船舶同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調(diào)整課件

1、船舶同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調(diào)整本章的主要講解內(nèi)容第一節(jié) 概述第二節(jié) 不可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)第三節(jié) 電流疊加相復(fù)勵自勵恒壓裝置第四節(jié) 電磁疊加的相復(fù)勵自勵恒壓裝置第五節(jié) 帶電壓曲折繞組的相復(fù)勵系統(tǒng)第六節(jié) 晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng)第七節(jié) 可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)第八節(jié) 無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)第九節(jié) 船舶同步發(fā)電機組間無功功率自動分配第一節(jié) 概述 維持供電電壓的穩(wěn)定是保證供電質(zhì)量的主要措施之一。然而，電網(wǎng)電壓是會經(jīng)常變化的，船舶電網(wǎng)電壓波動比陸上大電網(wǎng)電壓波動更為嚴重，其電壓是否穩(wěn)定取決于發(fā)電機的自動勵磁調(diào)整裝置（自動電壓調(diào)節(jié)器）性能。勵磁控制系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部分，它的主要任務(wù)是根據(jù)發(fā)

2、電機的各種運行狀態(tài)，向發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)提供一個可調(diào)的直流電流，以穩(wěn)定發(fā)電機的輸出電壓。性能優(yōu)良、可靠性高的勵磁系統(tǒng)是保證發(fā)電機安全發(fā)電，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性所必須的。引起電網(wǎng)電壓波動的主要原因是負載變動。負載電流幅值變化或負載性質(zhì)變化都將引起發(fā)電機的電樞反應(yīng)發(fā)生變化，從而引起發(fā)電機端電壓的變化。船舶負載多是感性的，且變化無規(guī)律。 返回可見，當 不變，而 變化，即電流幅值變化或 與 的夾角變化時，都將引起電壓 的幅值變化。 當忽略發(fā)電機電樞電阻，用同步電抗來表征發(fā)電機電樞反應(yīng)的程度時，電壓平衡方程式為：基于船舶工作環(huán)境的特殊性，對自動勵磁調(diào)整裝置的基本要求是：簡單可靠；靈敏度高而穩(wěn)定；保證電壓為給

3、定水平；具有一定的強行勵磁能力；合理地分配無功功率以及充分地考慮經(jīng)濟等方面的因素。在一般穩(wěn)定調(diào)整的情況下，船舶電力系統(tǒng)電壓的暫態(tài)調(diào)整過程如圖14-1所示。 一、對船用自動勵磁裝置的要求1.靜態(tài)和動態(tài)特性的要求 當負載在一定范圍內(nèi)變化時，在不同的負載下，調(diào)壓器應(yīng)保證穩(wěn)定 狀態(tài)時的電壓在允許的范圍內(nèi)。這個靜態(tài)指標，用靜態(tài)電壓調(diào)整率 UW 來衡量。當較大負載突變時，瞬時電壓變化很大，此瞬時電壓也要在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)，而且恢復(fù)的時間越快越好。這個動態(tài)指標，用瞬態(tài)電壓調(diào)整率 和電壓恢復(fù)時間 來衡量。2.強行勵磁 由提高發(fā)電機并聯(lián)工作穩(wěn)定性和電動機運行穩(wěn)定性以及繼電保護裝 置動作的準確性等動態(tài)穩(wěn)定性的觀

4、點出發(fā)，要求調(diào)壓器的動作要迅 速。解決這個問題的方法之一就是實行強行勵磁。也就是要求勵磁 系統(tǒng)應(yīng)能保證最短的時間內(nèi)，把勵磁電流升高到超過額定狀態(tài)時的 最大值。3.電磁兼容性 這是描述電氣設(shè)備在規(guī)定的電磁環(huán)境中有效工作的能力。對勵磁裝 置的電磁兼容性要求主要體現(xiàn)在不干擾其它設(shè)備的正常工作這一方 面。4.自勵起壓性能 這是對自勵類型的勵磁裝置的要求。保證發(fā)電機依靠剩磁從靜止起 動后能迅速順利地發(fā)出規(guī)定的電壓。自勵類型的勵磁裝置應(yīng)用最為 普遍。二、自勵恒壓裝置的分類及調(diào)壓原理1.按發(fā)電機電壓偏差 調(diào)節(jié) 發(fā)電機在運行中, 由于某種原因使得發(fā)電機輸出 電壓與給定的電壓出現(xiàn)偏差 時, 調(diào)節(jié)器將 根據(jù)偏差電

