发电机控制系统操作、保养及故障排除 崔宝磊 伊拉克公司 2016.02.28

一、发电机基本知识及原理 二、发电机控制系统基本原理 三、发电机故障排除及案例分析

一、发电机基本知识及原理

发电机在目前品牌众多，比较出名的有：美国康明斯（cummins）、英国劳斯莱斯（又名珀琼斯Perkins）、日本三菱（MITSUBISHI）、美国卡特彼勒（CATERPILLAR）、美国底（Detroit）、德国的道依茨（Deutz）、斯堪尼亚（Sxania）、瑞典的沃尔沃（又名富豪，VOLVO）、日本的日野（Hino）、德国的奔驰（Benz/MTU）、日本的日产（又名尼桑Nissan）、日本的五十铃（ISUZU）、大利的依维柯（Iveco）、日本的小松（Komatsu）、日本的羊马（YANMAR）、美国的科勒（又名底特律KOHLER）、德国的曼（低速机Man）、英国的多盟（低速机Dorman）。

发电机组从转速可分为：低速机（350r/min左右）、中速机（650r/min左右）、高速机（1500r/min左右。 发电机组从频率上可分为：50赫兹（HZ）发电机和60赫兹（HZ）发电机两种。 发电机组从能量上可分为：核、水力、风力、火力。其中火力又分为煤、柴油、汽油、煤气。 柴油又分轻质柴油（0#柴油，常用于高速柴油机）和重油（120#、180#柴油，常用于中速柴油机和低速柴油机）  

法拉第 发现了电磁感应定律：运动的封闭导体有一部分在磁场中运动，就会感应出电流。 发电机认识 法拉第 发现了电磁感应定律：运动的封闭导体有一部分在磁场中运动，就会感应出电流。 因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的电流称为感应电流。

实验一 当条形磁铁插入或拨出线圈回路时，在线圈回路中产生电流； 当磁铁与线圈保持相对静止时，回路中不存在电流。 因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的电流称为感应电流。

实验二 以通电线圈代替条形磁铁： 1.当载流主线圈相对于副线圈运动时，副线圈回路内有电流产生； 2.当载流主线圈相对于副线圈静止时，如果改变主线圈中的电流，则副线圈中也会产生电流。 因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的电流称为感应电流。

发电机原理 发电机组是把柴油机的机械能转换成为电能的设备。柴油发电机组是一种独立的发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动机带动发电机发电的动力机械。 柴油发电机特点：柴油发电机组属非连续运行发电设备，如连续运行超过12h,其输出功率将低于额定功率约90%。柴油发电机组的功率将降低。 采发优点：体积小、灵活、轻便、配套齐全、便于操作和维护。

柴油发电机组主要由柴油机和发电机两部分组成。柴油机主要是提供机械能，发电机的作用是把柴油机传递的机械能转换为电能，并给系统提供无功。 因此，柴油机功率的大小，直接决定了整个机组的功率大小，而发电机容量的大小，则决定了整个系统容量的大小。

二、发电机控制系统基本原理

发电机 速度控制器 励磁板DECS100 辅助控制 常用发电机控制组成 2301A 2301E 2301D EY3000 EGCP-3 励磁 测速 执行 2301A 2301E 2301D EY3000 EGCP-3

概述 电气组成部分：速度调节器、执行器、速度反馈单元（MPU） 机械部分组成： 1.静止部分： 定子组成（机座、定子铁芯、定子绕组：辅助励磁机定子和端盖） 2.转动部分：磁极绕组、转子铁芯、电机轴、轴承、风扇、交流励磁机电枢、旋转整流器

1.电液执行器 电液执行器：柴油机调速系统中最常见一种执行机构，其基本原理为：外加一直流电流到执行器内的盘式电机上，盘式电机能根据电流的大小转动相应的角度，并拉动与之相连的连杆动作，去调节系统喷油。当无电流输入时，连杆在弹簧的作用下自动复位。

2.数字控制器 当对于近年的电控喷油式柴油机如CAT3512B，就没有执行器，取而代之的是ECM数字式速度控制器，其喷油时间及大小是靠ECM电子控制器控制。

3.速度调节器 速度调节器需要与发电机执行器相匹配。我们常使用的CA3512(A)系列、济柴及三菱柴油机使用的0-200mA电液执行器，所以选用调速器需要选用0-200mA输出。 对于使用数字式执行器的机组，CAT3512B系列柴油机，由于采用的是电控喷油调节系统，其喷油时间及大小是靠ECM电子控制器控制，而ECM需要的是一个占空比可调节的脉宽信号（PWM信号），所以需要增加一个信号转换器。

