淺談船舶發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)樊夏軍

1、淺談船舶發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)樊夏軍摘要：從當(dāng)前的發(fā)展的形勢(shì)看，調(diào)壓系統(tǒng)已經(jīng)成為交流同步發(fā)電機(jī)中最重要，最核心的組成部分之一，對(duì)于交流同步發(fā)電機(jī)的性能有著至關(guān)重要的作用。本文主要論述同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)調(diào)壓系統(tǒng)作用和工作原理及采用相復(fù)勵(lì)變壓器，PID控制器為調(diào)節(jié)裝置的勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)。同時(shí)分析了幾個(gè)典型調(diào)壓系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：調(diào)差 電壓整定 AVR 相復(fù)勵(lì)裝置 帶AVR的相復(fù)勵(lì)裝置0 引言：船舶電網(wǎng)是一個(gè)有限量電網(wǎng)，一般只有一個(gè)或者兩個(gè)電站組成，故電站的容量就是電網(wǎng)的容量?？傮w而言，船舶電站一般由34臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，所以每臺(tái)發(fā)電機(jī)就是能量的源泉。當(dāng)船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，就需要迅速改變發(fā)電機(jī)勵(lì)

2、磁以維持電壓在一定的精度內(nèi)。完成這一步驟的就是發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)。當(dāng)然，發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)也是靠自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)迅速達(dá)到額定電壓。因此，調(diào)壓系統(tǒng)對(duì)于船舶電網(wǎng)有著重大作用及意義。1 交流發(fā)電機(jī)需要電壓調(diào)節(jié)器必要性 交流發(fā)電機(jī)為什么需要電壓調(diào)節(jié)器呢？從外部原因來(lái)說(shuō)：交流發(fā)電機(jī)需要自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的理由有兩點(diǎn)。首先，當(dāng)大容量的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的啟動(dòng)電流，由于船舶電網(wǎng)是一個(gè)有限量電網(wǎng)，從而會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大沖擊，并且電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流基本上都是無(wú)功電流，當(dāng)這個(gè)無(wú)功電流流過(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，加強(qiáng)了發(fā)電機(jī)交軸去磁電樞反應(yīng)，使得端電壓較大幅度的下降。其次，當(dāng)外部電路發(fā)生短路時(shí)，為了使得短路點(diǎn)迅速脫離電網(wǎng)，保護(hù)系統(tǒng)需立即動(dòng)

3、作，而要使保護(hù)系統(tǒng)在短路時(shí)迅速工作，發(fā)電機(jī)必須進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)磁以維持一定幅值的端電壓使保護(hù)系統(tǒng)投入工作。顯而易見(jiàn)靠手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，響應(yīng)速度肯定不行。因此必須要有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行電壓控制。 從發(fā)電機(jī)內(nèi)部而言：當(dāng)發(fā)電機(jī)在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子繞組流過(guò)電流，產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)的磁極方向在直軸上，見(jiàn)圖1-1。而當(dāng)負(fù)載接通以后，就有電流流過(guò)定子電樞繞組，該電流產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)。此時(shí)主磁場(chǎng)是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)和定子產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)的合成。而電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)必定產(chǎn)生影響，這種影響即電樞反應(yīng)。同時(shí)電樞反應(yīng)的結(jié)果是隨著負(fù)載的性質(zhì)不同而不同。當(dāng)電樞電流與電壓同相（COS=1）即純電阻負(fù)載，此時(shí)電樞磁場(chǎng)的磁極方向在交軸

