科勒發電機操作故障排除及維修理論

20至300KW

科勒發電機

科勒公司于1976年推出FRⅠ快速響應發電機，其特點為采用了全新的勵磁控制方式。這些年來，盡管元件的結構，位置與外觀均有所變化，但在現在的FRⅡ快速響應發電機組上，基本概念仍然保持不變。

從它首先被應用于FRⅠ發電機開始，科勒的“Decision Maker”控制器也經歷了許多結構上的變化。最初的固態“子母”板已經發展成了基于微處理器的控制器。科勒將繼續提供運用了最新技術的發電機控制裝置。

快速響應這個詞指發電機對負載變動的響應能力。一般地，這種發電機從電壓瞬變恢復的時間為0.05秒，而常規無刷型發電機為0.5秒甚至整整兩秒鐘。

由于兩個時間延遲，常規無刷發電機響應時間不可避免的要慢——首先，勵磁機在磁場激勵時的響應滯后，其次，主發電機也有一個響應時間滯后。

通過用永磁體來替代繞制的勵磁磁場，快速響應發電機消除了勵磁延時。因此，在觸發SCR（可控硅）模塊時，勵磁機能夠直接給主發電機磁場滿勵。

常規發電機的勵磁機電源是依賴于主發電機輸出的。如果接在發電機上的外電路短路時，勵磁電壓將和線路電壓一樣下降。由于電壓的減少，不能提供足夠的電流以使故障回路中的斷路器跳閘，因此將影響系統中的其他所有回路。由于快速響應勵磁機采用了永久磁場，而不依賴于主發電機輸出，從而在短路時可支持發電機的磁場。短路時至少300%額定電流的能力，可使故障回路斷路器跳閘，從而在不破壞其他回路的前提下將故障回路從系統中切除。

對負載變動的響應 左邊的示波器記錄顯示一臺50KW常規無刷發電機從空載單步加載至滿載，功率因數為0.8時的長時間電壓降。右邊記錄顯示一臺50KW快速響應Ⅱ發電機運行在同樣情況下時的恢復時間。快速的恢復（2周內）有助于電機起動能力并極大地減少因負載變動而產生的光線暗淡。

耐受短路電流能力 一臺工作在滿負荷下的發電機組3相對稱短路——最嚴重的情況——顯示在兩示波器屏幕上。左邊的軌跡顯示工作在額定電流下的常規無刷發電機在短路時，由沖擊電流逐漸減少至低于額定電流。右邊屏幕上的軌跡顯示的是額定值一樣的快速響應Ⅱ發電機，工作在同樣情況下，其電流升高至超出其額定水平，從而能夠跳開支路斷路器。

科勒發電機結構

產生交流輸出的機械交流發電機要么是旋轉電樞要么是旋轉磁場型，都需要3種基本的東西：

    1．-導體

  2．-磁場

    3．-二者間的相對運動

1．導體是繞制在鋼疊片槽中的銅導線即電樞，提供發電機輸出電壓。

2．磁場是由電磁鐵產生的不可見的磁力線。

3．磁場與導體間的相對運動對在電樞中產生電流是必需的，通常由燃氣發動機或柴油機提供。

旋轉電樞科勒發電機

這種類型的發電機產生的交流輸出是在旋轉元件中產生的，需要滑環和電刷來將電流送至用戶固定負載。磁場繞組是繞制在位于固定鐵殼內的鋼疊片塊上。由于電刷的存在，這種發電機的規格限制在20KW以下。這種發電機不能在單相和三相電壓間重新連接。

旋轉磁場發電機

今天大多數備用發電機組中采用的發電機都是旋轉磁場結構。磁極繞著電樞饒組旋轉。由于電樞是固定的，因此不需要電刷來將交流電送至用戶負載。固定電樞使繞組容易重新連接，從而可以得到不同的三相或單相電壓。

這種發電機通常采用一小型的旋轉電樞發電機來給主發電機磁場繞組提供勵磁電源。該電源由一個二極管整流橋將交流變換成直流。這個電樞與主磁場同軸旋轉，因此不需要滑環和電刷。由于這種勵磁發電機的磁場繞組是固定的，因此其調節控制電路可以直接連接，這又消除了對電刷與滑環的需要。一個SCR（可控硅）勵磁/穩壓器被用來給磁場提供整流的直流電。SCR電路的輸入功率來自主電樞（定子）的輸出。

發電機勵磁

供應備用/主用電源市場的發電機都是顯磁極，旋轉磁場型的。

主要的交流功率產生部件，即定子和轉子這些年來基本沒有變動。

然而勵磁回路，即供給主磁場所需的直流電的部件有許多結構上的變動，尤其在固態元件如SCR（可控硅）出現后。

下面對現在使用的最常見類型的勵磁機作一簡單描述。

發電機靜勵磁（勵磁調節器）

該系統將從發電機輸出的交流電整流并通過電刷/集電環送出一受控的直流電至旋轉磁場。這種勵磁機可以是磁放大器型；不過，一般是由一固態調壓電路控制的SCR橋。此系統運行可靠，可設計成具有出色的負載響應與電壓調整能力。