4.控制原理 发电机调速系统一般采用速度调节器对柴油机执行器进行控制，从而对柴油机机械式喷油泵进行调节，以此控制进油量的大小。 2301A启动过程:当检测到执行器速度传感器采集飞轮上齿数脉冲到速度传感器，把该频率值转化为一与速度成正比的电压值。在跟给定电压做比较后放大输出到执行器控制柴油机。

5.常见调节参数： RESET:对扰动的响应时间长短 GAIN:对扰动响应的增益 DROOP:负载时速度变化的大小。常用于并无限大电网时 LOAD GAIN:调节负荷分配线路电压。电压越高，对负荷变换越敏感 ACTUATOR COMPENSATION:执行器补偿时间，可以调整输出信号到执行器动作的延迟时间，适当修改此参数可以避免游车。

发电机励磁系统 1.概述 现在发电机励磁系统普遍采用自动电压调节器进行控制的无刷励磁。根据起励方式的不同分为以下两种方式： A.采用辅助励磁机（PMG）起励 B.剩磁起励发电

永磁式中频发电机 2.采用辅助励磁机（PMG）起励 采用辅助励磁发电机的系统，在发电机转子上多了一台辅助励磁机。辅助励磁机是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。当发电机转子运转在额定转速下时，辅助励磁能产生一个恒定的电源，为电压调节器提供电源，所以不存在起励的问题。

3.剩磁起励发电 剩磁——铁磁材料磁化过程中外加磁场消失后铁磁材料还保留的磁场。发电机剩磁——停机后定转子铁芯保留的剩磁。对于自励式发电机，靠剩磁发电，发出的电再向转子绕组供电，加强转子磁场，通过正反馈使发电机输出电压逐渐升高，最后达到额定电压。如果没有剩磁，发电机就没法发电了。要使发电机停机后还有足够的剩磁，必须先断负载（用电器），再停发电机、原动机（柴油机、汽油机等）！

剩磁起励发电 它是利用交流励磁机，其钉子上的剩磁建立电压，该交流电压经过旋转整流起整后，送入主发电机的励磁绕组，使发电机建压。 内部配置自动调节器（AVR）能更据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的设定电压近似不变。

3.剩磁起励发电 剩磁起励系统电压调节器电源来自于连接于发电机出线上的电源变压器。当需要发电时，电压调节电源只能由发电机剩磁发出的电来提供。这就要求电压调节的起励工作电压很低。我们用的DECS-100电压调节器起励电压为6VAC。 常用柴油机：CAT系列、康明斯发电机组、济柴发电机组）

主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。 无刷励磁系统的优点是：取消了滑环和碳刷等转动接触部分。 缺点是：在监视与维修上有其不方便之处。转子回路的电压电流都不能直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管的运行状况，接线是否开脱都不便监视，因而在运行维护上不太方便

4.电压调节的特性 在单车运行时，调节发电机的励磁电流大小，实际上就是调节发电机电压。 在发电机并网运行后，调节发电机励磁电流大小，发电机电压要受电网上其他发电机影响，此时励磁电流会影响发电机组间无功电流的分配。 拐点：低频率拐点设置决定了在低频时何时开始降压。 压频曲线：压频曲线决定了在拐点以下电压的下降率。

5.无功控制 系统无功的分配是靠各电压调节器DROOP电压降落曲线实现的。DROOP为在额定负载时电压降落的百分数。若机组初始电压一致，DROOP一致，那么带相同负载时，机组间电压相等，无功功率也相等。DROOP值越大，系统对无功分配的变化越敏感。

6.并车： 电压相同 频率相同 相位角相差在一定范围内

7.常见保护 欠压 欠频 过压 过频 逆功 功率限制 过流

三、发电机故障排除及案例分析

发电机故障分类： 1.相间故障。 2.定子匝间短路； 3.铁芯故障； 4.内部引线故障； 5.定子绕组开路故障； 6.定子接地故障； 7.转子接地故障； 8.异常故障：发电机失磁、过压、过励磁、过负荷、失速、频率变化等故障中的任何一种照成保护装置动作跳闸的故障； 9.外部故障：外部单线接地、两相接地、两相短路、三相短路、接地等故障。 发电机故障分类：

