第八章船舶電站控制與管理技術

第8章同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調整8.1勵磁自動調整裝置概述8.2勵磁自動調整裝置的分類8.3勵磁自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)原理8.4自動電壓調節(jié)器8.5自勵同步發(fā)電機起壓條件8.6不可控相復勵自勵調壓裝置8.7可控相復勵自勵調壓裝置8.8晶閘管勵磁自動調整裝置8.9并聯運行同步發(fā)電機之間無功功率的分配8.10無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)典型電路分析一8.11無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)典型電路分析二8.1勵磁自動調整裝置概述8.1.1勵磁自動調整裝置的作用⑴在船舶電力系統(tǒng)正常運行工況下，維持電網電壓在某一容許范圍內。⑵在船舶同步發(fā)電機并聯運行時，合理分配發(fā)電機間的無功功率。⑶在船舶電網發(fā)生短路故障時，有強行勵磁功能，加速短路后恢復速度，保持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和繼電器保護裝置動作的可靠性。

返回8.1.2勵磁自動調整裝置的技術指標在負載變動時，勵磁調壓裝置維持發(fā)電機端電壓的恒定存在一個調整過程，如圖8.1所示。

為了保證供電質量，電壓調整必須滿足兩個基本技術指標——靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))指標和動態(tài)(瞬態(tài))指標的要求。發(fā)電機穩(wěn)態(tài)電壓變化率。

我國鋼質海船入級規(guī)范中對穩(wěn)態(tài)指標規(guī)定為：“交流發(fā)電機連同其勵磁系統(tǒng)，應能在負載自空載至額定負載范圍內，且其功率因數為額定值情況下，保持其穩(wěn)態(tài)電壓的變化值在額定電壓的±2.5％以內。應急發(fā)電機可允許為±3.5％以內?！?.發(fā)電機動態(tài)特性

《鋼質海船入級規(guī)范》對并聯運行的各交流發(fā)電機組的無功功率的分配要求為：“并聯運行的各交流發(fā)電機組均應能穩(wěn)定運行，且當負載在總額定負載的20％～100％范圍內變化時，各機組所承擔的無功負載與總無功負載按機組定額比例分配值之差，應不超過下列數值中的較小者：（1）最大機組額定無功功率的±10％；（2）最小機組額定無功功率的±25％?！睆氖褂玫膭畲抛詣诱{整裝置的工作原理上來分，大致有下列幾類：8.2

勵磁自動調整裝置的分類不可控相復勵自勵裝置；可控相復勵自勵裝置；可控硅勵磁自動調整裝置；用于無刷發(fā)電機的勵磁自動調整裝置；用于諧波勵磁發(fā)電機的勵磁自動調整裝置。返回盡管同步發(fā)電機各種勵磁調整方式和工作原理有所不同，但是它們的勵磁調整方法大都是按照電壓偏差（ΔU）、負載電流（I）、電流相位（φ）這三個原則來實現的。從這一點出發(fā)，又可分為：按電壓偏差調整；按電流大小調整；按電流大小及相位調整；按電壓偏差、電流大小調整；按電壓偏差、電流大小及相位調整。同步發(fā)電機是由直流電流勵磁建立磁場，需要提供直流勵磁電源。把原動機的機械能轉換成直流電能的裝置稱為換能器。按換能器類型分類有：1.旋轉電機勵磁系統(tǒng)勵磁機有兩種：直流勵磁機和交流勵磁機。目前船舶大多采用交流勵磁機勵磁系統(tǒng)。2.靜止勵磁系統(tǒng)

早期的發(fā)電機采用直流勵磁機勵磁系統(tǒng)，以后曾一度采用靜止勵磁系統(tǒng)即自勵恒壓發(fā)電機?，F在都采用無刷勵磁發(fā)電機。無論是旋轉電機勵磁還是靜止勵磁系統(tǒng)都是控制同步發(fā)電機的勵磁電流。通常按調節(jié)原理可分為三類：按機端電壓偏差調節(jié)、按負載電流大小及相位進行補償和綜合調節(jié)即既按負載電流大小及相位進行補償又按機端電壓偏差調節(jié)。8.3