恒勵磁結構的缺點在于轉子集電環與電刷。這些元件是日常維護的主要對象。

(POWER BOOST)

在20KW以下的發電機組中，科勒擁有POWER BOOST專利的勵磁調節器。它采用一獨立的輔助定子繞組（獨立于主輸出），來在加載或卸載引起波動時勵磁。

該系統提供了出色的電機起動能力，并基本上保持常壓。

繞制磁場無刷勵磁發電機

該系統采用繞制的勵磁電樞，它與主磁場同軸旋轉。通過將主發電機的交流輸出的一小部分整流，調壓器給勵磁機磁場提供可調的直流電源。

系統采用固態的調壓器，避免了靜勵磁型機器固有的巨大的能量尖峰。同樣，系統也是完全無刷的。在短路或者嚴重過載時，它可以自保護，此時發電機電壓陡降，但負載也將斷電。

這種系統的主要缺點是勵磁機磁場有固有的時間常數，從而與靜勵磁型相比，在恢復時間上明顯的要慢。

由于這種機器是自保護的，因其陡降電壓特性，它不能選擇跳閘。

永磁副勵無刷勵磁發電機

在比科勒FR發電機組系列更大的發電機上，采用帶旋轉永久磁場副勵發電機的無刷繞制勵磁機。

勵磁機磁場激勵由副勵發電機的定子輸出提供。

勵磁機電樞的輸出經整流后給主發電機磁場作激勵電源。

由于和負載繞組的唯一聯系就是用于調節器的傳感信號，所以調壓器可避免由SCR負載引入的諧波影響。

永久磁場副勵發電機使發電機可以提供短路電流，使電路斷路器跳閘。

科勒發電機快速響應

快速響應勵磁系統采用永久磁場勵磁機，帶有稱為FR模塊的旋轉SCR（可控硅）橋。該模塊控制送到發電機磁場的直流電流。

這種結構采用一調壓器，通過光耦合來給旋轉SCR橋發信號。

調壓器檢測發電機的輸出電壓，并按輸出電壓的幅度使固定的LED（發光二極管）亮或者滅。調壓器的電源由發電機組電池提供。

LED裝在發電機軸的端部，對著在軸上旋轉的光敏晶體管。光敏晶體管接收來自LED的信號，按要求比如調壓器的指令來指示SCR旋轉橋開通或關斷。

相比常規的繞制磁場無刷發電機，這種類型的發電機在電壓恢復時間上要快好幾倍，因為它沒有勵磁機磁場電感要克服。它結合了具有短路電流支持能力的靜勵磁發電機的快速響應特性與副勵磁機結構對負載引起的諧波相對不敏感的優點。

通過斷開送至SCR模塊的光耦信號，在出現不受保護的過載時，可選的安全保護斷路器能保護發電機。

KOHLER FRII

  

4UA發電機

(180 - 300)

4UA和4U發電機的主要區別在于重新設計的端部支架和轉子。

端部支架在軸承前后均帶有油脂腔，在組裝的時候，油脂被注入該腔中。另有油槍加油嘴及排放塞，以供外部加油。

轉子磁極上一穿孔的鋁環，使轉子平衡更容易且精確。SCR模塊及平衡盤也附在該鋁環上。

重新設計的發電機氣流組織更佳，提高了發電機的冷卻性能。

定子組件

科勒快速反應發電機屬于調節范圍寬，12-導線類型的。繞組基本上為三相繞組，每一相繞成兩部分。

發電機能在每部分電壓變化幅度在110~139伏內時正常運轉。

這些定子在50/60赫茲下都可以重新連接成的不同的電壓接法，包括：三相Y形，三相△形，以及單相連接。

當定子繞組接成三相Y或星形連接時，線電壓（L1-L2-L3）等于相電壓（L1-L0,L2-L0,L3-L0）的矢量和或1.73倍的相電壓。

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

相繞組既可以串聯（高）也可以并聯（低）連接。

在高Y形連接中最經常見到的電壓是：220/380，240/416或277/480。

對低Y形接法一般電壓是110/190，120/208或139/240。

對△形連接最普通的電壓是120/240或110/220。一半的相電壓可由串接繞組和線之間得到。（L1-L0）

12-導線發電機可以連接成提供單相電源。這種接法被稱為“狗腿”。用這種接法，120與240伏的單相電路都可以得到。

當單相運行時，由于這種連接固有的熱效應，容量必須降低。

這種發電機不能重新連接成600伏。可以用6-導線Y形連接定子來實現這些三相系統。線對中性點電壓為347伏。每相上都提供了抽頭以提供120和240伏電給計量與調壓連接用。

