功能說明與康明斯知識

發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器原理與電源正確接線

 

摘要：為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供電源的最簡單的方法是直接從定子繞組的輸出端子獲取電力。該系統(tǒng)具有成本效益，設計簡單，可靠性好，是斯坦福系列小型交流發(fā)電機的基本產(chǎn)品，包括S0//S1、P0/P1、UC（S2/S3）、S4和HC5（S5）。在連接的負載和自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）之間共享使用交流發(fā)電機的輸出電壓可能會很麻煩，但世界上70%的工作發(fā)電機組使用這種工作原理。在康明斯發(fā)電機技術(shù)的術(shù)語，這種類型的交流發(fā)電機被稱為自勵，這些交流發(fā)電機提供一個類似的自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），從SX或AS范圍-SX460，AS440，AS540，AS480。

 

      自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供專用電源將允許交流發(fā)電機的勵磁保持，并在連接的電網(wǎng)內(nèi)短路故障或交流發(fā)電機輸出連接的情況下強制供電。其作用是維持和迫使交流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，迫使交流發(fā)電機提供數(shù)倍額定電流的輸出電流，同時盡可能保持接近標稱的輸出電壓，使交流發(fā)電機能夠?qū)λ查g過載情況提供良好的響應，如電機啟動和故障條件下，電流水平應激活受影響的電路過載保護斷路器或熔斷保險絲，從而繼續(xù)供應剩余的良好電路和連接設備。

 

一、勵磁系統(tǒng)的分類

 

      為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供電源有幾種方法——這些方法都有其優(yōu)缺點。在確定哪個交流發(fā)電機最適合為給定的負載供電時，必須考慮勵磁功率的類型。大多數(shù)交流發(fā)電機制造商將提供以下不同方法的產(chǎn)品：

1、自勵磁

      自勵磁交流發(fā)電機使用主定子輸出為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）供電，并為勵磁系統(tǒng)供電。這允許建立一個簡單和成本效益高的系統(tǒng)。然而，如果交流發(fā)電機的加載方式使輸出電壓顯著下降，這也會降低到自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的功率。如果電壓下降得足夠遠，自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）將無法提供足夠的勵磁功率，交流發(fā)電機的輸出電壓將會崩潰。這就限制了自勵交流發(fā)電機的電機起動能力。自勵式交流發(fā)電機將不會保持短路電流-如果短路情況沒有立即清除，短路電流將迅速衰減為0。其電路接線如圖1所示。

2、輔助繞組

      一個繞組可以安裝在交流發(fā)電機的定子中，它被專門設計為為數(shù)字或模擬自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供一個獨立的電源。通過仔細的設計和繞組位置，這種“定子輔助繞組”能夠在所有正常的工作條件下為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供穩(wěn)定的輸出電壓，包括高達150%的額定kVA。如果交流發(fā)電機發(fā)生嚴重過載或虛擬短路故障，則“定子輔助”將增加自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）可用的電壓水平，因此，使高水平的勵磁強迫發(fā)展，以使交流發(fā)電機對過載情況作積極響應。這使得交流發(fā)電機可以在短路條件下維持其輸出，因此負載的保護設備有時間清除故障。在非線性負載（非線性負載（NLL）情況下，輔助繞組還提供一些自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）功率的隔離。NLLs導致交流發(fā)電機輸出端的電流失真，從而使輸出電壓失真。這種失真對自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）在調(diào)節(jié)勵磁機的功率方面提出了挑戰(zhàn)。通過有一個單獨的繞組提供電源，減少了從nll到自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）電源的失真。其電路接線如圖2所示。

 

自激勵發(fā)電機AVR接線圖.

輔助繞組勵磁系統(tǒng)發(fā)電機AVR接線圖

 

3、永磁發(fā)電機

      一個小型永磁發(fā)電機（PMG）安裝在交流發(fā)電機軸的非驅(qū)動端，該單元的輸出作為一個獨立的和完全隔離的電源供應給數(shù)字和磁鐵激勵（MX）型AVRs。PMG和相關(guān)范圍的數(shù)字AVRs和MX型模擬AVRs已被設計為在過載和故障條件下提供良好的性能。PMG提供了更高的電機啟動能力，當交流發(fā)電機連接到nll或期望滿足關(guān)于EMC規(guī)范的高性能期望時，也提供了卓越的性能。其電路接線如圖3所示。

4、勵磁增強系統(tǒng)