勵磁自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)原理

返回勵磁自動調節(jié)系統(tǒng)（以下稱調節(jié)系統(tǒng)）的被調量是發(fā)電機的機端電壓U，由于發(fā)電機的負載電流大小及其相位變化引起U的變化，調節(jié)系統(tǒng)的任務是要把被調量調到所要求的值上。a,b：調節(jié)特性曲線a：把電壓調回到原來的值上,它的特性可用一條平行橫軸的直線表示，——無差特性b：把電壓調節(jié)到給定值上，即在IN處把電壓調到UG，——有差特性被調量電壓U隨負載電流I的變化而變化的程度稱為調差系數或調差程度，用調節(jié)特性的斜率來表示：（8.3）式中：UN為I＝0時的額定值；UG為I=IN時被調量的實際值；KC為調差系數。為了方便計算，一般用百分比來表示：（8.4）調節(jié)系統(tǒng)在發(fā)電機單機運行時要維持機端電壓在一定水平上，在并聯運行時要實現無功功率的分配調節(jié)。調差系數在單機運行時表現為負載變化時的電壓調節(jié)精度，即穩(wěn)態(tài)電壓調整率，它表示在沒有無功電流反饋作用下，原動機轉速和發(fā)電機功率因數在規(guī)定范圍內變化，負載從零增加到額定值時機端電壓的變化率。對主發(fā)電機，規(guī)范要求在2.5％以內，帶AVR的調節(jié)系統(tǒng)可以達到1％以內。單機運行時要求越小越好，最好是無差特性。發(fā)電機并聯運行時，各發(fā)電機的調差特性必須是有差特性，且要求各機在無功負載變化情況下有相同的至少是接近的調差系數。8.3.1按機端電壓偏差調節(jié)按機端電壓偏差調節(jié)的系統(tǒng)的被測量是發(fā)電機的端電壓UG

，被調量也是機端電壓UG，這樣的自動調節(jié)系統(tǒng)稱為“閉環(huán)系統(tǒng)”，如圖8.3的方框圖表示。

8.3.2按負載電流大小及相位進行調節(jié)由于引起電壓變化的主要原因是負載電流大小及相位的變化，只要預先找出機端電壓隨負載電流大小及相位變化的規(guī)律，并按此規(guī)律調節(jié)補償發(fā)電機所需的勵磁電流，就可以維持機端電壓在一定水平上。圖8.4是按負載電流大小及相位調節(jié)的原理方框圖。

8.3.3綜合調節(jié)按機端電壓偏差調節(jié)的勵磁自動調節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)性能好，動態(tài)性能差；按負載電流大小及相位進行補償調節(jié)的勵磁系統(tǒng)，動態(tài)性能好，靜態(tài)性能差。綜合這兩種調節(jié)方法，既按負載電流大小及相位進行補償，又按機端電壓偏差校正，可以取長補短獲得較好的調節(jié)效果。圖8.5是綜合調節(jié)的原理方框圖。

返回8.4

自動電壓調節(jié)器自動電壓調節(jié)器簡稱AVR(AutomaticVoltageRegulation)，是按發(fā)電機端電壓偏差進行勵磁調節(jié)的裝置。當機端電壓出現偏差時，調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流或勵磁機的勵磁電流，消除偏差或把偏差減小到允許范圍內。返回8.4.1AVR的電源AVR要輸出電源，必須有輸入電源。輸入電源一般是由發(fā)電機輸出端（或抽頭）或附加定子繞組等。圖8.7表示了幾種典型的供電方式。