5、壓的大小和極性輸出校正信號, 對發(fā) 電機勵磁電流進行調(diào)節(jié)。由于被檢測量和被調(diào)量 都是發(fā)電機端電壓，恒壓裝置與發(fā)電機構(gòu)成一個 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)特性比較好，靜態(tài)電壓調(diào)整 率一般均在土1以內(nèi)。晶閘管自勵恒壓裝置屬于 這種類型。2.按負載電流 I 和功率因數(shù) 調(diào)節(jié) 發(fā)電機電壓的波動, 是由于負荷的變化和故障所引 起。如果被測量是發(fā)電機的負載電流 I 及功率因 數(shù) 。再經(jīng)調(diào)壓器去調(diào)節(jié)勵磁電流來穩(wěn)定發(fā)電 機電壓。這時被測量和被調(diào)量不同，故構(gòu)成一個開 環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)特性比較差，但動態(tài)特性較好。 不可控相復(fù)勵自 勵恒壓裝置屬于這種類型。第二節(jié) 不可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng) 返回一、自勵同步發(fā)電機自勵起壓基

6、本原理同步發(fā)電機按其勵磁方式可分為他勵和自勵的兩大類。他勵同步發(fā)電機的勵磁電流是由同步發(fā)電機本身之外的單獨電源供電，通常是由一小容量的同軸勵磁機供電。目前在船舶中普遍使用的是帶交流勵磁機，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流橋的他勵發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，稱為無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，如圖14-2所示。 自勵同步發(fā)電機的勵磁電流，是由同步發(fā)電機本身的定子交流電，通過靜止的整流元件供給自勵同步發(fā)電機自勵回路的單相原理圖，如圖14-3所示。自勵同步發(fā)電機的自勵起壓特性曲線，如圖14-4所示。 其中曲線1為同步發(fā)電機的空載特性曲線曲線2為自勵回路的理想勵磁特性曲線 同步發(fā)電機建立正常空載電壓 后，在船舶主開關(guān)合閘帶負載時，由于電樞反

7、應(yīng)的去磁作用和內(nèi)部阻抗壓降，其端電壓 必然要降低，如圖14-5發(fā)電機外特性中曲線1所示。因此，必須采用恒壓措施。既然是負載電流 變化引起了發(fā)電機端電壓 的變化，因而也就可以利用 進行復(fù)式勵磁的方法，以附加勵磁電流來調(diào)整 。二、不可控相復(fù)勵恒壓的基本原理圖14-6復(fù)式勵磁 圖14-7 電流疊加相復(fù)勵調(diào)壓 圖14-8 相復(fù)勵矢量圖圖14-9 電磁迭加相復(fù)勵 圖14-10 電勢迭加相復(fù)勵第三節(jié) 電流疊加相復(fù)勵自勵恒壓裝置 返回假設(shè)發(fā)電機磁路不飽和，發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定，則相復(fù)勵的控制規(guī)律就可用下式表示圖14-11是電流疊加相復(fù)勵裝置原理圖。圖14-12 為單相電流疊加相復(fù)勵等值電路圖 圖14-13是勵磁電

