交流无刷发电机自动电压调节器的应用研究

摘要交流无刷发电机是在发电机内部采用旋转晶闸管整流元件,通过自动电压调节器控制旋转晶闸管整流器,而获得良好控制特性的一种新型发电机。这种发电机的主要特点是有较好的瞬时电压变化特性,能承受较大的短路电流,整机维护工作量很少。本文简要叙述了船用交流无刷发电机自动电压调节器的两种调节方式，并通过不同厂家的调压器对两种调节方式进行分析。并结合船舶调试发电机过程中出现的一些问题，谈谈一些常见故障的处理。关键词：自动调压器（AVR）可控电源型分流型1、前言从当前的船舶发展的形势看，调压系统已经成为交流同步发电机中最重要，最核心的组成部分之一，对于交流同步发电机的性能有着至关重要的作用。当船舶电力系统负荷发生变化而引起电网电压波动时，就需要迅速改变发电机励磁以维持电压在一定的精度内。完成这一步骤的就是发电机的自动调压系统。目前大多数船舶电站同步发电机任然配备模拟式AVR产品，这些产品调节精度低，动作时间长，保护功能少，不利于更新换代需要尽快实现升级。目前船用D-AVR产品国外有西门子、三菱、ABB以及巴斯勒等公司生产的D-AVR产品。AVR与主定子绕组和励磁绕组连接，对输出电压提供精度为±1％的闭环控制。在从主定子获得电源外,AVR还从输出绕组取样电压以实现对输出的控制。AVR根据获得的采样数据控制输出到励磁系统的电流,通过可控硅导通角的调节,把无功功率、功率因数和输出电压控制在一定的范围内。国产和印度机的AVR接线方式一样，只需要连接E＋、E－和U、V相绕组取样电压和零线，根据取样电压与设定电压的误差放大，经脉宽调制，通过可控硅导通角的调节控制输出励磁电流从而调节发电机的输出电压。船舶电网是一个有限量电网，一般只有一个或者两个电站组成，故电站的容量就是电网的容量。总体而言，船舶电站一般由3～4台发电机组成，所以每台发电机就是能量的源泉。当船舶电力系统负荷发生变化而引起电网电压波动时，就需要迅速改变发电机励磁以维持电压在一定的精度内。完成这一步骤的就是发电机的自动调压系统。当然，发电机起动时也是靠自动调压系统迅速达到额定电压。因此，调压系统对于船舶电网有着重大作用及意义。

2、船舶交流发电机需要电压调节器必要性2.1发电机外部原因从发电机外部原因来说：交流发电机需要自动电压调节器的理由有两点。首先，当大容量的电动机启动时，会产生强大的启动电流，由于船舶电网是一个有限量电网，从而会对电网造成巨大冲击，并且电动机的启动电流基本上都是无功电流，当这个无功电流流过发电机时，加强了发电机交轴去磁电枢反应，使得端电压较大幅度的下降。其次，当外部电路发生短路时，为了使得短路点迅速脱离电网，保护系统需立即动作，而要使保护系统在短路时迅速工作，发电机必须进行强励磁以维持一定幅值的端电压使保护系统投入工作。显而易见靠手动调节励磁，响应速度肯定不行。因此必须要有自动电压调节器进行电压控制。2.2发电机内部从发电机内部而言：当发电机在原动机的驱动下运转后，转子绕组流过电流，产生气隙磁场，气隙磁场的磁极方向在直轴上，见图2-1。而当负载接通以后，就有电流流过定子电枢绕组，该电流产生电枢磁场。此时主磁场是转子产生的气隙磁场和定子产生的电枢磁场的合成。而电枢磁场对主磁场必定产生影响，这种影响即电枢反应。同时电枢反应的结果是随着负载的性质不同而不同。当电枢电流与电压同相（COSΦ=1）即纯电阻负载，此时电枢磁场的磁极方向在交轴上，即交轴电枢反应。电枢反应的结果使得主磁场一侧被增加，另外一侧被削弱。如果磁路饱和的话，会减少主磁场，使得电压有所下降，见图2-2。当电枢电流滞后电压90°（COSΦ=0）纯电感负载，此时电枢磁场的磁极方向在直轴上，方向和气隙磁场相反，即直轴去磁电枢反应。其结果使得主磁场大大削弱，导致电压下降，见图2-3。