      如果PMG在較小的交流發(fā)電機上不兼容，則可以使用一個勵磁增強系統(tǒng)（EBS），根據(jù)負載需求為交流發(fā)電機的勵磁機定子提供并聯(lián)勵磁功率。EBS由一個小型永磁勵磁升壓發(fā)生器（EBG）和一個勵磁升壓控制器（EBC）組成。當交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，EBG就提供了電壓，而EBC根據(jù)來自自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的驅(qū)動信號確定了提供給勵磁的升壓水平。

      當交流發(fā)電機在小于滿載時運行，且負載恒定時，自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）使用來自電壓感應的功率進行激勵。基于自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）對維持電壓傳感設定點所需的勵磁水平的需求，EBS將補充來自自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的勵磁電壓。與同一交流發(fā)電機的自勵電機啟動kVA相比，EBS允許增加電機啟動，并允許交流發(fā)電機維持短路的必要的時間來清除故障。其電路接線如圖4所示。

 

圖3  永磁發(fā)電機AVR接線圖

圖4  勵磁增強系統(tǒng)發(fā)電機AVR接線圖

 

 

二、應用說明

 

      由變壓器裝置組成的混合系統(tǒng)，通過使負載電流流過初級線圈，從而使勵磁成比例增加，在過載和故障條件下提供出色的性能。這個簡單的系統(tǒng)已經(jīng)使用了許多年，至今仍被認為是在密封條件下運行的勵磁系統(tǒng)的理想解決方案。電壓增減調(diào)節(jié)百分比反倒不是最重要的關(guān)注問題。

      根據(jù)規(guī)定，交流發(fā)電機需要能夠支持持續(xù)短路電流的條件。這將上述定子-輔助繞組（介質(zhì)規(guī)格）和PMG系統(tǒng)（大功率）確定為經(jīng)認證的船舶應用的兩個指定系統(tǒng)。

      如果仔細考慮勵磁系統(tǒng)的類型，在指定的負荷階躍條件下指定低水平的瞬態(tài)電壓下降[TVD%]的應用程序可以選擇可能最小的交流發(fā)電機。

      由諧波扭曲的非線性負載組成的技術(shù)負載，只有通過確保交流發(fā)電機配備了一個為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供獨立電源的勵磁系統(tǒng)，才能令人滿意地供電。在這里，PMG系統(tǒng)遠遠優(yōu)于定子輔助繞組方案。在有些情況下，變壓器控制系統(tǒng)是理想的。

      與電磁兼容性（EMC）相關(guān)的低水平“噪聲”的要求需要仔細考慮到自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的電源來源。

 

三、勵磁系統(tǒng)的選擇

 

1、選型考慮因素

       在確定哪種勵磁系統(tǒng)適合該應用時，應考慮以下因素：

（1）應用程序是否需要交流發(fā)電機維持短路？如果需要持續(xù)短路，勵磁系統(tǒng)必須配備輔助繞組、EBS或PMG。

（2）負載需要什么電機起動方式？通過適當?shù)某叽纾詣詈洼o助繞組交流發(fā)電機將啟動電機，但如果它有一個EBS或PMG，也可以指定一個更小的交流發(fā)電機。請咨詢應用程序工程部以獲得幫助。

（3）如果存在NLL（非線性負載），負載將接受的最大諧波電壓失真是多少？NLL（非線性負載）將驅(qū)動最大允許電壓失真的規(guī)格，而不是交流發(fā)電機的無能。如果NLL（非線性負載）特性（6脈沖、12脈沖等），請咨詢應用工程部以協(xié)助指定正確的交流發(fā)電機。并提供了最大的THD（諧波畸變率）。為了最佳地隔離自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）電源，建議采用PMG勵磁系統(tǒng)。

2、選型注意事項

      并非所有勵磁系統(tǒng)都可用于每種交流發(fā)電機型號。

（1）小功率

      在P0/P1、S4和HC5系列交流發(fā)電機上使用自激類似物（S5）型AVRs，具有標準規(guī)格。AS型AVRs也可在UC22（S2）和UC27（S3）系列交流發(fā)電機上提供，作為一個可選的規(guī)格。

（2）中等功率

      AS540型自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），由定子輔助繞組供電，可在S0/S1系列交流發(fā)電機上作為標準規(guī)格，標識為繞組706。許多AvK交流發(fā)電機也使用這種介質(zhì)規(guī)格設計的勵磁系統(tǒng)與數(shù)字AVRs。