由于发电机运行环境温度处于高温、高速、高电压、及大电流的条件下，发电机发生事故较频繁，并且故障具有突发性，多发性和相互诱发的特点，其故障往往并不是存电气或存机械故障。下面对发电机的一些常见故障类型及其故障原因。现象的分析和处理方法做一个简单统计：

3.1 发电机中性点对地有异常电压 3.2 发电机过流

3.3发电机频率过高或者过低

3.4 发电机失去剩磁 3.5 发电机启动后电压升不起来

3.6 非同期并线：

3.7 发电机过热       （1）发电机没有按规定的技术条件运行，如定子电压过高，铁损增大；负荷电流过大，定子绕组铜损增大；频率过低，使冷却风扇转速变慢，影响发电机散热；功率因数太低，使转子励磁电流增大，造成转子发热。应检查监视仪表的指示是否正常。如不正常，要进行必要的调节和处理，使发电机按照规定的技术条件运行。       （2）发电机的三相负荷电流不平衡，过载的一相绕组会过热；若三相电流之差超过额定电流的10%，即属于严重蛄相电流不平衡，三相电流不平衡会产生负序磁场，从而增加损耗，引起磁极绕组及套箍等部件发热。应调整三相负荷，使各相电流尽量保持平衡。       （3）风道被积尘堵塞，通风不良，造成发电机散热困难。应清除风道积尘、油垢、使风道畅通无阻。

  （4）进风温度过高或进水温度过高，冷却器有堵塞现象。应降低进风或进水温度清除冷却器内的堵塞物。在故障未排除前，应限制发电机负荷，以降低发电机温度。       （5）轴承加润滑脂过多或过少，应按规定加润滑脂，通常为轴承室的1/2～1/3（转速低的取上限，转速高的取下限），并以不超过轴承室的70%为宜。       （6）轴承磨损。若磨损不严重，使轴承局部过热；若磨损严重，有可能使定子和转子摩擦，造成定子和转子避部过热。应检查轴承有无噪音，若发现定子和转子摩擦，应立即停机进行检修或更换轴承。       （7）定子铁芯绝缘损坏，引起片间短路，造成铁芯局部的涡流损失增加而发热，严重时会使定子绕组损坏。应立即停机进行检修。       （8）定子绕组的并联导线断裂，使其他导线的电流增大而发热。应立即停机进行检修。

3.8 发电机中性线对地有异常电压       （1）正常情况下，由于高次谐波影响或制造工艺等原因造成各磁极下的气隙不均、磁势不等而出现的很低电压，若电压在一至数伏，不会有危险，不必处理。       （2）发电机绕组有短路或对地绝缘不良，使用电设备及发电机性能变坏，容易发热，应及时检修，以免事故扩大。       （3）空载时中性线对地无电压，而有负荷时出现电压，是由于三相不平衡引起的，应调整三相负荷使其基本平衡。

3.9 发电机过电流 3.10 发电机端电压过高 （1）负荷过大，应减轻负荷。 3.9 发电机过电流       （1）负荷过大，应减轻负荷。       （2）输电线路发生相间短路或接地故障，应对线路进行检修，故障排除后即可恢复正常。 3.10 发电机端电压过高       （1）与电网并列的发电机电网电压过高，应降低并列的发电机的电压。       （2）励磁装置的故障引起过励磁，应及时检修励磁装置。

3.11 无功功率不足 由于励磁装置电压源复励补偿不足，不能提供电枢反应所需的励磁电流，使发电机端电压低于电网电压，送不出额定无功功率，应采取下列措施：       （1）在发电机与励磁电抗器之间接入一台三相调压器，以提高发电机端电压，使励磁装置的磁势逐渐增大。       （2）改变励磁装置电压磁通势与发电机端电压的相位，使合成总磁通势增大，可在电抗器每相绕组两端并联数千欧、10W的电阻。       （3）减小变阻器的阻值，使发电机的励磁电流增大。