当电枢电流超前电压90°时（COSΦ=0）即纯电容负载，此时电枢磁场的磁极方向在直轴上，方向和气隙磁场相同，即直轴助磁电枢反应。其结果使得主磁场大大增加，导致电压上升，见图2-4。船舶的负载是电阻性和电感性的综合，功率因数永远小于1，因此当发电机负载以后，总是使得发电机的端电压下降。为了保证不管在什么性质的负载下船舶电网电压的恒定，必须需要自动电压调节器来调节发电机的励磁电流，确保电压在规范规定的范围内。图2-1无负载主磁场分布图图2-2纯电阻负载主磁场分布图图2-3电感性负载主磁场分布图图2-4电容性负载主磁场分布图

3、自动调压器的工作原理自动电压调压器简称AVR（英语名称的第一个字母缩写），是按机端电压偏差进行励磁调节的装置。其工作原理就是当机端电压出现偏差时，调节发电机的励磁电流或者励磁机的励磁电流，消除偏差或者减小到允许范围内。图3-1是自动电压调压器AVR与发电机的关系图。如图自动电压调压器AVR本身是一个可控的电源装置。电源输入变换成可控的直流电源，机端电压的偏差△U经放大，输出控制电压Uc，控制直流电源输出，进行励磁调节。励磁调节输出通过励磁机控制发电机励磁绕组的电流。也有无励磁机的调压系统，则直接控制励磁绕组的励磁电流。从而调整发电机的输出电压。图3-1AVR与发电机的关系示意图3.1AVR的电源AVR的输入电源一般有：采用发电机机端电压（或抽头）、附加定子绕组和永磁发电机等等。图3-2是无刷发电机典型的三种供AVR电源的方式，其中图(a)AVR由设在定子上的辅助绕组供电；图(b)AVR由机端电压经变压器供电；而图(c)AVR由永磁发电机供电。图(a)和图(c)的AVR输出的励磁功率由原动机提供，发生短路不影响辅助绕组或永磁发电机的输出，并可提供强励。图(b)用机端电压直接供电存在一定隐患，万一发电机端发生短路，机端电压骤降，甚至消失，则励磁电流也将消失，不能提供强励，需附加强行励磁措施。AVR由辅助绕组供电的无刷励磁系统(b)AVR由机端供电的无刷励磁系统(c)AVR由永磁发电机供电的无刷励磁系统图3-2经典励磁系统几种供AVR方式3.2电压电流的检测在AVR扳子上有电压电流的检测，用于调节时的参数3.3电压调整当发电机转速低的时候，发电机端电压低，此时AVR的任务是力图调节使机端电压到达额定电压。由于此时AVR输出电压急剧增加，有可能出现输出过载，所以必须具备低频（转速）保护，即低频时使AVR退出工作。当由于负载变化或者并车时，则通过检测来的电压电流及相位，与给定值比较，调节励磁电流，使电压维持在一定的精度内，即允许范围内。4、船用交流无刷发电机的自动电压调节器（AVR）的主要调节方式船用交流无刷发电机的自动电压调节器（AVR）的主要调节方式有两种，一种是可控电源型，如图4-1a,第二种是分流型,如图4-1b。基本的概念都是建立在交流发电机要维持机端电压的恒定，必须根据发电机机端电压的变化，不断地调节励磁绕组的电流。a.可控电源励磁方式b.可控分流励磁方式图4-1发电机的励磁当通了电的励磁绕组(转子)在原动机的驱动下，它所产生的主磁场切割了定子的三相绕组,三相绕组就会感生电势,负载以后，三相绕组就有电流流过，负载电流使得三相绕组也产生了一个电枢磁场。这个电枢磁场和由励磁绕组产生的主磁场(气隙磁场)必定会在发电机内部相互作用，称之电枢反应,电枢反应包括交轴电枢反应和直轴电枢反应。不管是那一种反应,其结果总是扭曲了主磁场，扭曲的程度完全决定于负载电流的大小和功率因数的高低。从而使得端电压发生变化。要维持端电压的恒定，就需要改变主磁场的强度，也即调节励磁电流。当发电机制造好以后，只有两种方法可以调节励磁电流。第一种调节励磁回路电源的电压，改变励磁电流，如图4-1a。