圖（a）是采用機端電壓整流勵磁，換能器是可控整流器，勵磁功率由發(fā)電機承擔，AVR的電源也取自機端電壓；圖（b）是AVR用設在定子上的輔助繞組供電，換能器是交流勵磁機，勵磁功率由原動機提供；圖（c）是AVR由機端電壓經變壓器供電。8.4.2電壓檢測AVR的檢測量是發(fā)電機端電壓。機端電壓是直接接入還是經變壓器間接接入，主要看該AVR的檢測端是否與發(fā)電機端電壓相匹配。過去較多是用單相電壓檢測，現在大多采用三相電壓。輸入的交流電需要整流成直流進行檢測。三相整流波形較單相易于處理。

8.4.3調差交流發(fā)電機并聯運行時需要解決無功分配和避免環(huán)流的問題。參與并聯運行的發(fā)電機，要求它的無功負載特性應是有差的，負載電流越大、功率因數越低，電壓下降越多。而AVR本身的功能是力圖阻止電壓變化，不具有反映無功負載變化的這種特性，需要采取反映無功負載的措施來改變AVR的調節(jié)特性。這種措施稱為“無功電流反饋”或“調差裝置”。8.4.4電壓整定發(fā)電機的控制是在配電板上完成的，電壓可在配電板上調節(jié)整定。AVR提供遙控電壓整定電位器R的接口。只按機端電壓偏差進行勵磁調節(jié)的AVR，是具有一定功率輸出的可控電源。當發(fā)電機轉速低的時候，發(fā)電機端電壓也較低，而AVR的任務是力圖調節(jié)使機端電壓達到額定值，因此當發(fā)電機輸出電流急劇增加時會產生勵磁機勵磁繞組過載或AVR輸出過載。因此采用這種勵磁系統(tǒng)的AVR必須具有低頻(轉速)保護。圖8.7勵磁系統(tǒng)的自動電壓調節(jié)器（a）、（b）返回圖8.7勵磁系統(tǒng)的自動電壓調節(jié)器（c）返回返回8.5

自勵同步發(fā)電機起壓條件同步發(fā)電機采用自勵起壓時，其起壓過程示意圖如圖8.8所示。曲線1為發(fā)電機的空載特性，曲線2為場阻線，曲線3為采用硒整流器時的場阻線。為了保證同步發(fā)電機自勵起壓，需采取下列措施：（1）提高發(fā)電機的剩磁電壓（可用蓄電池臨時充磁）。（2）減小勵磁回路電阻（用鍺或硅整流器代替硒整流器或用諧振法臨時減小勵磁電路阻抗）。（3）利用復勵電流幫助起壓（在起壓時臨時短接一下主電路，利用短路產生的復勵電流幫助起壓）。8.6

不可控相復勵自勵調壓裝置8.6.1不可控相復勵自勵發(fā)電機

不可控相復勵自勵發(fā)電機，不帶勵磁機，屬于靜止勵磁。不可控相復勵自勵裝置中有電壓和電流兩個勵磁分量，并在整流前的交流側進行相量合成。電壓分量和電流分量在交流側疊加常用的有電流疊加和電磁疊加二種方法。它們的單線原理圖如圖8.9所示返回8.6.2相復勵原理

相復勵原理是根據發(fā)電機簡化相量圖中相量的合成原理得出的。為了便于看出電流相位角變化時為保持機端電壓不變，電勢的變化規(guī)律，采用同一電流來討論。船舶電力系統(tǒng)的負載以三相異步電動機為主，負載電流滯后于電壓（0<<1）。如圖8.10所示。