8、流的相量圖。圖14-13 勵磁電流的相量圖第四節(jié) 電磁疊加的相復(fù)勵自勵恒壓裝置 圖14-14所示為電磁疊加的相復(fù)勵自勵恒壓裝置。該裝置共有三套繞組，又稱為三繞組相復(fù)勵變壓器。返回相復(fù)勵裝置的調(diào)試: 發(fā)電機空載電壓, 可通過調(diào)節(jié)電壓分量來調(diào)整；發(fā)電機帶負載后電壓, 可通過調(diào)節(jié)電流分量來調(diào)整。 第五節(jié) 帶電壓曲折繞組的相復(fù)勵系統(tǒng) 有電壓曲折繞組相復(fù)勵自勵恒壓裝置的原理接線圖，如圖14-15所示，該裝置與前述三繞組相復(fù)勵裝置相比，該裝置的TE 中又多了一套繞組N4，因此該裝置又稱為四繞組相復(fù)勵變壓器。繞組N4稱為電壓曲折繞組。N4與N1在同一個三相鐵芯柱A、B、C上，N1的三相A, B, C 分別與

9、N4的三相B、C、A反接串聯(lián)。它的聯(lián)接規(guī)律是N1總是與滯后相鐵芯柱上的N4反接串聯(lián)。電壓曲折繞組N4的作用是進一步加強功率因數(shù)變化時的相位補償, 以提高調(diào)壓器的靜態(tài)調(diào)整特性。 返回第六節(jié) 晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng) 晶閘管自勵恒壓裝置原理，如圖14-16所示。返回晶閘管自勵恒壓裝置原理主要由測量移相比較環(huán)節(jié), 觸發(fā)控制環(huán)節(jié)及勵磁主回路三大環(huán)節(jié)組成。 1. 測量比較環(huán)節(jié)測量比較環(huán)節(jié)中包括測量濾波及比較兩個回路，其作用是采樣發(fā)電機電壓并經(jīng)整流器變換為直流電壓，與給定的基準電壓值相比較，得出偏差信號，該偏差信號經(jīng)放大后去控制發(fā)電機的勵磁。所以，測量比較環(huán)節(jié)的性能, 直接影響勵磁系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。通常

10、要求測量比較電路具有較好的穩(wěn)定性、線性度，足夠的靈敏度，以及優(yōu)良的動態(tài)性能。（1）測量回路 該系統(tǒng)測量回路主要由測量變壓器TC, 和整流濾波電路VD組成. 測量回路通常采用單相全波橋式整流、三相全波橋式整流、六相全波橋式整流，整流相數(shù)越多，則輸出電壓越平穩(wěn)。圖14-17為單相全波橋式整流、三相全波橋式整流、六相全波橋式整流電路圖。為了得到平穩(wěn)的直流電壓需要濾波電路，濾波電路通常有T型濾波、雙T型濾波和橋式濾波等幾種。（2）比較電路比較電路大多采用橋式比較電路, 其作用是把測量整流電路輸出的電壓與基準電壓相比較，得到一個反映發(fā)電機電壓偏差的直流電壓信號。由于穩(wěn)壓管具有恒壓特性，它常被用作比較電路

11、的基準電壓元件。圖14-18為雙穩(wěn)壓管橋式比較電路及特性。2. 移相觸發(fā)環(huán)節(jié)及勵磁主回路（1）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)觸發(fā)控制回路, 主要由移相及脈沖形成電路組成。根據(jù)比較電路輸出的偏差電壓UK的大小和極性，移相電路對晶閘管發(fā)出相應(yīng)控制觸發(fā)角的脈沖，調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角。由于三相橋式可控整流器能隨電壓偏差而輸出相應(yīng)的勵磁電流，使電壓保持恒定，所以具有良好的靜態(tài)電壓調(diào)整特性。 （2）勵磁主電路勵磁裝置中的可控整流電路與一般的可控整流電路相同，如圖14-19所示有單相半波、單相橋式、三相橋式可控整流電路等幾種。 第七節(jié) 可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng) 返回前述的相復(fù)勵裝置, 雖然具有動態(tài)性能好, 強勵能力強等特點，