4、上，即交軸電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的結(jié)果使得主磁場(chǎng)一側(cè)被增加，另外一側(cè)被削弱。如果磁路飽和的話，會(huì)減少主磁場(chǎng)，使得電壓有所下降，見(jiàn)圖1-2。當(dāng)電樞電流滯后電壓90（COS=0）純電感負(fù)載，此時(shí)電樞磁場(chǎng)的磁極方向在直軸上，方向和氣隙磁場(chǎng)相反，即直軸去磁電樞反應(yīng)。其結(jié)果使得主磁場(chǎng)大大削弱，導(dǎo)致電壓下降，見(jiàn)圖1-3。 當(dāng)電樞電流超前電壓90時(shí)（COS=0）即純電容負(fù)載，此時(shí)電樞磁場(chǎng)的磁極方向在直軸上，方向和氣隙磁場(chǎng)相同，即直軸助磁電樞反應(yīng)。其結(jié)果使得主磁場(chǎng)大大增加，導(dǎo)致電壓上升，見(jiàn)圖1-4。 船舶的負(fù)載是電阻性和電感性的綜合，功率因數(shù)永遠(yuǎn)小于1，因此當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載以后，總是使得發(fā)電機(jī)的端電壓下降。為了保證不

5、管在什么性質(zhì)的負(fù)載下船舶電網(wǎng)電壓的恒定，必須需要自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，確保電壓在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。 圖1-1 無(wú)負(fù)載主磁場(chǎng)分布圖 圖1-2 純電阻負(fù)載主磁場(chǎng)分布圖圖1-3 電感性負(fù)載主磁場(chǎng)分布圖 圖1-4 電容性負(fù)載主磁場(chǎng)分布圖2 自動(dòng)調(diào)壓器的工作原理自動(dòng)電壓調(diào)壓器簡(jiǎn)稱AVR（英語(yǔ)名稱的第一個(gè)字母縮寫 ），是按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)的裝置。其工作原理就是當(dāng)同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓出現(xiàn)偏差時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流或者勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，消除偏差或者減小到允許范圍內(nèi)。圖2-1是自動(dòng)電壓調(diào)壓器AVR與發(fā)電機(jī)的關(guān)系圖。如圖自動(dòng)電壓調(diào)壓器AVR本身是一個(gè)可控的電源裝置，機(jī)端電壓的偏差U經(jīng)放

6、大，輸出控制電壓Uc，控制直流電源輸出，進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，最后通過(guò)勵(lì)磁機(jī)控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電流。對(duì)于無(wú)勵(lì)磁機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)，則直接控制勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，從而調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓。 圖 2-1 AVR與發(fā)電機(jī)的關(guān)系示意圖 1、AVR 的電源AVR的輸入電源一般有：采用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓（或抽頭）、附加定子繞組和永磁發(fā)電機(jī)等等。圖2.1-1是無(wú)刷發(fā)電機(jī)典型的三種供AVR電源的方式，其中圖(a)AVR由設(shè)在定子上的輔助繞組供電；圖(b)AVR由機(jī)端電壓經(jīng)變壓器供電；而圖(c)AVR由永磁發(fā)電機(jī)供電。圖(a)和圖(c)的AVR輸出的勵(lì)磁功率由原動(dòng)機(jī)提供，發(fā)生短路不影響輔助繞組或永磁發(fā)電機(jī)的輸出，并可提供強(qiáng)勵(lì)。

7、圖(b)用機(jī)端電壓直接供電存在一定隱患，萬(wàn)一發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路，機(jī)端電壓驟降，甚至消失，則勵(lì)磁電流也將消失，不能提供強(qiáng)勵(lì)，需附加強(qiáng)行勵(lì)磁措施。(a)AVR由輔助繞組供電的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)(b) AVR由機(jī)端供電的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) (c) AVR由永磁發(fā)電機(jī)供電的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)圖2-1經(jīng)典勵(lì)磁系統(tǒng)幾種供AVR方式2、電壓的檢測(cè)AVR的檢測(cè)量是機(jī)端電壓。機(jī)端電壓是直接接入還是經(jīng)變壓器間接接入，主要看該AVR的檢測(cè)端是否與發(fā)電機(jī)端電壓匹配。例如發(fā)電機(jī)電壓440V，AVR的檢測(cè)端為110V，則需要用變壓器降壓。3、調(diào)差 交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)需要解決無(wú)功分配和避免環(huán)流。參與并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，要求它的無(wú)功負(fù)載特性應(yīng)是

