船舶電站及其自動(dòng)化裝置 課件 3 船舶同步發(fā)電機(jī)組頻率及有功功率分配

第三章船舶同步發(fā)電機(jī)組頻率及有功功率分配

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)及其用電設(shè)備的要求，交流發(fā)電機(jī)投入正常運(yùn)行時(shí)，要求拖動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)保持幾乎不變的轉(zhuǎn)速，電網(wǎng)頻率的波動(dòng)范圍不超過(guò)額定頻率的±1％。由于船舶負(fù)載是不斷變化等原因，造成了電網(wǎng)頻率變化和多臺(tái)發(fā)電機(jī)間的有功功率分配關(guān)系（比例關(guān)系）發(fā)生改變。為了保證船舶電站供電可靠、電網(wǎng)穩(wěn)定、參數(shù)穩(wěn)定、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用安全，必須對(duì)單機(jī)或多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的船舶同步發(fā)電機(jī)組的頻率、有功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。本部分主要介紹同步發(fā)電機(jī)有功功率與頻率的關(guān)系、調(diào)速器與調(diào)速特性和有功功率的分配與轉(zhuǎn)移等概念。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的頻率調(diào)整和發(fā)電機(jī)間有功功率的分配密切相關(guān)。當(dāng)各機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起電力系統(tǒng)有功功率分配的不均勻。頻率調(diào)整實(shí)際上是對(duì)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，所以發(fā)電機(jī)頻率的調(diào)整和有功功率分配可以由原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。船舶交流電站中由于負(fù)載的變化（特別是當(dāng)大功率負(fù)載的起動(dòng)和停止時(shí)），將引起電站運(yùn)行發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，從而使電網(wǎng)頻率發(fā)生變化。索引第一節(jié)概述因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)本身都具有調(diào)速器，頻載調(diào)節(jié)器只起輔助調(diào)節(jié)作用，所以它不需要迅速反應(yīng)和頻繁的動(dòng)作（伺服電機(jī)是短時(shí)工作制的，不允許長(zhǎng)期工作），只是在調(diào)速器動(dòng)作之后如果仍存在固定偏差時(shí)，由它再進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于如起貨電動(dòng)機(jī)等的固定頻繁起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停止所引起的電網(wǎng)頻率波動(dòng)不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。索引概述我國(guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)原動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性有明確的要求：“當(dāng)突加或突卸額定負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)變化不大于額定轉(zhuǎn)速的±10％，穩(wěn)定后變化不大于額定轉(zhuǎn)速的±5％，達(dá)到新的穩(wěn)定值的時(shí)間不超過(guò)5s?！蔽覈?guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的各交流發(fā)電機(jī)組的有功功率的分配要求為：“并聯(lián)運(yùn)行的各交流發(fā)電機(jī)組均應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行，且當(dāng)負(fù)載在總額定負(fù)載的20％～100％范圍內(nèi)變化時(shí)，各機(jī)組所承擔(dān)的有功負(fù)載與總負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差，應(yīng)不超過(guò)下列數(shù)值中的較小者：①最大機(jī)組額定有功功率的±15％；②最小機(jī)組額定有功功率的±25％。索引1.離心式調(diào)速器基本結(jié)構(gòu)及調(diào)速原理：

帶動(dòng)船舶同步發(fā)電機(jī)工作的原動(dòng)機(jī)，大多數(shù)是柴油機(jī)。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速由其調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變套筒的位置可以改變調(diào)速?gòu)椈傻念A(yù)緊力，從而改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。

套筒的一端帶有齒牙，可通過(guò)調(diào)速器馬達(dá)DC通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，改變套筒的位置。而DC的控制觸點(diǎn)就是主配電板上的調(diào)速開關(guān)。第二節(jié)有功功率和頻率調(diào)整的基礎(chǔ)知識(shí)調(diào)速器杠桿動(dòng)作過(guò)程圖

在新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)下，柴油機(jī)承擔(dān)負(fù)荷增大，進(jìn)油量也增加，但轉(zhuǎn)速卻下降了。所以這種調(diào)速器的調(diào)速性能是有差的。C1點(diǎn)的位置不變2.調(diào)速器特性

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨輸出功率變化的關(guān)系曲線稱為柴油機(jī)調(diào)速器特性。柴油機(jī)調(diào)速器特性有兩種類型：有差特性和無(wú)差特性。從穩(wěn)定頻率的角度看，無(wú)差特性可使發(fā)電機(jī)頻率保持不變，是理想的特性。但從并聯(lián)運(yùn)行角度看，無(wú)差特性難于保證并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行(具體見下面分析)。

索引并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的調(diào)速特性

只要改變套筒的上下位置，彈簧壓力的大小就會(huì)改變，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速特性上下平移。索引