發電機負載不平衡

用在既有單相也有三相負載系統中的發電機容易受負載不平衡影響。

三相負載是自動平衡的；但是，單相負載就必須小心規劃并分配到各相上，以獲得平衡電壓并防止一相或兩相過載。

對Y形連接的發電機來說，這是一件很簡單的事情；但當采用三相120/240伏△形連接系統時，就必須綜合考慮了。

一般地，負載應該布置成使發電機的任何一相都不會超出額定電流。

當計算三相系統時，經常假定其所帶負載是平衡的。但由于系統中單相負荷的存在，這假定很少能是真實的。

最明顯的例子是120/240伏三相△形系統用在既有120伏和240伏單相負載又有240伏三相負載時。

對系統設計人員來說，將其負載連到一起，選用三個單相變壓器，其中一個做得足夠大來處理單相負載，是相對簡單的。

然而對發電機組的供應商來說存在一個問題，即發電機的三相繞組在尺寸上是完全相同的，而且他對負載基本上沒有控制權。

所有的單相負載連在一相上將造成不平衡。過度的不平衡可能損壞發電機以及連在負載上的三相電機。

對三相△形連接要記住的基本點是：

l         使120伏負載平衡。

l         盡量使單相負荷小于50%.

l         保持三個端子的任意一個尤其是L1 和L3端子上的電流在發電機的額定電流內。

發電機定子線圈

做定子檢查前，必須斷開發電機組的電池，以防止意外起動。

用戶負載必須徹底與定子導線斷開。

定子線圈的電阻值非常低。除非用來指示其連續性，不推薦采用VOM。有的可能會讓新技術人員以為繞組短路了。

如果需要確切的電阻值，就必須采用某種儀器比如能有毫安級精確讀數的開爾文雙路橋。

“V”低功率導線（V0,V7,V8,V9）在內部與主定子線圈連接起來，因此其末端必須從端子板上拆下，以得到精確的讀數。這些導線為計量與調整供給傳感功率。

定子線圈電阻

FR發電機

代碼          功率（kw）       電阻（Ω）          6個定子線圈

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         對6個線圈1-4，2-5, 等每個的阻值相等

4U10          250              .006

4U10          275              .006

4U13          300              .005

所有的電阻值都是在25°C下的,誤差為+/-10%

PM發電機勵磁機磁場

勵磁發電機是永久磁場旋轉電樞型的。框架組件是用螺栓連接在主定子端部撐架上并隱藏在主框架內。

它包含有8個陶瓷磁體，粘接在其內周上。

每個磁體包括一北極和一南極總共16個磁極。因此勵磁機在1800RPM產生一240周的交流輸出。

采用永久勵磁磁場，只要發動機以額定轉速旋轉，勵磁機電樞就為最大勵磁電壓。

三種大小的勵磁發電機用在FR發電機系列上。25-30KW,40-150KW,180-300KW。

如果各部分都牢牢地緊固在框架上，磁極可以有裂縫。所有松動的部分必須拆除。任何一個磁體的少掉部分的總體積不可以超過磁極磁體原有體積的5%.

