发电机励磁系统原理和故障解决方案
摘要：维护和调试好励磁系统对于柴油发电机组的安全运行意义重大，但是也应知道再完美的设备在运行中都可能出现故障，如何针对故障快速诊断和排除是维护人员重要职责和任务，励磁系统自然也不例外，因此本文对励磁系统工作原理、常见故障及其应对措施进行了探讨。 通过本文的检修步骤，可系统性地排查和解决励磁系统故障，保障发电机稳定运行。若问题复杂，建议结合设备手册或寻求专业技术支持。
一、励磁系统工作原理和构造
1、他励励磁系统结构和原理
他励励磁系统（Separately Excited Excitation System）是一种通过独立电源为发电机励磁绕组提供励磁电流的励磁方式，原理如图1所示。与自励系统（利用发电机自身输出作为励磁电源）不同，他励系统的励磁电源与发电机输出完全独立，因此具有更高的稳定性和可控性。
（1）系统组成
① 励磁电源：通常由独立的直流电源（如蓄电池）或交流励磁机（通过整流后供电）提供。
示例：柴油发电机组可能配备小型永磁发电机（PMG）或辅助励磁机。
② 自动电压调节器（AVR）：核心控制部件，通过调节励磁电流大小来控制发电机输出电压。
③ 励磁绕组：发电机转子的线圈，通电后产生磁场。
④ 整流装置（若使用交流励磁机）：将交流励磁机输出的交流电转换为直流电，供励磁绕组使用。
（2）工作原理流程
① 启动阶段发电机启动时，由外部独立电源（如蓄电池或PMG）提供初始励磁电流，使转子绕组产生磁场。即使发电机未发电，励磁电流仍可独立维持。
② 发电过程：转子磁场随柴油机驱动旋转，切割定子绕组（电枢），在定子中感应出交流电压。
③ AVR控制：AVR实时监测发电机输出电压（通过电压互感器反馈）。若输出电压低于设定值，AVR增大励磁电流，增强转子磁场，从而提高输出电压。若输出电压过高，AVR减小励磁电流，减弱磁场，降低输出电压。
④ 动态响应：当负载突增时，发电机输出电压下降 → AVR快速增加励磁电流 → 磁场增强 → 电压恢复。当负载突减时，发电机输出电压上升 → AVR减少励磁电流 → 磁场减弱 → 电压回落。
图1 同步发电机他励励磁系统原理框图
2、自并励励磁系统结构和原理
自并励励磁系统（Self-Excited Shunt Excitation System）是一种利用发电机自身输出电能为励磁绕组供电的励磁方式，原理如图2所示。其核心特点是励磁电源取自发电机定子输出端，通过整流和反馈控制形成闭环调节，无需外部独立电源。这种系统结构简单、成本低，但对剩磁和负载波动较为敏感。
（1）系统组成
① 励磁绕组：发电机转子的线圈，通电后产生旋转磁场。
② 自动电压调节器（AVR）：核心控制单元，通过调节励磁电流实现电压稳定。
③ 整流装置：将发电机输出的交流电转换为直流电，供励磁绕组使用（如二极管或可控硅整流桥）。
④ 电压互感器（PT）与电流互感器（CT）：用于检测发电机输出电压和电流，反馈至AVR。
（2）工作原理流程
① 初始启动与剩磁建立：发电机转子铁芯中必须存在微弱剩磁（如停机后残留的磁场）。柴油机启动后，转子旋转，剩磁磁场切割定子绕组，感应出微小交流电压（通常为几伏至几十伏）。
② 自激过程：定子输出的微小电压经整流后，为励磁绕组提供初始励磁电流。励磁电流增强转子磁场 → 磁场增强导致定子输出电压升高 → 更高的输出电压进一步增大励磁电流，形成正反馈循环。
③ AVR介入调节：当电压接近额定值时，AVR开始工作，通过调整励磁电流（如控制可控硅导通角）实现精准稳压。
④ 电压闭环控制：AVR实时监测发电机输出电压，与设定值比较后生成控制信号。若电压偏低 → AVR增大励磁电流 → 增强磁场 → 电压回升。若电压偏高 → AVR减小励磁电流 → 减弱磁场 → 电压下降。
⑤ 负载突变响应：突加负载时，输出电压瞬间跌落 → AVR快速增加励磁电流，补偿电压下降。负载减少时，电压骤升 → AVR立即减少励磁电流，抑制过压。
图2 发电机自并励励磁系统工作原理图
二、励磁系统常见故障与应对措施
1、起励失败
起励失败是指励磁系统下达投励指令后，发电机无法建立初始电压的故障现象。由于柴油发电机励磁系统型号众多，参数设置和信号显示也有所差异，就以EXC9000励磁系统为例说明，在10s内机端电压仍低于发电机额定电压的10%，调节器显示屏会报“起励失败”信号。
（1）主要原因
造成起励失败的原因非常多，比较常见的原因如下：