返回8.6.3電流疊加相復勵自勵調壓裝置工作原理

電流疊加相復勵調壓裝置原理電路如圖8.11所示

如忽略電流互感器的損耗和電抗器的電阻，可用單線等值電路圖8.12來表示。

（8.5）根據疊加原理，在時，可得電壓分量為

（8.6）當時，可得勵磁電流的電流分量為

（8.7）所以，總勵磁電流為（8.8）返回當時，可得如圖8.13的相量圖。

圖8.14(a)畫出了當負載電流的大小變化時勵磁電流相量的變化情況，圖8.14(b)畫出了角變化時勵磁電流相量的變化情況。

8.6.4電磁疊加相復勵自勵調壓裝置的工作原理

電磁疊加相復勵自勵調壓裝置是將電流分量和電壓分量通過變壓器T的繞組變換成磁通和

兩個磁通合成磁通，在變壓器T二次側產生感應電壓，產生勵磁電流。圖8.15是電磁疊加的電路原理圖。

8.6.4三繞組相復勵自勵調壓裝置

三繞組相復勵調壓裝置是采用電磁疊加原理構成的。其原理圖如圖8.16(a)所示。1．組成(1)相復勵變壓器T(2)諧振電容器C(3)移相電抗器L(4)整流器V返回2．工作原理(1)相復勵在分析對稱三相電路時通常是采用一相來分析。如圖8.17所示是相復勵變壓器的單相等效電路。

圖8.18為三繞組相復勵裝置運行時的相量圖。

(2)自勵和諧振起勵過程相復勵變壓器T提供發(fā)電機空載勵磁電流的一次繞組W1是接在發(fā)電機輸出端，發(fā)電機靠自己發(fā)電起勵建立電壓。發(fā)電機不發(fā)電就得不到勵磁電流，沒有勵磁電流就無法起勵建立電壓。但是一般鐵磁材料總有一定的剩磁存在，發(fā)電機運轉后在剩磁的作用下能夠建立一定的剩磁電壓，剩磁越多產生的剩磁電壓越高。發(fā)電機自勵起壓的過程如圖8.19所示。

返回從圖8.16看出，移相電抗器L和電容器C串聯。相復勵變壓器的電壓繞組W1與電容器C是并聯的。諧振起勵的等效電路圖如圖8.21所示。8.7可控相復勵自勵調壓裝置可控相復勵自勵調壓裝置線路頗多，圖8.22是采用自動電壓校正器的輸出信號來控制飽和電抗器的磁化程度，通過改變飽和電抗器的電抗值，使發(fā)電機的勵磁電流改變，從而校正發(fā)電機的端電壓。另一種如圖8.23所示，自動電壓校正器的輸出信號用來控制相復勵變壓器的磁化程度，使勵磁電壓和電流改變，達到校正發(fā)電機端電壓?？煽叵鄰蛣钭詣钫{壓裝置比不可控相復勵自勵調壓裝置多了自動電壓校正器，進一步改進了電能質量，可使發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓變化率達到±1％，且調試方便，但是由于多了一個自動電壓校正器，使其結構顯得比較復雜。返回返回8.8晶閘管勵磁自動調整裝置為了減少勵磁裝置的重量、尺寸，提高調壓性能，同步發(fā)電機開始采用晶閘管勵磁自動調整裝置。這種勵磁裝置是利用晶閘管整流器，將發(fā)電機輸出的部分功率饋送到發(fā)電機勵磁回路，以作發(fā)電機勵磁功率。晶閘管的控制是由電子元件組成的控制電路來實現的，它的作用是測出發(fā)電機端電壓變化（），并按電壓偏差來控制晶閘管導通角的大小，從而實現勵磁自動調整，使發(fā)電機端電壓維持不變。其單線原理電路如圖8.24所示。

返回返回在圖8.25中，是將晶閘管直接勵磁系統(tǒng)分為整流主電路和控制電路兩部分：整流主電路由被控制對象同步發(fā)電機的電樞繞組、晶閘管元件、續(xù)流二極管和勵磁繞組等組成。控制電路由測量比較、校正放大、移相觸發(fā)，必要時還有功率放大、脈沖分配等單元組成。

用晶閘管組成的可控整流主電路有多種型式，但用于同步發(fā)電機自勵恒壓裝置的晶閘管直接勵磁系統(tǒng)只有四種：單相半波可控整流電路，如圖8.26（a）所示；單相橋式半控整流電路，如圖8.26（b）所示；三相半波可控整流電路，如圖8.26（c）所示；三相橋式半控整流電路，如圖8.26（d）所示。這四種整流電路優(yōu)缺點的比較，如表8.1所示。

