢量相加以产生一个修正信号，从而导致输出电压下降。

接在同一负载上的其他发电机上的调节器将检测到电压下降，并增加其励磁从而使母线电压保持不变。

对非感性负载，互感器初级与次级电流大致保持90度的相位差，因此对检测信号增加很少。