功能說明與康明斯知識

發電機電壓調節器原理與電源正確接線

 

摘要：為自動電壓調節器（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電機的基本產品，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節器（AVR）之間共享使用交流發電機的輸出電壓可能會很麻煩，但世界上70%的工作發電機組使用這種工作原理。在康明斯發電機技術的術語，這種類型的交流發電機被稱為自勵，這些交流發電機提供一個類似的自動電壓調節器（AVR），從SX或AS范圍-SX460，AS440，AS540，AS480。

 

      自動電壓調節器（AVR）提供專用電源將允許交流發電機的勵磁保持，并在連接的電網內短路故障或交流發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電機勵磁系統，迫使交流發電機提供數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，使交流發電機能夠對瞬間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，從而繼續供應剩余的良好電路和連接設備。

 

一、勵磁系統的分類

 

      為自動電壓調節器（AVR）提供電源有幾種方法——這些方法都有其優缺點。在確定哪個交流發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。大多數交流發電機制造商將提供以下不同方法的產品：

1、自勵磁

      自勵磁交流發電機使用主定子輸出為自動電壓調節器（AVR）供電，并為勵磁系統供電。這允許建立一個簡單和成本效益高的系統。然而，如果交流發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節器（AVR）的功率。如果電壓下降得足夠遠，自動電壓調節器（AVR）將無法提供足夠的勵磁功率，交流發電機的輸出電壓將會崩潰。這就限制了自勵交流發電機的電機起動能力。自勵式交流發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電機的定子中，它被專門設計為為數字或模擬自動電壓調節器（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節器（AVR）提供穩定的輸出電壓，包括高達150%的額定kVA。如果交流發電機發生嚴重過載或虛擬短路故障，則“定子輔助”將增加自動電壓調節器（AVR）可用的電壓水平，因此，使高水平的勵磁強迫發展，以使交流發電機對過載情況作積極響應。這使得交流發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節器（AVR）功率的隔離。NLLs導致交流發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節器（AVR）在調節勵磁機的功率方面提出了挑戰。通過有一個單獨的繞組提供電源，減少了從nll到自動電壓調節器（AVR）電源的失真。其電路接線如圖2所示。

 

自激勵發電機AVR接線圖.

輔助繞組勵磁系統發電機AVR接線圖

 

3、永磁發電機

      一個小型永磁發電機（PMG）安裝在交流發電機軸的非驅動端，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字和磁鐵激勵（MX）型AVRs。PMG和相關范圍的數字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，當交流發電機連接到nll或期望滿足關于EMC規范的高性能期望時，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

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

      當交流發電機在小于滿載時運行，且負載恒定時，自動電壓調節器（AVR）使用來自電壓感應的功率進行激勵。基于自動電壓調節器（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節器（AVR）的勵磁電壓。與同一交流發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  永磁發電機AVR接線圖

圖4  勵磁增強系統發電機AVR接線圖

 

 

二、應用說明

 

      由變壓器裝置組成的混合系統，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。這個簡單的系統已經使用了許多年，至今仍被認為是在密封條件下運行的勵磁系統的理想解決方案。電壓增減調節百分比反倒不是最重要的關注問題。

      根據規定，交流發電機需要能夠支持持續短路電流的條件。這將上述定子-輔助繞組（介質規格）和PMG系統（大功率）確定為經認證的船舶應用的兩個指定系統。

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

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

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

 

三、勵磁系統的選擇

 

1、選型考慮因素

       在確定哪種勵磁系統適合該應用時，應考慮以下因素：

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

（2）負載需要什么電機起動方式？通過適當的尺寸，自勵和輔助繞組交流發電機將啟動電機，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）將驅動最大允許電壓失真的規格，而不是交流發電機的無能。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助指定正確的交流發電機。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節器（AVR）電源，建議采用PMG勵磁系統。

2、選型注意事項

      并非所有勵磁系統都可用于每種交流發電機型號。

（1）小功率

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

（2）中等功率

      AS540型自動電壓調節器（AVR），由定子輔助繞組供電，可在S0/S1系列交流發電機上作為標準規格，標識為繞組706。許多AvK交流發電機也使用這種介質規格設計的勵磁系統與數字AVRs。

（3）大功率

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

      有關自動電壓調節器（AVR）與交流發電機類型的兼容性的進一步信息，請參閱AGN024-自動電壓調節器（AVR）選擇。

 

四、激勵系統的過載性能比較

 

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

 

圖5  交流發電機的勵磁系統比較圖

 

      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節器（AVR）供電的各種類型系統的性能的比較性，以及交流發電機的激勵水平。圖5不包括變壓器控制系統的曲線，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，自動電壓調節器（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）。

      為了確保交流發電機輸出電壓調節性能的公布和合同約束功能，安裝在斯坦福交流發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將與發電機組相關的模塊以“負擔”負載連接到傳感變壓器，作為節省成本的一種手段，或作為為其設備包節省空間的解決方案。中壓（MV）和高壓（HV）交流發電機通常也是如此

      斯坦福交流發電機電壓傳感變壓器不適合提供“負載”的技術原因：

（1）侵蝕變壓器容量相關的安全裕度。

（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。為了支持康明斯發電機技術政策，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生的諧波失真，這可能會對自動電壓調節器（AVR）的性能產生不利影響。

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電機的輸出端子的情況下進行。為了實現操作連續性，假定交流發電機為四極轉子設計：

1、斷開自動電壓調節器（AVR）的F1[X]和F2[XX]，并將這些勵磁磁場連接到12V直流電源，F1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的交流發電機，連接在串聯星（繞組311）或星（繞組312）連接，工作在50Hz。對于典型的60Hz電壓，其乘法系數為1.2。如果交流發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（并聯運行或星三角接法），則對以下建議的電壓水平施加適當的因素。

3、測量交流發電機輸出端子之間的電壓：

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

4、測量交流發電機輸出端子之間的電壓：

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

5、測量自動電壓調節器（AVR）感應輸入端子處的電壓：7~8。電壓讀數應為測量到的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節器（AVR）并重新啟動發動機。交流發電機應自勵并產生額定電壓。如果交流發電機不自勵，則測量自動電壓調節器（AVR）輸入端子上的電壓。這應該超過5V。

（2）如果低于5V，請按照康明斯發電機技術手冊（安裝、維護和維護手冊）中的檢查交流發電機。這包括在額定速度下運行發電機組，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）。在自動電壓調節器（AVR）的控制下，交流發電機的輸出電壓能達到所需的水平。

（3）如果上述測試產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，但不在規定的水平范圍內，則勵磁系統存在故障：

（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。有關繞組電阻值和測試程序，請參閱康明斯發電機技術手冊（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”系統是專門為SX460型自動電壓調節器（AVR）生產的，但也可適用于所有其他SX和AS型自動電壓調節器（AVR）。下列圖6參考了SX460類型的自動電壓調節器（AVR）。

 

斯坦福發電機電壓自動調節器電源接線圖

 

      電壓調節器（AVR）測試步驟：

1.關閉電源，并連接自動電壓調節器（AVR）。

2.完全逆時針旋轉自動電壓調節器（AVR）伏特電位器。

3.將可變變壓器轉到最小電壓位置。

4.接通電源，調整可變變壓器，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.確保指示燈現在已經亮起來了。

8.緩慢調整可變變壓器，使端子7和8之間存在200伏交流。

9.確保指示燈現在未點亮。

10.將可變變壓器調整到最低電壓位置。

11.關閉市電電源，并斷開自動電壓調節器（AVR）的連接。測試完成。

 

 

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