（3）大功率

      EBS（ 勵磁助推系統(tǒng)）可在P0/P1交流發(fā)電機上使用，PMG與數(shù)字AVRs一起使用，作為一些斯坦福和一些AvK交流發(fā)電機的可選規(guī)格——P80系列交流發(fā)電機的設計標準。MX 自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）型PMG是S6和P7（S7）系列交流發(fā)電機的標準設計選擇。此外，PMG是在UC22（S2）、UC27（S3）和S4系列交流發(fā)電機上使用MX型自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的可選規(guī)格。

      有關(guān)自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）與交流發(fā)電機類型的兼容性的進一步信息，請參閱AGN024-自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）選擇。

 

四、激勵系統(tǒng)的過載性能比較

 

      下列圖5是基于一個85kVA（斯坦福型號為UCI224G）交流發(fā)電機的測試數(shù)據(jù)。

 

圖5  交流發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)比較圖

 

      它配有一個實驗性的定子輔助繞組。該圖顯示了用于為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）供電的各種類型系統(tǒng)的性能的比較性，以及交流發(fā)電機的激勵水平。圖5不包括變壓器控制系統(tǒng)的曲線，但這將顯示一條曲線，在標稱400V線下，在2.5 pu負載、短路、0pu電流和5.0 pu電流下通過350V。

 

五、加載平均電壓感應變壓器

 

      從一個良好的工程定制和實踐的位置來看，自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）電壓傳感變壓器，通常用于480V以上的機器，不應該用于為客戶提供“負載”（負載電路）。

      為了確保交流發(fā)電機輸出電壓調(diào)節(jié)性能的公布和合同約束功能，安裝在斯坦福交流發(fā)電機上的電壓傳感變壓器被設計為一個過容量的元件作為安全裕度。有時，客戶可能會要求授權(quán)將與發(fā)電機組相關(guān)的模塊以“負擔”負載連接到傳感變壓器，作為節(jié)省成本的一種手段，或作為為其設備包節(jié)省空間的解決方案。中壓（MV）和高壓（HV）交流發(fā)電機通常也是如此

      斯坦福交流發(fā)電機電壓傳感變壓器不適合提供“負載”的技術(shù)原因：

（1）侵蝕變壓器容量相關(guān)的安全裕度。

（2）引入了客戶負荷電路的電流消耗特性可能導致AVR電壓傳感水平的錯誤，甚至可能具有脈動特性，進而導致AVR不穩(wěn)定的風險。

（3）客戶連接的電纜可能損壞，或其負荷電路可能出現(xiàn)故障。這兩種情況都將導致AVR沒有接收到正確的傳感電壓水平，并有交流發(fā)電機可能被過度勵磁的風險，危害如下：

① 在最好的情況下，一個過電壓探測器將使交流發(fā)電機停止工作。

② 在最壞的情況下，一些非常昂貴的連接電氣設備可能會被損壞。

      即使在上述三點與客戶分享后，他們的工程師的邏輯可能會挑戰(zhàn)和重新爭論，變壓器設計的VA評級仍然輕松高于AVR和客戶提出的負擔加總負荷水平。為了支持康明斯發(fā)電機技術(shù)政策，必須考慮以下幾點：

① 良好的防止措施是連接的電纜必須包括一個精心選擇的過流設備，如果發(fā)生故障，它將斷開所有三個階段——即使只在一個階段。從而確保AVR仍然提供了一個精確和實時的3相位傳感輸入。

② 不會有與相鄰電纜的電磁連接，可能導致在電壓傳感方案中產(chǎn)生的諧波失真，這可能會對自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的性能產(chǎn)生不利影響。

③ 電纜提供了一個線路“導管”，這提供了足夠的機械保護，以確保它們不會意外地被機械損壞。

 

六、無電壓輸出的測試

 

      偶爾也有關(guān)于小功率、自激模擬AS型和SX型AVRs不提供輸出電壓的報告。本節(jié)提供了一個“測試程序”。本測試程序必須在不加載連接到交流發(fā)電機的輸出端子的情況下進行。為了實現(xiàn)操作連續(xù)性，假定交流發(fā)電機為四極轉(zhuǎn)子設計：

1、斷開自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的F1[X]和F2[XX]，并將這些勵磁磁場連接到12V直流電源，F(xiàn)1為正極。

2、在空載啟動和運行下，安裝有標準定子繞組311或312的交流發(fā)電機，連接在串聯(lián)星（繞組311）或星（繞組312）連接，工作在50Hz。對于典型的60Hz電壓，其乘法系數(shù)為1.2。如果交流發(fā)電機裝有與標準繞組311/312不同的定子繞組，或者標準繞組連接在不同的配置（并聯(lián)運行或星三角接法），則對以下建議的電壓水平施加適當?shù)囊蛩亍?/span>