8、下降的，即負(fù)載電流越大、功率因數(shù)越低，電壓下降越多。而AVR的功能是力圖阻止電壓變化，并不具有反映無(wú)功負(fù)載變化的特性，所以需要采取反映無(wú)功負(fù)載的措施來(lái)改變AVR的調(diào)節(jié)特性。這種措施稱為“無(wú)功電流反饋”或“調(diào)差裝置”。圖2-1中的電流互感器CT就是用來(lái)反映無(wú)功電流的。要從視在電流中取出無(wú)功分量與電壓進(jìn)行比較，CT設(shè)置的相位與電壓檢測(cè)的相位有關(guān)。輸入三相電壓檢測(cè)的AVR，若取一相電流反饋一般取中間相（V相），若取兩相電流一般取左右相（U和W相）；輸入單相電壓檢測(cè)的AVR，取與線電壓成90的相電流，例如電壓取UVW，則電流取IU。4、電壓整定 同時(shí)AVR提供遙控電壓整定電位器的接口，用于調(diào)整發(fā)電機(jī)機(jī)

9、端電壓。 另外，只按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)的AVR，是具有一定功率輸出的可空電源。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低的時(shí)候，發(fā)電機(jī)端電壓低，此時(shí)AVR的任務(wù)是力圖調(diào)節(jié)使機(jī)端電壓到達(dá)額定電壓。由于此時(shí)AVR輸出電壓急劇增加，有可能出現(xiàn)輸出過(guò)載，所以這種勵(lì)磁系統(tǒng)的AVR必須具備低頻（轉(zhuǎn)速）保護(hù)，即低頻時(shí)使AVR退出工作。3 典型電路3.1 不可控的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器的工作原理：找到引起發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)的主要原因（負(fù)載電流及相位變化）的規(guī)律，并且按照這個(gè)規(guī)律預(yù)先或提前調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，來(lái)使發(fā)電機(jī)電壓維持額定電壓或控制在允許范圍內(nèi)。在圖3.1-1(a)中可以看到，相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器模仿了直流發(fā)電機(jī)的調(diào)壓方式:電壓繞組

10、充當(dāng)并激磁場(chǎng)，建立空載電壓，串聯(lián)在發(fā)電機(jī)三相繞組中的電流繞組來(lái)補(bǔ)償電壓的下降；接入電抗器使得電流落后于電壓90，實(shí)現(xiàn)相位的補(bǔ)償。圖3.1-1(b)描述了AVR的工作流程：輸入的測(cè)量單元是發(fā)電機(jī)電壓和負(fù)載電流，由電壓和電流測(cè)量出相位，然后輸出If，再經(jīng)信號(hào)變換后去調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)維持電壓。但是這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒(méi)有反饋，不能組成“閉環(huán)”系統(tǒng)。所以這不是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？偠灾鄰?fù)勵(lì)調(diào)壓器調(diào)節(jié)對(duì)象是電壓，被測(cè)量是負(fù)載電流和相位，每一個(gè)負(fù)載電流和相位都對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出控制信號(hào)。這個(gè)信號(hào)由調(diào)節(jié)裝置本身設(shè)計(jì)和第一次試驗(yàn)調(diào)整所確定的。所以這種調(diào)節(jié)方式只能在某些條件不變的情況下，才能保證電壓的基本恒定。對(duì)于原

11、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或調(diào)壓器的溫度等因素引起的電壓偏移，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就無(wú)法響應(yīng)。因此，這種系統(tǒng)的靜態(tài)特性較差，但由于其動(dòng)態(tài)過(guò)程是非周期性的，沒(méi)有振蕩過(guò)程，故其動(dòng)態(tài)性能較好。所以相復(fù)勵(lì)調(diào)壓系統(tǒng)不加其他調(diào)節(jié)措施的我們就可以稱之為“不可控相復(fù)勵(lì)”系統(tǒng)，其示意圖如圖3.1-2所示。(a）(b)圖3.1-1相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器原理圖及方框圖圖3.1-2經(jīng)典的不可控相復(fù)勵(lì)調(diào)節(jié)器3.2 帶AVR的相復(fù)勵(lì)自動(dòng)調(diào)壓器（分流型） 為了解決相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器靜態(tài)特性較差，提高其調(diào)壓精度，就引入了AVR自動(dòng)調(diào)壓器，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3.2-1。圖3.2-2是可控直流電源AVR的原理示意圖電路，發(fā)電機(jī)輸入電壓通過(guò)可控硅整流橋輸出至勵(lì)磁繞組，可控硅整流橋