12、但其調(diào)壓精度不高。調(diào)壓特性的線性度差。為此在按進行不可控相復(fù)勵調(diào)壓的基礎(chǔ)上，又加上了一個按 進行微調(diào)的自動電壓調(diào)節(jié)器AVR（Automatic Voltage Regulator）。這就是所謂可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)，其原理圖如圖 14-20所示?？煽叵鄰?fù)勵自勵恒壓裝置，采用在電磁迭加相復(fù)勵裝置的三繞組變壓器中加一個直流磁化繞組的方法。自動電壓調(diào)節(jié)器AVR通過改變直流磁化繞組中的電流來改變變壓器鐵芯的磁化程度，從而控制相復(fù)勵變壓器的各交流勵磁線圈的電抗，以控制相復(fù)勵變壓器的輸出電流，如圖14-21所示。一、可控相復(fù)勵變壓器式可控相復(fù)勵裝置二、可控移相電抗器式可控相復(fù)勵裝置 可控移相電抗器式調(diào)

13、壓器原理圖如圖14-22所示。這種裝置的基本勵磁裝置為電流相加的相復(fù)勵裝置，不同的是移相電抗器用飽和電抗器取代固定電抗器。AVR按電壓偏差輸出相應(yīng)的直流來控制飽和電抗器的飽和程度，以調(diào)節(jié)相復(fù)勵裝置交流側(cè)電流, 從而消除電壓的偏差。圖14-23所示為可控電抗器分流的調(diào)壓器的單相原理圖。它在整流器的交流側(cè)并聯(lián)一個三相飽和電抗器，進行交流側(cè)的分流控制。當出現(xiàn)電壓偏差時，AVR的電流IT控制飽和電抗器的飽和程度，從而改變分流，以達到調(diào)壓的目的。 返回三、可控電抗器分流的調(diào)壓器圖14-24所示為交流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器單線原理圖。晶閘管并聯(lián)在相復(fù)勵裝置的交流側(cè)實現(xiàn)交流側(cè)的分流。當電壓出現(xiàn)偏差時，AVR輸

14、出與電壓偏差相應(yīng)的觸發(fā)電流, 改變晶閘管的導(dǎo)通角進行分流。通常在晶閘管電路中串聯(lián)一適當?shù)淖杩?，以限制晶閘管導(dǎo)通時的分流電流,。與飽和電抗器交流側(cè)分流的電路相比, 晶閘管分流是斷續(xù)的, 而飽和電抗器交流側(cè)分流是連續(xù)的。返回四、交流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器單線原理圖如圖14-25所示。它與交流側(cè)晶閘管分流的可控相復(fù)勵裝置不同的是晶閘管并聯(lián)在直流側(cè)，工作原理大致相同。返回五、直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器 第八節(jié) 無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng) 同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁電流，是通過電刷和滑環(huán)引進 發(fā)電機勵磁繞組。由于電刷的磨損，增加了維護和保 養(yǎng)工作，磨損產(chǎn)生的碳粉又會導(dǎo)致發(fā)電機絕緣下降， 產(chǎn)生的電火

15、花不僅會影響無線電通訊，在油輪上使用 極為危險。為從根本上解決這一問題，采用了具有同 軸交流勵磁機和旋轉(zhuǎn)硅整流器的無刷同步發(fā)電機。 圖14-26為無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)返回第九節(jié) 船舶同步發(fā)電機組間無功功率自動分配 當兩臺并聯(lián)運行發(fā)電機的電壓不相等, 而頻率、 相位相等時, 則在兩機組之間將產(chǎn)生一個無功性質(zhì)的環(huán)流, 其結(jié)果將使電壓較高的發(fā)電機輸出無功功率增大, 而電壓較低的發(fā)電機輸出的無功功率減少（發(fā)電機負載電流功率因數(shù)低的, 無功功率大；功率因數(shù)高的, 則無功功率?。?。由此可見, 當同步發(fā)電機并聯(lián)運行時, 通過改變發(fā)電機的勵磁電流來調(diào)節(jié)其電勢, 即能調(diào)整無功輸出、實現(xiàn)無功功率轉(zhuǎn)移。 通常同步