發電機勵磁機電樞

勵磁機電樞壓制在主軸上，給主發電機磁場提供勵磁電壓。

因為這些勵磁機電樞采用永久磁鐵給其勵磁，運轉時相當于飽和磁場發電機，只要機組運行在額定轉速下，就能提供持續的最大輸出。

這些旋轉電樞發電機輸出功率為1500w~3500w，電壓為交流120~150v。

電樞的引線連至SCR模塊的交流輸入端子。

電樞饒組的電阻值為0.2-0.7歐姆。

發電機SCR（可控硅）模塊

SCR模塊將勵磁機的交流輸出整流，然后將直流電送至主發電機磁場（轉子）。

三種不同的模塊分別適用于三種尺寸的FR發電機。

模塊包含2個SCR（可控硅）和兩個二極管，連接成一橋形。一個自由旋轉的二極管和變阻器跨接在輸出端（F+  F-）上以保護橋路。

SCR的控制門或觸發信號來自光敏晶體管板，加在端子G上。兩個限流電阻保護著門電路。

所有元件均封裝以防風雨及震動。

通過參考原理圖，各個元件均可檢修。

通過螺柱型端子檢查模塊上元件或電阻值時，裝上螺母并緊擰在金屬薄板上以保證與金屬薄板電路有良好的機械連接。螺柱沒有焊接在金屬薄板上。

F-端子通過散熱片和安裝螺釘接地。

重盤連在轉子極塊的對面作為對重。

接線端子螺絲的緊固扭矩為8英寸.磅。所有的導線必須牢固連接，以防止因離心力產生松動。

發電機光電板

光敏晶體管電路板是光耦合電路的接受部分，為SCR模塊提供選通脈沖信號。

輸出信號的頻率取決于它從靜止的發光二極管接收到的通/斷光信號。

在電路板和速度傳感拖動杯中間插有一絕緣板和墊圈。整個裝置用兩個螺釘安裝在轉子軸上。

電路板引線穿過軸與勵磁電樞鐵心上的小孔，連接在SCR模塊端子上。

注意G（綠色）和F3（紅色）的極性。G至G，F3至F+。

閃光燈可以用作光源來觸發光敏晶體管，以便測試或者故障排除。

在保護罩被拆下，又沒有對可使發電機產生峰值輸出電壓的外部雜散光源進行防護時，禁止操作發電機。

發電機LED板

LED板給光敏晶體管提供光源來觸發SCR，它包括一發光二極管（D1）和一單向二極管（D2）作為保護元件。

LED是光耦合電路的固定部分，安裝在保護蓋板上，直接對著接收光敏晶體管。

LED發出紅外信號，肉眼不可見，但對塵埃或煙塵有出色的穿透能力。

 3B和5B導線是調壓器至LED板的輸出線，接在LED板的P1插頭上。調壓器輸出的方波控制LED的“通”和“斷”。“通/斷”的時間比，取決于負載大小，及調壓器維持期望輸出電壓的能力。5B和3B端子上，“通”時間隨負載的增加而增加。當發電機在輕載下運行時，LED的“斷”時間會比較長。如果發電機在重負載下運行，則“通”的時間會比較長。

發電機調壓器

FR調壓器提供受控功率至發光二極管，且+/-2%可調。

調壓器的輸入功率由發電機組起動電池提供。12V或24V電池系統都可以。

電池（+）電路用15A的保險絲保護，并通過一常開的K3控制繼電器觸頭供電。控制繼電器在發動機盤車和運行時帶電。

在發生長時間過載時，可選的發電機過載保護電路斷路器，即指安全保護斷路器，將切斷調壓器輸入功率。

調壓器至光耦合LED的輸出功率為100mA時1-2V。開路電壓約為直流8V。

FR調壓器檢測電壓平均值。在發電機端子V7-V8上監測標稱值為190V-277V的單相電壓傳感信號。

通過跳線設置，調壓器既可用于50Hz也可用于60Hz系統：T1至T2用于60Hz，T1至T3或者移開用于50Hz。

調壓器電壓/赫茲構造。這種特性使發電機電壓在頻率低于預定水平時會下降（平均8V/Hz）。這將使發電機在單步加載大負載時可以恢復轉速(RPM)。工廠初始動作頻率設置為50Hz時48，60Hz時58。設置在需要時可以現場調整。通過把相應的電位計順時針旋到底，也可以將此特性去掉。

穩定性調節裝置用來精調并使光閃爍最小化。

1000歐姆，1瓦的電壓調節電位計安裝在遠程測量儀表箱上。

三相電壓檢測調壓器是FR發電機組的可選件。

所有性能和規格與在FR發電機組上作為標準件提供的2%單相檢測調壓器一樣。

調壓器上裝有三個電壓互感器，在端子V7,V8和V9上檢測發電機相電壓。

三相檢測在發電機負載不平衡時將提高發電機的性能。

通過監視全部三相電壓，調節器可以檢測到電壓平均值，更加平衡地進行整體調節。

FR發電機故障排除流程：高電壓

發電機無功壓降補償器

無功壓降補償器裝置包括一個按照發電機規格選擇好變比的電流互感器和一個對所有裝置都一樣的16歐姆、100瓦變阻器。

當發電機并聯時，調速器控制發動機功率以便每臺發電機負擔總負載的相應分額。但發電機的勵磁或者無功負載可能在一臺機子上比其他的低或者高。這是因為各個調壓器檢測的都是公共母線電壓，而不能檢測出勵磁電壓或其他發電機承擔的無功負載。

這些無功負載不平衡將導致發電機之間的環流（渦流）。

為將此影響最小化，采用了一補償電路，通過給調壓器送一修正信號來平衡無功功率。

發電機負載電流直接穿過互感器初級線圈。次級接在阻性負荷（變阻器）與發電機的一相上，該相與初級相位差90度。對感性負載，CT次級將產生一電壓，加在電阻上，其大小和相位均與線電壓成比例。該電壓與調壓器檢測的電壓矢量相加以產生一個修正信號，從而導致輸出電壓下降。

接在同一負載上的其他發電機上的調節器將檢測到電壓下降，并增加其勵磁從而使母線電壓保持不變。

對非感性負載，互感器初級與次級電流大致保持90度的相位差，因此對檢測信號增加很少。