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功能说明与康明斯知识 |
发电机电压调节器原理与电源正确接线 |
摘要：为自动电压调节器（AVR）提供电源的最简单的方法是直接从定子绕组的输出端子获取电力。该系统具有成本效益，设计简单，可靠性好，是斯坦福系列小型交流发电机的基本产品，包括S0//S1、P0/P1、UC（S2/S3）、S4和HC5（S5）。在连接的负载和自动电压调节器（AVR）之间共享使用交流发电机的输出电压可能会很麻烦，但世界上70%的工作发电机组使用这种工作原理。在康明斯发电机技术的术语，这种类型的交流发电机被称为自励，这些交流发电机提供一个类似的自动电压调节器（AVR），从SX或AS范围-SX460，AS440，AS540，AS480。
自动电压调节器（AVR）提供专用电源将允许交流发电机的励磁保持，并在连接的电网内短路故障或交流发电机输出连接的情况下强制供电。其作用是维持和迫使交流发电机励磁系统，迫使交流发电机提供数倍额定电流的输出电流，同时尽可能保持接近标称的输出电压，使交流发电机能够对瞬间过载情况提供良好的响应，如电机启动和故障条件下，电流水平应激活受影响的电路过载保护断路器或熔断保险丝，从而继续供应剩余的良好电路和连接设备。
一、励磁系统的分类
为自动电压调节器（AVR）提供电源有几种方法——这些方法都有其优缺点。在确定哪个交流发电机最适合为给定的负载供电时，必须考虑励磁功率的类型。大多数交流发电机制造商将提供以下不同方法的产品：
1、自励磁
自励磁交流发电机使用主定子输出为自动电压调节器（AVR）供电，并为励磁系统供电。这允许建立一个简单和成本效益高的系统。然而，如果交流发电机的加载方式使输出电压显著下降，这也会降低到自动电压调节器（AVR）的功率。如果电压下降得足够远，自动电压调节器（AVR）将无法提供足够的励磁功率，交流发电机的输出电压将会崩溃。这就限制了自励交流发电机的电机起动能力。自励式交流发电机将不会保持短路电流-如果短路情况没有立即清除，短路电流将迅速衰减为0。其电路接线如图1所示。
2、辅助绕组
一个绕组可以安装在交流发电机的定子中，它被专门设计为为数字或模拟自动电压调节器（AVR）提供一个独立的电源。通过仔细的设计和绕组位置，这种“定子辅助绕组”能够在所有正常的工作条件下为自动电压调节器（AVR）提供稳定的输出电压，包括高达150%的额定kVA。如果交流发电机发生严重过载或虚拟短路故障，则“定子辅助”将增加自动电压调节器（AVR）可用的电压水平，因此，使高水平的励磁强迫发展，以使交流发电机对过载情况作积极响应。这使得交流发电机可以在短路条件下维持其输出，因此负载的保护设备有时间清除故障。在非线性负载（非线性负载（NLL）情况下，辅助绕组还提供一些自动电压调节器（AVR）功率的隔离。NLLs导致交流发电机输出端的电流失真，从而使输出电压失真。这种失真对自动电压调节器（AVR）在调节励磁机的功率方面提出了挑战。通过有一个单独的绕组提供电源，减少了从nll到自动电压调节器（AVR）电源的失真。其电路接线如图2所示。
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自激励发电机AVR接线图. |
辅助绕组励磁系统发电机AVR接线图 |
3、永磁发电机
一个小型永磁发电机（PMG）安装在交流发电机轴的非驱动端，该单元的输出作为一个独立的和完全隔离的电源供应给数字和磁铁激励（MX）型AVRs。PMG和相关范围的数字AVRs和MX型模拟AVRs已被设计为在过载和故障条件下提供良好的性能。PMG提供了更高的电机启动能力，当交流发电机连接到nll或期望满足关于EMC规范的高性能期望时，也提供了卓越的性能。其电路接线如图3所示。