16、發(fā)電機都配有自勵恒壓裝置來自動調(diào)整發(fā)電機的電壓， 因此同步發(fā)電機有一定的電壓調(diào)整規(guī)律，也稱電壓調(diào)整特性。 圖14-27為電壓調(diào)整曲線（電機端電壓UG隨無功電流IQ變化的規(guī)律） 圖14-28為并聯(lián)運行無功功率分配返回 1直流均壓線圖14-29是直流均壓連接線路圖。直流均壓連接法又稱轉(zhuǎn)子均壓連接法。它只適用于同容量同型號發(fā)電機的并聯(lián)運行。它是將并聯(lián)運行發(fā)電機的勵磁繞組用兩根均壓線并聯(lián)起來。均壓線的接通和斷開與發(fā)電機主開關(guān)相互連鎖。圖中KA1和KA2為均壓線連接接觸器，分別由主開關(guān)常開副觸頭控制。有了直流均壓線后，就能使勵磁電流隨無功負載的變化而相應(yīng)變化，以保證無功負載分配均勻。例如：當一臺發(fā)電機勵

17、磁電流大于另一臺的勵磁電流時，均壓線上產(chǎn)生均衡電流，均衡電流是從勵磁電流較大的發(fā)電機流向勵磁電流較小的發(fā)電機，使前者勵磁電流減少，后者勵磁電流增加，直至兩臺發(fā)電機勵磁電流接近相等時為止。圖14-29中也有的加入電阻R0，其作用是減小并車時產(chǎn)生的沖擊電流。2交流均壓線對容量不同的同步發(fā)電機并聯(lián)運行, 可采用交流均壓線, 如圖14-30所示。圖中，兩臺發(fā)電機調(diào)壓裝置的移相電抗器通過均壓線并聯(lián),該連接處在三相整流器之前的交流側(cè)。當兩臺發(fā)電機電勢不相等時, 通過交流均壓線的聯(lián)接可使發(fā)電機輸出電壓均衡, 以保持無功功率均勻分配。3、電流穩(wěn)定裝置在按電壓偏差進行調(diào)壓的勵磁系統(tǒng)中，調(diào)差系數(shù)KC一般是很小的，

18、甚至幾乎接近是無差的。這樣，在發(fā)電機并聯(lián)運行時，就會使無功功率的分配不穩(wěn)定。為了使調(diào)壓特性曲線為具有足夠傾斜度的有差調(diào)整特性，且KC相同，穩(wěn)定平均的分配無功功率，所以在調(diào)壓器上加裝了可以改變調(diào)差系數(shù)的裝置，因其作用就是利用電流信號，通過調(diào)壓器作用，以使無功電流的分配穩(wěn)定，故稱做電流穩(wěn)定裝置。圖14-31是電流穩(wěn)定裝置原理圖。圖14-32是某船兩臺發(fā)電機無功分配連接圖。判斷兩機之間的無功功率分配是否均勻，可以采用以下兩種方法：（1）機組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機功率表（有功）指示基本相同而電流表指示相差太大時，說明無功分配裝置存在故障；（2）機組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機功率表（有功）指示基本相同而功率因數(shù)

19、表(cos表)指示相差較大時, 說明無功分配裝置存在故障。在發(fā)電機并聯(lián)運行時，其無功功率的分配是由自動電壓調(diào)整器來自動完成的。但是如果電器元件出現(xiàn)故障，也會使無功分配裝置出現(xiàn)故障。下面以均壓線連接為例來分析故障排除的方法，重點檢查均壓接觸器：（1）檢查接觸器是否通電動作，檢查線圈本身、發(fā)電機主開關(guān)常開輔觸點、熔斷器、導(dǎo)線及相應(yīng)接線柱等，或修復(fù)或更新；（2）檢查接觸器觸點是否可靠閉合，或打磨修理或更新。如果觸頭接觸不良，會使均壓線斷路，并車時不易并上，即使空氣開關(guān)能合閘，發(fā)電機也不能穩(wěn)定地并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機的電流可能同時急劇上升，直至發(fā)電機的主開關(guān)保護動作而跳閘。返回圖14-1 船舶電力系統(tǒng)電壓暫態(tài)調(diào)整特性曲線返回圖14-2 無刷勵磁控制