① 开机检查有疏漏，如功率柜交直流刀闸、起励开关、灭磁开关、PT高压侧刀闸、同步变压器保险座开关等没有合上。
② 起励回路有故障，如线路松动或元器件损坏。
③ 调节器故障。
④ 采用“残压起励”模式，而转子侧剩磁不够。
⑤ 新手操作生疏，按压起励按钮时间太短，不足5s。
（2）解决办法
① 严格按照程序检查开机状态，复核所有环节，避免疏漏。
② 细心观察，如怀疑起励回路故障，通过观察起励接触器动作、吸合声响判断，无声响可能是回路故障；若是调节器故障，可观察调节器I/O板第9号开关输入指示灯是否常亮，灯不亮依次检查接线和上位机指令是否发出。
③ 设备检修后，检查人机界面起励方式是否合适，通过调整起励方式或更换通道重新开机。
④ 维护检修后的故障，不少是先前操作留下的，耐心回想一下曾动过什么就能发现一些苗头，如转子与励磁输出的电缆是否接反了。
2、励磁不稳定
发电机运行过程中，励磁波动过大，例如励磁系统运行数据增大，但有时又正常，无规律可循，并且仍可以进行加减磁的调节。可能原因是：
（1）移相脉冲控制电压输出不正常。
（2）环境温度变化以及元器件受到振动、氧化等影响出现故障。针对第1种原因，应先检查励磁电源是否正常，应分别检查给定值和经适配单元处理后的测量值（发电机电压或励磁电流）是否正常。对第2种原因，利用示波器观察整流波形是否完整，再用万用表检查可控硅性能是否正常，线路焊接状态和元器件特性发生变化就会出现此类故障，平时应加强维护和调试并及时更换有问题的元器件，可降低此类故障发生几率。
3、灭磁不正常
柴油发电机组与电网解列后，灭磁装置要将励磁装置中的剩磁尽快衰减。灭磁方法有逆变灭磁、电阻灭磁等。逆变灭磁失败的原因有回路原因、可控硅控制极故障、交流电源异常、逆变换相超前触发角 角过小等。而EXC9000励磁系统有时会出现灭磁开关多次合闸不成功的故障，其主要原因是直流磁场断路器开关卡涩引起的。由于EXC9000采用了ABB公司的直流磁场断路器，该断路器分闸回路与合闸回路通过机械连杆闭锁，在分闸不到位的情况下，无法通过操作按钮正常合闸。而合闸拒动的原因多半是机构内积灰和弹簧拉力减小，因此解决办法是加强日常维护，定期清理设备内的灰尘，再对灭磁断口、灭弧栅等部位涂抹导电膏，以防止机构卡涩。
4、励磁变压器相序不正确
励磁系统对可控硅同步信号的要求非常严格，励磁变压器相序、相位都不能弄错。某柴油发电机调试过程中，成功起励、建压后，继续增磁时发电机过压，灭磁开关跳开，经检查确认是励磁变压器接线有误。原来该励磁变压器采用Y/△11接法，输入端三相电缆接线相序为C、B、A，安装人员误以为输出端的相序也必然为C、B、A，忽略了该励磁变压器采用Y/△11接法的要求。按照要求调整输出端的接法，励磁系统也就恢复正常了。另一个例子是调试励磁系统时，由于A、C相反接，虽然励磁装置升压、并网都正常，但不能实现软起励，发电机升压太快，而在调整接法后故障消失，这是因为相序错误导致可控硅触发脉冲与其阳极电压不同步所致。采用示波器、相序表和万用表可查出此类错误。采用万用表的方法是检测母线与励磁变压器输入端电压差，同相电压差应为零。
三、日常保养
1、维护建议
（1）定期检查：每月测量励磁绕组和旋转二极管的绝缘电阻。每季度清洁AVR灰尘，检查电容、电阻状态。
（2）记录数据：记录运行时的电压、电流、温度，便于异常时对比分析。
（3）备件储备：备用AVR、旋转二极管、保险丝等关键部件。
（4）人员培训：培训操作人员掌握剩磁恢复、AVR重置等基本操作。
2、注意事项
（1）安全操作：检修前断开电池及主开关，防止触电。
（2）专业维修：涉及绕组或AVR内部电路时，建议联系厂家或专业技术人员。
总结：
要保持柴油发电机组励磁系统状态良好，除了加强维护管理，定期进行除尘、检测和试验以外，还应重视常见故障的分析和总结。就像应急预案一样，将常见故障处理流程、方法梳理清楚，可以大大降低故障处理时间，为保证柴油发电机组安全生产、提高发电效率打下坚实基础。
---------------
■ 质量量方针
以最低的成本及时向用户提供产品和服务，始终如一地满足或超出客户提出的标准和要求。
■ 获取资讯
了解更多柴油发电机组的产品动态和资讯，请关注康明斯官网，官方互联网发布渠道：https://www.sgfdj.com
- 上一篇：启动电瓶对柴发的作用和影响以及维护保养法
- 下一篇：柴油发电机曲轴轴颈间隙检测方法