4、励磁增强系统
如果PMG在较小的交流发电机上不兼容，则可以使用一个励磁增强系统（EBS），根据负载需求为交流发电机的励磁机定子提供并联励磁功率。EBS由一个小型永磁励磁升压发生器（EBG）和一个励磁升压控制器（EBC）组成。当交流发电机转子旋转时，EBG就提供了电压，而EBC根据来自自动电压调节器（AVR）的驱动信号确定了提供给励磁的升压水平。
当交流发电机在小于满载时运行，且负载恒定时，自动电压调节器（AVR）使用来自电压感应的功率进行激励。基于自动电压调节器（AVR）对维持电压传感设定点所需的励磁水平的需求，EBS将补充来自自动电压调节器（AVR）的励磁电压。与同一交流发电机的自励电机启动kVA相比，EBS允许增加电机启动，并允许交流发电机维持短路的必要的时间来清除故障。其电路接线如图4所示。
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图3 永磁发电机AVR接线图 |
图4 励磁增强系统发电机AVR接线图 |
二、应用说明
由变压器装置组成的混合系统，通过使负载电流流过初级线圈，从而使励磁成比例增加，在过载和故障条件下提供出色的性能。这个简单的系统已经使用了许多年，至今仍被认为是在密封条件下运行的励磁系统的理想解决方案。电压增减调节百分比反倒不是最重要的关注问题。
根据规定，交流发电机需要能够支持持续短路电流的条件。这将上述定子-辅助绕组（介质规格）和PMG系统（大功率）确定为经认证的船舶应用的两个指定系统。
如果仔细考虑励磁系统的类型，在指定的负荷阶跃条件下指定低水平的瞬态电压下降[TVD%]的应用程序可以选择可能最小的交流发电机。
由谐波扭曲的非线性负载组成的技术负载，只有通过确保交流发电机配备了一个为自动电压调节器（AVR）提供独立电源的励磁系统，才能令人满意地供电。在这里，PMG系统远远优于定子辅助绕组方案。在有些情况下，变压器控制系统是理想的。
与电磁兼容性（EMC）相关的低水平“噪声”的要求需要仔细考虑到自动电压调节器（AVR）的电源来源。
三、励磁系统的选择
1、选型考虑因素
在确定哪种励磁系统适合该应用时，应考虑以下因素：
（1）应用程序是否需要交流发电机维持短路？如果需要持续短路，励磁系统必须配备辅助绕组、EBS或PMG。
（2）负载需要什么电机起动方式？通过适当的尺寸，自励和辅助绕组交流发电机将启动电机，但如果它有一个EBS或PMG，也可以指定一个更小的交流发电机。请咨询应用程序工程部以获得帮助。
（3）如果存在NLL（非线性负载），负载将接受的最大谐波电压失真是多少？NLL（非线性负载）将驱动最大允许电压失真的规格，而不是交流发电机的无能。如果NLL（非线性负载）特性（6脉冲、12脉冲等），请咨询应用工程部以协助指定正确的交流发电机。并提供了最大的THD（谐波畸变率）。为了最佳地隔离自动电压调节器（AVR）电源，建议采用PMG励磁系统。
2、选型注意事项
并非所有励磁系统都可用于每种交流发电机型号。
（1）小功率
在P0/P1、S4和HC5系列交流发电机上使用自激类似物（S5）型AVRs，具有标准规格。AS型AVRs也可在UC22（S2）和UC27（S3）系列交流发电机上提供，作为一个可选的规格。
（2）中等功率
AS540型自动电压调节器（AVR），由定子辅助绕组供电，可在S0/S1系列交流发电机上作为标准规格，标识为绕组706。许多AvK交流发电机也使用这种介质规格设计的励磁系统与数字AVRs。
（3）大功率