當(dāng)柴油機(jī)輸出功率變化時(shí)，依靠調(diào)速器的固有調(diào)速特性自動(dòng)改變油門的開度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與功率平衡的調(diào)節(jié)過(guò)程通常稱為轉(zhuǎn)速（頻率）的一次調(diào)節(jié)。索引第三節(jié)有功功率的分配與頻率調(diào)整索引單機(jī)運(yùn)行頻率的調(diào)整假設(shè)船舶電網(wǎng)上已有一臺(tái)發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷P運(yùn)行，頻率為fe，第二臺(tái)機(jī)組經(jīng)準(zhǔn)同步并車后,還只是處于空載狀態(tài)?，F(xiàn)在需要將有功負(fù)荷轉(zhuǎn)移一半給2號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)，這個(gè)任務(wù)，調(diào)速器不能自動(dòng)完成，若無(wú)“自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置”就必須手動(dòng)操作。設(shè)電壓和無(wú)功分配已由調(diào)壓器保證了,這里只討論如何保持頻率不變,實(shí)現(xiàn)有功功率的轉(zhuǎn)移。索引3.2并聯(lián)發(fā)電機(jī)組間的有功功率分配與轉(zhuǎn)移

并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間的有功負(fù)載分配與調(diào)速特性的斜率呈反比關(guān)系。索引3.3調(diào)差系數(shù)與功率分配間的關(guān)系

在相同斜率的調(diào)速特性下，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組增加或減少的有功功率是相同的。索引調(diào)速特性的斜率相同，即希望對(duì)特性配合的四種情況分析，可得結(jié)論：

①.兩機(jī)配合的理想情況是：兩條調(diào)速特性都為差比較的有差特性，且特性的斜率一致。

②.兩機(jī)都為有差特性但差不等：電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)，差小的發(fā)電機(jī)承擔(dān)有功變化量大。

③.一機(jī)有差一機(jī)無(wú)差：負(fù)載有功變化時(shí)，所有負(fù)載有功變化量都由無(wú)差特性發(fā)電機(jī)承擔(dān)。

④.兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)都具有無(wú)差調(diào)速特性，將不能穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行。結(jié)論調(diào)速器的失靈區(qū)

兩臺(tái)具有相同調(diào)速特性的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，功率分配也不可能做到完全均勻。采用自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置，便能比較理想地解決這個(gè)矛盾，既可以使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)，又能使頻率分配誤差盡量縮小。直接利用調(diào)速器特性調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率的方法稱為“一次調(diào)節(jié)”。實(shí)際使用運(yùn)行中需要輔以“二次調(diào)節(jié)”。即在負(fù)載變化調(diào)速器進(jìn)行一次調(diào)節(jié)后用手動(dòng)或自動(dòng)裝置進(jìn)行“二次調(diào)節(jié)”，移動(dòng)調(diào)速器特性曲線的位置，改變進(jìn)入原動(dòng)機(jī)的燃油進(jìn)行頻率和功率調(diào)節(jié)。

第四節(jié)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載頻率自動(dòng)調(diào)整和有功功率的自動(dòng)分配裝置簡(jiǎn)稱為自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置，又稱自動(dòng)負(fù)荷分配器。它的基本功能如下：（1）自動(dòng)維持船舶電力系統(tǒng)頻率為額定值。（2）依并聯(lián)運(yùn)行各機(jī)組的容量按比例自動(dòng)分配有功功率。（3）接到“解列”指令時(shí),能自動(dòng)控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移，待其負(fù)荷接近零時(shí)，才使其發(fā)電機(jī)主開關(guān)自動(dòng)跳閘,與電網(wǎng)脫離。自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置是用來(lái)調(diào)整電網(wǎng)頻率和發(fā)電機(jī)組之間的有功功率分配的，因而需要檢測(cè)機(jī)組的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷,對(duì)信號(hào)加以判別、放大，控制“加”“減”速調(diào)速開關(guān),使調(diào)速器的伺服電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而改變?cè)瓌?dòng)機(jī)油門的開度。因此，自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置一般由頻率變換器、有功功率變換器、有功功率分配器和調(diào)整器四部分組成。

4.1自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置的基本組成

4.1.1頻率變換器

4.1.2有功功率變換器有功功率分配器是一種有功分配運(yùn)算電路，為實(shí)現(xiàn)按比例或均勻分配有功功率而設(shè)置的。運(yùn)算環(huán)節(jié)主要由比較放大器和加法器組成，它的作用是根據(jù)電網(wǎng)總的功率，計(jì)算每臺(tái)發(fā)電機(jī)應(yīng)承擔(dān)功率以及各臺(tái)發(fā)電機(jī)實(shí)際承擔(dān)的功率值與平均值之差。