返回晶閘管勵磁線路與相復勵自勵恒壓裝置比較，反應迅速、調壓指標高等優(yōu)點。但是由于沒有電流復合分量，當系統(tǒng)在發(fā)電機端附近短路時，端電壓接近于零，勵磁電流也就減少，這樣就不能對發(fā)電機供給足夠的短路電流使自動開關有選擇性地動作，甚至在發(fā)生短路后，端電壓下降至剩磁電壓，這對船舶電力系統(tǒng)工作可靠性是極不利的。所以晶閘管勵磁的強勵性能比相復勵差。為了克服這一缺點，可加上電流復合分量，其單相原理如圖8.27所示。返回隨著船舶用電設備諧波要求標準越來越嚴格，采用高功率因素、低諧波的高頻開關模式PWM整流器SMR（SwitchedModeRectifier）替代傳統(tǒng)的晶閘管自勵恒壓裝置是大勢所趨。和傳統(tǒng)的相控整流裝置相比，PWMSMR可以控制交流電源電流為畸變很小的正弦電流，且功率因數。此外，SMR和傳統(tǒng)的相控整流裝置相比較，體積、重量可以大大地減少，動態(tài)響應速度快。

8.9并聯運行同步發(fā)電機之間無功功率的分配討論同步發(fā)電機組并聯運行的無功功率分配，首先要建立一個概念——電網上只有一個電壓。船舶電網是獨立電網，電網上有幾臺機組并聯運行時，電壓是各臺發(fā)電機電勢共同作用的結果。發(fā)電機在負載電流產生的電樞反應作用下輸出與電網平衡的電壓，當手動或自動調節(jié)任意一臺發(fā)電機的勵磁電流，就會改變該臺發(fā)電機本身產生的電勢的大小，同時會改變無功負載的承擔，也會改變電網電壓。返回8.9.1采用不可控相復勵勵磁裝置的發(fā)電機并聯運行時無功功率均衡措施

圖8.28所示是勵磁直流均壓原理接線圖?；谠谟泄β史峙湎嗟鹊那闆r下，各發(fā)電機的電勢相等就可以使無功分配平衡。發(fā)電機的電勢又是由勵磁電流決定，因此采取的措施是均衡勵磁電流。均衡勵磁電流的方法有直流均壓和交流均壓兩種。返回8.9.2采用可控相復勵勵磁裝置的發(fā)電機并聯運行時無功功率均衡措施

可控相復勵勵磁系統(tǒng)的無功功率均衡措施盡管引入調差作用會降低電壓調整率，但是能夠使發(fā)電機并聯運行穩(wěn)定，所以被廣泛采用。為了彌補由于調差帶來的電壓調整率下降，可以采用“交叉無功電流補償”措施。圖8.29交叉無功電流補償原理圖返回當同步發(fā)電機并聯運行時，由于各發(fā)電機的電勢不相等，在發(fā)電機之間將產生環(huán)流，其環(huán)流的作用主要是影響各發(fā)電機無功功率的分配。因為同步發(fā)電機的定子繞組電抗較電阻大得多，從而使環(huán)流基本上是無功的。圖8.30當E1和E2不相等時，并聯同步發(fā)電機的電勢與電流簡化向量圖圖8.31三臺外特性斜率不同的同步發(fā)電機并聯工作時無功負載分配的情況返回8.10無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)典型電路分析一西門子IFC5型船用無刷同步發(fā)電機。其原理電路如圖8.32所示。

8.10.1結構

發(fā)電機由定子（電樞繞組）、轉子（磁場繞組和旋轉整流器）和交流勵磁機轉子（電樞繞組）、定子（磁場繞組）、相復勵裝置以及自動電壓調節(jié)器（AVR）等組成。

返回返回8.10.2相復勵裝置

相復勵裝置由三只電流互感器（T1、T2和T3）、線性電抗器（L1）、諧振電容器（C1）、復勵變壓器（T6）和整流器（V1）組成。

圖8.33