EBS（ 励磁助推系统）可在P0/P1交流发电机上使用，PMG与数字AVRs一起使用，作为一些斯坦福和一些AvK交流发电机的可选规格——P80系列交流发电机的设计标准。MX 自动电压调节器（AVR）型PMG是S6和P7（S7）系列交流发电机的标准设计选择。此外，PMG是在UC22（S2）、UC27（S3）和S4系列交流发电机上使用MX型自动电压调节器（AVR）的可选规格。
有关自动电压调节器（AVR）与交流发电机类型的兼容性的进一步信息，请参阅AGN024-自动电压调节器（AVR）选择。
四、激励系统的过载性能比较
下列图5是基于一个85kVA（斯坦福型号为UCI224G）交流发电机的测试数据。
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图5 交流发电机的励磁系统比较图 |
它配有一个实验性的定子辅助绕组。该图显示了用于为自动电压调节器（AVR）供电的各种类型系统的性能的比较性，以及交流发电机的激励水平。图5不包括变压器控制系统的曲线，但这将显示一条曲线，在标称400V线下，在2.5 pu负载、短路、0pu电流和5.0 pu电流下通过350V。
五、加载平均电压感应变压器
从一个良好的工程定制和实践的位置来看，自动电压调节器（AVR）电压传感变压器，通常用于480V以上的机器，不应该用于为客户提供“负载”（负载电路）。
为了确保交流发电机输出电压调节性能的公布和合同约束功能，安装在斯坦福交流发电机上的电压传感变压器被设计为一个过容量的元件作为安全裕度。有时，客户可能会要求授权将与发电机组相关的模块以“负担”负载连接到传感变压器，作为节省成本的一种手段，或作为为其设备包节省空间的解决方案。中压（MV）和高压（HV）交流发电机通常也是如此
斯坦福交流发电机电压传感变压器不适合提供“负载”的技术原因：
（1）侵蚀变压器容量相关的安全裕度。
（2）引入了客户负荷电路的电流消耗特性可能导致AVR电压传感水平的错误，甚至可能具有脉动特性，进而导致AVR不稳定的风险。
（3）客户连接的电缆可能损坏，或其负荷电路可能出现故障。这两种情况都将导致AVR没有接收到正确的传感电压水平，并有交流发电机可能被过度励磁的风险，危害如下：
① 在最好的情况下，一个过电压探测器将使交流发电机停止工作。
② 在最坏的情况下，一些非常昂贵的连接电气设备可能会被损坏。
即使在上述三点与客户分享后，他们的工程师的逻辑可能会挑战和重新争论，变压器设计的VA评级仍然轻松高于AVR和客户提出的负担加总负荷水平。为了支持康明斯发电机技术政策，必须考虑以下几点：
① 良好的防止措施是连接的电缆必须包括一个精心选择的过流设备，如果发生故障，它将断开所有三个阶段——即使只在一个阶段。从而确保AVR仍然提供了一个精确和实时的3相位传感输入。
② 不会有与相邻电缆的电磁连接，可能导致在电压传感方案中产生的谐波失真，这可能会对自动电压调节器（AVR）的性能产生不利影响。
③ 电缆提供了一个线路“导管”，这提供了足够的机械保护，以确保它们不会意外地被机械损坏。
六、无电压输出的测试
偶尔也有关于小功率、自激模拟AS型和SX型AVRs不提供输出电压的报告。本节提供了一个“测试程序”。本测试程序必须在不加载连接到交流发电机的输出端子的情况下进行。为了实现操作连续性，假定交流发电机为四极转子设计：
1、断开自动电压调节器（AVR）的F1[X]和F2[XX]，并将这些励磁磁场连接到12V直流电源，F1为正极。
2、在空载启动和运行下，安装有标准定子绕组311或312的交流发电机，连接在串联星（绕组311）或星（绕组312）连接，工作在50Hz。对于典型的60Hz电压，其乘法系数为1.2。如果交流发电机装有与标准绕组311/312不同的定子绕组，或者标准绕组连接在不同的配置（并联运行或星三角接法），则对以下建议的电压水平施加适当的因素。
3、测量交流发电机输出端子之间的电压：