12、的輸出由比較放大器控制。輸入電壓通過(guò)信號(hào)變換單元，向電位器R1提供固定的電壓。電位器R1的設(shè)定電壓U1與輸出取樣電壓U2在比較放大器中比較，誤差放大后輸出控制可控硅的導(dǎo)通角度，改變通過(guò)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓。在此AVR實(shí)際上是一個(gè)自動(dòng)的可控分流裝置，見(jiàn)圖3.2-2。AVR根據(jù)靈敏度調(diào)節(jié)要求，分掉一部分由電流互感器和電壓互感器經(jīng)電抗產(chǎn)生的電流，將其消耗掉，達(dá)到控制通過(guò)勵(lì)磁繞組的電流，提高AVR調(diào)壓精度。由于船用發(fā)電機(jī)最大的容量不過(guò)幾千到上萬(wàn)千瓦，而且又都使用了無(wú)刷發(fā)電機(jī)，一般勵(lì)磁電壓上僅為一百伏左右，勵(lì)磁電流幾個(gè)到幾十安培，勵(lì)磁功率很小，可控電源的獨(dú)立板子可以做得很小，并且線路電壓電流

13、較小，故板子一般就安裝在主配電板里。圖3.2-1帶AVR的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器圖3.2-2是可控直流電源AVR的原理圖圖3.2-3帶AVR的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器AVR等效圖3.3 只有AVR的調(diào)壓電路發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓既作為AVR的工作電壓又作為檢測(cè)電壓，調(diào)整好內(nèi)部和外部的電壓設(shè)定電位器，AVR根據(jù)檢測(cè)的電壓和電流的變化按設(shè)定程序輸出勵(lì)磁電壓，控制機(jī)端電壓。結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3.3-1。圖3.3-1 只有AVR的調(diào)壓電路4 DAHATSU發(fā)電機(jī)AVR分析圖4-1和圖4-2分別是DAHATSU發(fā)電機(jī)調(diào)壓器方框圖和原理圖。從圖4-1可以看出這就是上面所論的可控分流型（電阻型）的一個(gè)具體應(yīng)用。圖中前半部分是相復(fù)勵(lì)調(diào)壓裝置，后半

14、部分的AVR根據(jù)機(jī)端電壓與給定值的偏差分流部分相復(fù)勵(lì)的輸出，目的使機(jī)端電壓維持一定精度。圖4-1 DAHATSU發(fā)電機(jī)調(diào)壓器方框圖 圖4-2 是DAHATSU發(fā)電機(jī)調(diào)壓器原理圖。圖中發(fā)電機(jī)電壓發(fā)生變化后，機(jī)端電壓通過(guò)變壓器，再經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波后產(chǎn)生一個(gè)較低的直流電壓作用在Q1上，Q1通過(guò)與給定電壓(內(nèi)部電位器由R1和外部電位器VR設(shè)定)比較,積分與微分輸出信號(hào)導(dǎo)通Q3和Q5輸出脈沖信號(hào)（如可控硅G1、G2導(dǎo)通電源與觸發(fā)信號(hào)不同步，則由Q2導(dǎo)通Q4，不讓Q5發(fā)出脈沖）。當(dāng)E、F輸出電源，可控硅G1、G2導(dǎo)通即將用于調(diào)整的控制電壓輸出到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。則 輸出的勵(lì)磁電流即馬上調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓，使其穩(wěn)定于一定范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)自于脈沖發(fā)生器控硅的觸發(fā)脈沖可以控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，維持端電壓在某個(gè)數(shù)值上。圖4