4.1.3有功功率分配器調(diào)整器接受頻差和功差信號(hào)，并根據(jù)它們的頻差和功差信號(hào)的大小和極性，輸出相應(yīng)脈沖調(diào)整信號(hào)，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門的開度，使有功功率均勻分配，從而保持電網(wǎng)的頻率恒定。4.1.4調(diào)整器在并聯(lián)運(yùn)行的各機(jī)組上分別裝有功率變換器和調(diào)整器，整套裝置只裝一臺(tái)頻率變換器。在其控制下，保持電網(wǎng)的頻率為額定值，負(fù)載按給定比例進(jìn)行機(jī)組間的合理分配。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組所裝置的調(diào)整器仍是有差特性，但不影響達(dá)到無(wú)差特性的調(diào)整效果。虛有差調(diào)節(jié)法工作原理假設(shè)三臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率已均勻分配，則圖3-15中各功率變換器輸出端1、4兩點(diǎn)間直流電壓相等，又因?yàn)?已聯(lián)成一點(diǎn)，故4點(diǎn)亦為等電位點(diǎn)。頻率調(diào)整假設(shè)三臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率已均勻分配，則圖3-15中各功率變換器輸出端1、4兩點(diǎn)間直流電壓相等，又因?yàn)?已聯(lián)成一點(diǎn)，故4點(diǎn)亦為等電位點(diǎn)。功率分配調(diào)整發(fā)電機(jī)組的解列操作是指當(dāng)船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷減小，不需要更多的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，可將準(zhǔn)備停掉的發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷轉(zhuǎn)移給在網(wǎng)機(jī)組，待其負(fù)荷減到接近零時(shí),方可斷掉該發(fā)電機(jī)的主開關(guān)，這個(gè)操作稱發(fā)電機(jī)組的解列。顯然解列是并聯(lián)的逆過(guò)程。發(fā)電機(jī)組的解列調(diào)整1、主調(diào)發(fā)電機(jī)法工作原理主調(diào)發(fā)電機(jī)法是在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)中選擇一臺(tái)作為“主調(diào)發(fā)電機(jī)”，任務(wù)是當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化出現(xiàn)頻差時(shí)，只改變主調(diào)發(fā)電機(jī)的油門，調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率維持額定值，并承擔(dān)負(fù)荷的變化量。此時(shí)，自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置只作為主調(diào)發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器，它只需檢測(cè)電網(wǎng)的頻率差，并將相應(yīng)的信號(hào)送至主調(diào)發(fā)電機(jī)的調(diào)整器，平移主調(diào)發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻。4.2.2主調(diào)發(fā)電機(jī)法主-從控制法(Master-SlaveSystem)是在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺(tái)作為主控機(jī)，特點(diǎn)是其控制裝置接收電網(wǎng)的頻率信號(hào)，使之與額定頻率信號(hào)比較，當(dāng)電網(wǎng)頻率高于額定頻率時(shí),由主控機(jī)的調(diào)整器發(fā)出“減速”信號(hào),通過(guò)主控機(jī)的調(diào)速器，關(guān)小原動(dòng)機(jī)的油門；反之則加大原動(dòng)機(jī)的油門，力圖維持系統(tǒng)的頻率為額定值。主控機(jī)只管調(diào)頻，稱Master機(jī)，而其余機(jī)組，稱為從動(dòng)機(jī)(Slave機(jī))，專管負(fù)荷分配，即按既定的負(fù)荷分配方式來(lái)控制自己，只承擔(dān)它應(yīng)承擔(dān)的負(fù)荷，且不參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。4.2.3主-從控制法討論虛有差調(diào)節(jié)法的調(diào)整準(zhǔn)則時(shí)，曾令死區(qū)ε=0，所以調(diào)節(jié)的結(jié)果最終實(shí)現(xiàn)恒頻、均功。而實(shí)際系統(tǒng)中，設(shè)置的ε（不靈敏區(qū)）總是不為零的，它相應(yīng)于調(diào)整器的啟動(dòng)值。設(shè)置了±ε后,會(huì)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來(lái)一定的靜態(tài)誤差。但這是可行的，因?yàn)閷?duì)于電力系統(tǒng)的頻率和有功分配的調(diào)節(jié)，實(shí)際上并不要求十分準(zhǔn)確。規(guī)范對(duì)此也有相當(dāng)寬容的允許偏差。對(duì)于調(diào)節(jié)裝置來(lái)說(shuō)，設(shè)置不靈敏區(qū)±ε,也有其必要性，理由是防止調(diào)節(jié)的動(dòng)作過(guò)于頻繁，以致使調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈中的機(jī)械磨損過(guò)大，更重要的是為了二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。第五節(jié)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的參數(shù)選擇為分析方便,設(shè)發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行,又假定系統(tǒng)按寬度一定的脈沖來(lái)調(diào)節(jié)頻率，并設(shè)每輸出一個(gè)調(diào)節(jié)脈沖δ,能使該機(jī)組的頻率變化Δfδ，再設(shè)調(diào)整器的不靈敏區(qū)為ε，其對(duì)應(yīng)的頻率誤差為Δfε，則當(dāng)Δfδ?2Δfε時(shí),就可能產(chǎn)生不衰減的振蕩?！翱赡墚a(chǎn)生”，意即不一定產(chǎn)生（即使?jié)M足上式關(guān)系），是否產(chǎn)生振蕩還需看初始條件，即初始頻率f0的值。5.1.1調(diào)頻時(shí)可能產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象多臺(tái)（假如設(shè)為兩臺(tái)）機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的情況，仍假定是按定脈沖寬度的調(diào)節(jié)方式，并設(shè)每一個(gè)調(diào)節(jié)脈沖δ能使機(jī)組的有功功率變化ΔPδ，再設(shè)對(duì)應(yīng)于調(diào)整器不靈敏區(qū)ε的功率變化量為ΔPε，則當(dāng)ΔPδ?2ΔPε時(shí)，就