N- U；N- V；N- W所有电压读数应为相同的电压，且读数应在200V<250V范围内。
4、测量交流发电机输出端子之间的电压：
U - V ；U - W ；V - W 所有电压读数应为相同的电压，且读数应在380V~450 V范围内。
5、测量自动电压调节器（AVR）感应输入端子处的电压：7~8。电压读数应为测量到的U-V电压的一半。
6、停机测试。
从励磁机F1-F2引线上断开12V直流电源：
（1）如果以上所有测试都提供了平衡和预期的电压水平，则重新连接F1和F2励磁机场导致自动电压调节器（AVR）并重新启动发动机。交流发电机应自励并产生额定电压。如果交流发电机不自励，则测量自动电压调节器（AVR）输入端子上的电压。这应该超过5V。
（2）如果低于5V，请按照康明斯发电机技术手册（安装、维护和维护手册）中的检查交流发电机。这包括在额定速度下运行发电机组，然后安全将励磁暂时接入12V蓄电池电源（F1[X]正端，AVR的F2 [XX]负端）。在自动电压调节器（AVR）的控制下，交流发电机的输出电压能达到所需的水平。
（3）如果上述测试产生了平衡和正确的电压水平，并且AVR输入端子上的电压，一旦重新连接到AVR，超过5V，但交流发电机即使在“闪烁”后也不会自励，那么应该安装一个更换的AVR。
7、如果上述测试确实提供了平衡电压，但不在规定的水平范围内，则励磁系统存在故障：
（1）检查整体外观，然后检查励磁机场的电阻应该是20±5欧姆。
（2）然后检查主转子绕组的整体外观和电阻，它应该是2.0欧姆左右。
（3）检查整体外观，然后检查励磁机电枢绕组的电阻。这三相绕组是星形连接的，每个相有两个导线，每对有一个是+ve和-ve二极管。绕组电阻值很低，需要用四端子桥进行测量。
（4）检查旋转二极管组件组件的状况和外观。用“二极管测试”用万用表测试二极管，识别在电压的正常工作水平下出现故障的二极管。
拆卸240V 1ph电源上的二极管和台式测试，每个二极管与40W<150W灯丝灯泡单独连接。一个良好的二极管将被确定时，当灯泡是在一半的亮度。如果没有光或灯完全亮，则识别出有故障的二极管。检查旋转二极管组件喘振抑制器。这个装置有一个非常高的阻力，应该没有显示过热的迹象。
如果上述测试没有在定子端子处提供平衡电压，并且交流发电机在单独被激励时有故障，则定子绕组很可能被损坏。有关绕组电阻值和测试程序，请参阅康明斯发电机技术手册（安装、维护和维护手册）。
七、自激型avr的工作台测试
下面的“台架测试”系统是专门为SX460型自动电压调节器（AVR）生产的，但也可适用于所有其他SX和AS型自动电压调节器（AVR）。下列图6参考了SX460类型的自动电压调节器（AVR）。
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斯坦福发电机电压自动调节器电源接线图 |
电压调节器（AVR）测试步骤：
1.关闭电源，并连接自动电压调节器（AVR）。
2.完全逆时针旋转自动电压调节器（AVR）伏特电位器。
3.将可变变压器转到最小电压位置。
4.接通电源，调整可变变压器，使端子7和8之间存在6伏交流电压。5.测量各端子x（+）和xx（-）之间的电压。这应该大于1伏特的直流电。6.缓慢调整可变变压器，使端子之间存在100伏交流7和8。
7.确保指示灯现在已经亮起来了。
8.缓慢调整可变变压器，使端子7和8之间存在200伏交流。
9.确保指示灯现在未点亮。
10.将可变变压器调整到最低电压位置。
11.关闭市电电源，并断开自动电压调节器（AVR）的连接。测试完成。
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