3.12 铁芯片间短路       （1）铁芯叠片松弛，当发电机运转时铁芯产生振动而损坏绝缘；铁芯片个别地方绝缘受损伤或铁芯局部过热，使绝缘老化，就按原计划条中的方法进行处理。       （2）铁芯片边缘有毛刺或检修时受机械损伤。应用细锉刀除去毛刺，修整损伤处，清洁表面，再涂上一层硅钢片漆。       （3）有焊锡或铜粒短接铁芯，应刮除或凿除金属熔接焊点，处理好表面。       （4）绕组发生弧光短路，也可能造成铁芯短路，应将烧损部分用凿子清除后，处理好表面。

3.13 发电机失去剩磁，起动时不能发电 3.14 自动励磁装置的励磁电抗器温度过高 3.13 发电机失去剩磁，起动时不能发电       （1）停机后经常失去剩磁，是由于励磁机磁极所用的材料接近软钢，剩磁较少。当停机后励磁绕组没有电流时磁场就消失，应备有蓄电池，在发电前先进行充磁。       （2）发电机的磁极失去磁性，应在绕组中通入比额定电流大的直流电流（时间很短）进行充磁，即能恢复足够的剩磁。 3.14 自动励磁装置的励磁电抗器温度过高       （1）电抗器线圈局部短路，应检修电抗器。       （2）电抗器磁路的气隙过大，应调整磁路气隙。

3.15 发电机起动后，电压升不起来 （1）励磁回路断线，使电压升不起来。应检查励磁回路有无断线，接触是否良好。 3.15 发电机起动后，电压升不起来       （1）励磁回路断线，使电压升不起来。应检查励磁回路有无断线，接触是否良好。       （2）剩磁消失，如果励磁机电压表无批示说明剩磁消失，应对励磁机充磁。       （3）励磁机的磁场线圈极性接反，应将它的正、负连接线对换。       （4）在发电机检修中做某些试验时误把磁场线圈通以反向直流电，导致剩磁消失或反向，应重新进行充磁。

10.现场常见发电机问题分析： 常见案例分析一： 1.无法起车: 检查方法：1.线缆检查，屏蔽是否接入良好、器件是否正常（执行器阻值：30欧姆左右；测速传感器阻值：90欧姆左右；励磁绕组阻值：12欧姆左右）2.用万用表检查2301执行器输出电压，在起车时，若执行器有输出，检查输出到执行器的线路有无断路和接反；若线路正常，检查柴油机是否进空气；若执行器无输出，检查测速脉冲是否到达模块，电压是否正常或者考虑更换2301A。若速度传感器与飞轮间距过大，将导致速度脉冲电压过低使得2301A无法检测到转速信号。 其他：起车前需预热，停车时需要冷却。

发电机案例分析二 发电机SPM-D11显示发电机频率波动很大:故障现象：当启动电机时发电机频率被拉低，停机时频率被拉高。判断原因：发电机游车、屏蔽未接好、执行器屏蔽接入方式错误。

发电机部分故障分析 50.05HZ 49.41HZ 49.35HZ 50.61HZ

解决方法: 先检查屏蔽。检查2301A或者2301D上的屏蔽是否接地良好，检查执行器屏蔽是否好，是否有接触现象；特别注意VFD房天窗插件屏蔽线是否与外部插件的屏蔽线没有连接好。 发电机本地执行器屏蔽线是否接地，有效减小静态游车现象； 2301A调节器旋钮实现发电机频率稳定：当出现静态游车时慢慢减小增益，直到性能稳定；或者在减小增益的同时增大执行器补偿值，当出现动态游车是，则需要增大复位旋钮，并且减小增益旋钮直到性能稳定，如还是波动则请慢慢增大执行器补偿并重新调整增益和复位旋钮，直到系统稳定。

SPM-D11调节参数实现：通过调节评论控制器比例Kp,和积分调节器Kt,原则是减小Kp,增大Kt,而保障系统稳定 检查控制线绝缘性能，用钳形万用表检查只接地线缆接入电流，电流不应高于发电机输出总电流的100%/1即可。

发电机案例分析三 SPM-D11 带载并车时负责分配不均匀:负载一直在两车之间上下增减，无法分配均匀 问题现象频率或电压不断相互调节，两组等不断亮。灭来回调节，无法平恒：

相关解决方案： 1.检查发电机是否有游车现象或者屏蔽不好导致频率不稳定，并车后出现逆功； 2.检查SPM-D11内部参数是否设置正确：频率控制模式中将积分时间Tn放大，2.5更改到4.S甚至更高，即可解决负责分配时间长问题。 频率控制和电压控制方式中，存在PID调节，PID调节各参数的作用：