3、測量交流發(fā)電機輸出端子之間的電壓：

       N- U；N- V；N- W所有電壓讀數(shù)應為相同的電壓，且讀數(shù)應在200V<250V范圍內(nèi)。

4、測量交流發(fā)電機輸出端子之間的電壓：

      U - V ；U - W ；V - W 所有電壓讀數(shù)應為相同的電壓，且讀數(shù)應在380V~450 V范圍內(nèi)。

5、測量自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）感應輸入端子處的電壓：7~8。電壓讀數(shù)應為測量到的U-V電壓的一半。

6、停機測試。

      從勵磁機F1-F2引線上斷開12V直流電源：

（1）如果以上所有測試都提供了平衡和預期的電壓水平，則重新連接F1和F2勵磁機場導致自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）并重新啟動發(fā)動機。交流發(fā)電機應自勵并產(chǎn)生額定電壓。如果交流發(fā)電機不自勵，則測量自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）輸入端子上的電壓。這應該超過5V。

（2）如果低于5V，請按照康明斯發(fā)電機技術(shù)手冊（安裝、維護和維護手冊）中的檢查交流發(fā)電機。這包括在額定速度下運行發(fā)電機組，然后安全將勵磁暫時接入12V蓄電池電源（F1[X]正端，AVR的F2 [XX]負端）。在自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的控制下，交流發(fā)電機的輸出電壓能達到所需的水平。

（3）如果上述測試產(chǎn)生了平衡和正確的電壓水平，并且AVR輸入端子上的電壓，一旦重新連接到AVR，超過5V，但交流發(fā)電機即使在“閃爍”后也不會自勵，那么應該安裝一個更換的AVR。

7、如果上述測試確實提供了平衡電壓，但不在規(guī)定的水平范圍內(nèi)，則勵磁系統(tǒng)存在故障：

（1）檢查整體外觀，然后檢查勵磁機場的電阻應該是20±5歐姆。

（2）然后檢查主轉(zhuǎn)子繞組的整體外觀和電阻，它應該是2.0歐姆左右。

（3）檢查整體外觀，然后檢查勵磁機電樞繞組的電阻。這三相繞組是星形連接的，每個相有兩個導線，每對有一個是+ve和-ve二極管。繞組電阻值很低，需要用四端子橋進行測量。

（4）檢查旋轉(zhuǎn)二極管組件組件的狀況和外觀。用“二極管測試”用萬用表測試二極管，識別在電壓的正常工作水平下出現(xiàn)故障的二極管。

      拆卸240V 1ph電源上的二極管和臺式測試，每個二極管與40W<150W燈絲燈泡單獨連接。一個良好的二極管將被確定時，當燈泡是在一半的亮度。如果沒有光或燈完全亮，則識別出有故障的二極管。檢查旋轉(zhuǎn)二極管組件喘振抑制器。這個裝置有一個非常高的阻力，應該沒有顯示過熱的跡象。

      如果上述測試沒有在定子端子處提供平衡電壓，并且交流發(fā)電機在單獨被激勵時有故障，則定子繞組很可能被損壞。有關(guān)繞組電阻值和測試程序，請參閱康明斯發(fā)電機技術(shù)手冊（安裝、維護和維護手冊）。

 

七、自激型avr的工作臺測試

 

      下面的“臺架測試”系統(tǒng)是專門為SX460型自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）生產(chǎn)的，但也可適用于所有其他SX和AS型自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。下列圖6參考了SX460類型的自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。

 

斯坦福發(fā)電機電壓自動調(diào)節(jié)器電源接線圖

 

      電壓調(diào)節(jié)器（AVR）測試步驟：

1.關(guān)閉電源，并連接自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。

2.完全逆時針旋轉(zhuǎn)自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）伏特電位器。

3.將可變變壓器轉(zhuǎn)到最小電壓位置。

4.接通電源，調(diào)整可變變壓器，使端子7和8之間存在6伏交流電壓。5.測量各端子x（+）和xx（-）之間的電壓。這應該大于1伏特的直流電。6.緩慢調(diào)整可變變壓器，使端子之間存在100伏交流7和8。

7.確保指示燈現(xiàn)在已經(jīng)亮起來了。

8.緩慢調(diào)整可變變壓器，使端子7和8之間存在200伏交流。

9.確保指示燈現(xiàn)在未點亮。

10.將可變變壓器調(diào)整到最低電壓位置。

11.關(guān)閉市電電源，并斷開自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的連接。測試完成。

 

 

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