第二种给定励磁电路一个恒流源，利用电阻R进行分流，调节励磁电流，如图4-1b。4.1可控电源励磁方式：图4-2可控直流电源图4-2说明了可控直流电源实际上是可控全波整流，交流臂的输入来自于发电机端电压，直流臂的输出接到发电机的励磁绕组。由于每一对臂上都有一个可控硅，改变可控硅的控制极的触发信号，就能改变可控硅的导通角，也就是控制了励磁电压。由于船用发电机最大的容量也不过几千到上万千瓦，而且又都使用了无刷发电机，励磁电压上百伏，励磁电流几个到几十安培，励磁功率很小，可控硅的体积不大，由此，可控电源的独立板子可以做得很小，又连接的线路电压较低，电流较小。该板子就能够安装在主配电板里的任何位置。不需要安装在发电机内。如果发电机的端电压只需要按照机端电压进行调节励磁电流，就可以采用图3模式可控电源形式的调压器。5600箱和4100箱集装箱船就采用Barler公司的MVC型调压器作为发电机的备用调压器，和该公司的SSR型（也是可控电源形式）主用调压器组成一个调压系统。图4-3可控直流电源框图为了分析可控电源形式的调压器基本工作原理，以图4-4为例。图4-4是图4-3的具体线路。图中转换开关“S”是作为主用调压器和备用调压器的转换之用。如果发电机在配置上不需要备用调压器的话，则取消转换开关或者将转换开关永远固定在这一个位置。那么MVC调压器就作为主用调压器。图4中，集成块“A”包括了比较放大器、电压－频率变换器、同步电路以及消振电路等。它的6脚输入信号（取样电压）直接来自励磁电压，也就是可控直流电源的输出经R8或R9、R10与R7的分压。2脚是基准电压输入脚，调节电位器“W”能够改变基准电压数值，也就是调节发电机端电压。8脚是脉冲输出脚，经三极管放大后，给可控硅触发信号。由电阻R8、R9、R10和R7组成的分压电路，见图4-5，其目的是为了让比较放大器的输入端取得不同的分压数值U，在相同的基准电压下，由于取样电压的不同，输出的差值也不同。从而使得同一个电压调整器当接于不同的分压电阻时，输出的励磁电压也不同。当接在电阻R8上时，输出的励磁电压为32V，当接在电阻R9上时，输出的励磁电压为63V，当接在电阻R10上时，励磁电压为125V。这样扩大了电的压调整器的应用范围，可以配置各种不同励磁电压的发电机。图4-4取样电压的分压电路当发电机被原动机拖带到额定转速时，由于铁芯存在的剩磁，使得发电机端子上产生了剩磁电压。剩磁电压一般为发电机额定电压的3～5％。（额定电压为450V）该电压直接加在可控整流桥的交流桥臂上，因为没有其它任何起压的措施。发电机的起压，只能等待着可控硅控制极的触发信号，而且是要让可控硅图4-5MVC型调压器原理图最大角度导通的触发信号。同时，剩磁电压经降压、整流、稳压等环节作为控制电路的工作电源以及基准电源。此时，如此低的剩磁电压，能否保证控制线路正常工作，提供可控硅最大角度导通的触发信号，并且一旦发电机起压后，又如何由最大角度导通的触发信号转为正常的控制脉冲，这是该电路的关键。为了更清楚的阐述这个问题，我们不妨以AVK公司可控电源形式的调压器来说明。见图4-6。图4-6AVK可控电源调压器原理图图4-6只是AVK调压器起压和起压后的触发脉冲的转换部分。来自发电机的剩磁电压从J1、K1输入，加在由V6、V7、V8、V9组成的可控全波整流的交流桥臂上。同时经变压器“B”降压，V1、V2整流，V3、V4的稳压后，提供正、负15V的两组工作电源。变压器的另一绕组提供电压—频率变换器（脉冲发生器）的同步源。但是由于剩磁电压很低，经整流、滤波后的整流电压只有几伏，根本不可能使电压—频率变换器投入工作，没有脉冲送到由三极管V10、V11和V12、V13组成的脉冲放大电路。但几伏的整流电源却通过R25和R26加到了三极管V20的基极，使其导通。正电位经过V20的c、e极，再通过R5和R9送到V7、V9可控硅的控制极上。请注意，这时加在控制极上的是电位，而不是脉冲。由此导致了可控硅的全导通。剩磁电压经过全波整流后，施加在励磁绕组两端，发电机电压升高。这个正反馈过程的不断延续，电压迅速上升。正、负15V的两组工作电源也同时上升，电压—频率变换器进入了工作状态，向脉冲放大器发出了脉冲信号。不过由于可控硅控制极的正电位还是存在，脉冲不起作用而已。直到正、负15V两组工作电源高到一定程度时，大约是发电机额定电压的40～50％。三极管V19导通，使得V20的基极电位被嵌在零电平，V20截止。可控硅控制极的正电位撤销，由电压—频率变换器发出的脉冲所替代。此时，电压比较器输出的差值信号通过“Z”端子也进入了电压—频率变换器，脉冲按照端电压的高低控制着可控硅的导通角。完成了发电机的起压和脉冲的转换过程。在MVC和SSR调压器的比较放大器集成块里，都具有以上的功能。保证发电机的起压。有些发电机制造厂家为了让发电机顺利的起压，还专门设计了一组起压绕组，比如LNG船使用的ABB的发电机，如图4-7所示，当发电机起压时，端电压很低，电压继电器KA不动作，发电机的辅助绕组AW的电压直接经过VC1整流后施加在励磁绕组两端。于是端电压迅速上升，同时也提供了AVC63-12调压器的工作电源。到电压升高到大约30％的额定电压时，电压继电器KA吸合，此时励磁电流不再由辅助绕组提供，而由调压器AVC63-12提供，因为辅助绕组的电压已经足够保证调压器投入工作。AVC63-12自动电压调整器也是Basler公司的可控电源型调压器。图4-7带起压绕组的无刷发电机图4-8带强励和调差的可控电源调压器在有些船舶上每台发电机配置了两套可控电源型自动电压调节器，图8给出了这种系统的配置原理。由SSR型作为发电机的主用调压器，MVC型作为备用。通过备用调压器面板上的转换开关进行选择。主用调压器为发电机的并联运行设置了由电流互感器TK1和调差电位器组成的调差补偿电路。另外由电流互感器TK2和整流桥VC以及继电器R组成了强励电路。对于上述类型的电压调节器在调试中要注意以下几个问题1、带有起压绕组的发电机，在发电机起压过程中有时会发生电压数值到达1/3额定值时，发电机电压会停留在这个数值上，然后随着柴油机转速的上升，电压冲过额定值的25％左右，再回复到额定值。有时甚至发生发电机电压就停留在这个数值上，柴油机转速上升，电压不再上升。这种现象多数发生在柴油机的调速器为电子调速器的情况下，这是因为电子调速器在柴油机启动时，有一个待机转速，如果待机转速设定得较低，比如30～40％的额定转速，那么辅助起压绕组此时的电压就较低，不能保证电压继电器KA吸合，AVR的输出不能接入励磁绕组，机端电压就升不上去。而当柴油机的转速上去后，机端电压上升，电压继电器KA吸合。但是，由于机端电压还是较低，AVR检测到发电机电压较低，于是向励磁绕组输出很大的励磁电流，大约为额定空载励磁电流的二倍，因此机端电压会冲过额定电压很多。发生这种现象，只要将柴油机的待机转速设定值提高，最好设定在额定转速的70％以上。而且从待机转速到额定转速的过渡时间越短越好。对于液压调速器的柴油机就不会发生上述现象，因为液压调速器的柴油机它都是在额定转速下直接启动。使用电子调速器的柴油机如果不采用起压绕组，而是由AVR直接励磁起压，也不会发例似的情况。2、采用可控电源励磁的无刷发电机，往往将调压器安装在主配电板内，而发电机到主配电板的线路可能超过30米以上，因此电缆极有可能受到干扰，特别是那根用于调差补偿的电流信号电缆。因为它的信号是微弱的模拟量，而且又接在AVR的输入端，当受到干扰后，极易发生输入信号没有规律的变化，导致发电机电压没有规律的波动（频率和峰值）。如果发生这种现象，首先要检查电压调节器AVR模块的接地。更重要的是检查那根用于调差补偿的电流信号电缆的接地。第一：要确保这根电缆一端接地。第二：这根电缆的接地端要在主配电板内。其目的是为了防止：1、电缆两端由于船舶电位的不同，而引起电缆屏蔽层有的杂流。2、即使电缆被干扰，那么干扰信号在进入AVR之前被消除。3、AVR的调差补偿需要一个相位正确的电流信号，而电流互感器安装在发电机内，AVR装在主配电板内，通过电缆加以连接。由于电流的极性不一定会标出，可能造成极性的错误。为此发电机在试验时要确定好电流的极性。具体方法是让发电机带上50％左右的负载，功率因数为0.8，记下电压的数值。然后将功率因数调到1，如果电压上升，那么极性正确。如果电压下降，极性错误，将两根芯线调换。4.2可控电阻分流型励磁方式图4-9可控分流型原理图可控分流型形式的电压调节器是有两个主要部分组成。其中之一是相复励调压器，其二就是电压调节器（AVR）。这种型形的调压器不存在发电机起压的问题。依靠相复励的自励分量，就能够顺利的起压。AVR在此作为电压校准器使用。图4-9中的相复励采用了电流叠加的方式，可以把它看成一个电流源。AVR的电压检测、基准电源、比较放大、脉冲发生等都和可控电源的内容一样，所不同的是可控电源调压器中的可控硅接入的是发电机机端电压，然后将能量提供给励磁绕组。而可控分流调压器中的可控硅接入的是相复励输出的电压，它要分流部分的相复励输出，消耗相复励输出的部分能量。因此可以认为AVR是一个可变的电阻。电阻的阻值由机端电压的变化量来控制。图4-10可控分流型单线图从图4-10的单线图中可以看出，相复励的电流分量和电压分量合成输出的电流是I,一部分电流I1通过二极管整流后给励磁绕组，而另外一部分电流I2取决于受端电压控制的可控硅导通的程度。如果端电压越高，可控硅导通的角度越大，电阻越小，分流的电流I2越大。流过励磁绕组的电流I1越小，使得端电压下降。反之，端电压越低，可控硅导通的角度越小，电阻越大，分流的电流I2越小。流过励磁绕组的电流I1较大，使得端电压上升。下面的图4-11是西门子公司生产的无刷发电机电压调整器，典型的相复励加AVR，AVR的作用主要是电压校准。图4-11采用分流原理的西门子调压器

5、系统通电调试过程中碰到的问题和解决办法5.1调试前的检查1）发电机励磁和电压调节装置安装在机端盖上，因施工课施工进线和接线需要等原因，将会多多少少地把灰尘、杂物留在AVR调节装置上，为此在通电调试前，必须对自动电压调节器进行一次全面的清洁，最好用无水酒精清洗，保证没有杂物灰尘在上面。2）发电机运转前，自动电压调节进行绝缘电阻测量，特别注意一点是绝不能用500V或1000V的摇绝缘表测量，因AVR上有电子部件，用手摇绝缘表测量容易造成AVR上的电子元件击穿。测量须用精度好的数字式万用表欧姆档来测量，阻值要大于或等于1M欧姆，如测量结果电阻小于1M欧姆，需要更换AVR模块。5.2电压调节系统常见故障1）发电机电压超出额定值很多，并且配电板上的调节电位器也不能进行调节，遇到这种故障要停机对AVR接线和发电机上的电压自动调节部份的接线点进行检查，这种故障是因为AVR自动调压控制路开路造成。2）发电机电压不平衡，一般来讲用精度好的万用表测量三线电压，其误差不超过1%（空载），如果超出此值，说明主机定子绕组可能存在匝间短路故障，具体测量U-V，U-W，V-W之间的电阻，其中RU-V，RU-W，RV-W之间最大允许有2%的误差，超差，说明确实存在上述故障，若不超差，应着手另外寻找原因。3）发电机有电压，但电压在350V以下，这种故障的最大可能性是静止整流块或旋转整流块，有一路出现故障造成的，当然也可能是由于励磁绕组存在匝间短路，使励磁电流增加，而励磁系统又提供不了如此多的励磁电流，造成电