第十四章船舶同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調(diào)整

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)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：一、對船用自動勵磁裝置的要求基于船舶工作環(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)整過程如圖所示。

1）自動電壓調(diào)整器的靜態(tài)和動態(tài)特性

（1）靜態(tài)特性

對靜態(tài)電壓調(diào)整的要求

Ue：發(fā)電機的額定電壓(V)Umax：發(fā)電機在規(guī)定的負荷變化范圍內(nèi)端電壓的穩(wěn)態(tài)最大值Umin：發(fā)電機在規(guī)定的負荷變化范圍內(nèi)端電壓的穩(wěn)態(tài)最小值1.靜態(tài)和動態(tài)特性的要求（2）動態(tài)特性

對動態(tài)電壓調(diào)整的要求

Umax.s：發(fā)電機突加負荷或突減負荷時的最高電壓值Umin.s：發(fā)電機突加負荷或突減負荷時的最低電壓值動態(tài)指標：發(fā)電機突加或突減50％額定電流及功率因數(shù)不超過0.4(滯后)的對稱負荷時發(fā)電機的動態(tài)電壓變化率應(yīng)在±15％以內(nèi)電壓恢復(fù)時間不超過1.5s。靜態(tài)指標：發(fā)電機從空載至滿載，功率因數(shù)保持為額定值,主發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化率應(yīng)在

2.5%以內(nèi),應(yīng)急發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化率應(yīng)在

3.5%以內(nèi)。《鋼質(zhì)海船建造及入級規(guī)范》規(guī)定：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)。

自勵起壓基本原理

自勵起壓特性曲線，如圖所示。其中曲線1為同步發(fā)電機空載特性曲線Ufo＝f（IL）;曲線2為自勵回路的理想勵磁特性曲線IL＝f（Uf）。

同步發(fā)電機要正常自勵起壓，必須滿足三個條件：

（1）有足夠的剩磁電壓Us，以使自勵回路導(dǎo)通；（2）適當整定勵磁回路阻抗，使勵磁特性與空載特；（3）使自勵系統(tǒng)成為正反饋系統(tǒng)，剩磁電壓Us所產(chǎn)生的勵磁電流的磁化方向與剩磁方向相同。二、不可控相復(fù)勵恒壓的基本原理不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置。具有結(jié)構(gòu)簡單，管理方便，價格便宜，動態(tài)特性優(yōu)良，并能在惡劣的環(huán)境下可靠工作等優(yōu)點。

不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置,利用發(fā)電機本身的剩磁電壓進行自勵起壓,根據(jù)負荷電流的大小進行復(fù)勵及負荷電流與電壓的相位關(guān)系進行相位復(fù)勵，以調(diào)整勵磁電流，穩(wěn)定發(fā)電機端電壓。根據(jù)這兩個分量迭加方式的不同，又可分為：電流迭加型、電勢迭加型和電磁迭加型三種形式。電流迭加電勢迭加電磁迭加第三節(jié)電流迭加相復(fù)勵自勵恒壓裝置

1)原理圖

TA為電流互感器:它反映發(fā)電機負載電流的大小和相位，以進行相復(fù)勵調(diào)壓；LR為移相電抗器:它將發(fā)電機電壓產(chǎn)生的電流移相90°，作為電壓分量ILu，以進行自勵起壓；VD為三相橋式硅整流器:它將交流側(cè)迭加得到的勵磁電流?L整流成直流勵磁電流IL

。勵磁系統(tǒng)中要設(shè)置人工觸發(fā)起勵線路，利用蓄電池向勵磁系統(tǒng)提供電壓。

設(shè)電路為三相對稱，電流互感器不飽和。電流疊加相復(fù)勵單線原理圖2)等值電路分析電流疊加相復(fù)勵等值電路RE:勵磁回路等值電阻K:TA之變比ZL:LR之阻抗移相電抗器ZL

的電抗值XL

＞RL（LR的電阻值）,XL

＞RE,忽略RL和RE

滯后于電壓的角度即為功率因數(shù)角

。是用來產(chǎn)生電流補償和相位補償?shù)?當發(fā)電機的負載發(fā)生變化引起電壓變化時,復(fù)勵分量起著自動調(diào)節(jié)電壓的作用。電壓分量ILu

：在數(shù)值上ILu=Uf/XL，相位上滯后于電壓90

角，是勵磁電流的基本分量，由它來決定發(fā)電機的輸出電壓的大小。電流分量ILi

：發(fā)電機勵磁電流IL是由發(fā)電機端電壓經(jīng)移相電抗器提供的電壓分量ILu與由電流互感器提供的電流分量ILi所組成。

第四節(jié)電磁疊加的相復(fù)勵自勵恒壓裝置TE為三繞組相復(fù)勵變壓器，其原邊有一個電壓繞組N1,它與線性電抗器LR串聯(lián)后,接到發(fā)電機端電壓,構(gòu)成自勵回路。它引入電壓分量并與N3配合實現(xiàn)相復(fù)勵。N1稱為電流繞組,串接在發(fā)電機主回路中,采樣的是發(fā)電機負載電流If

，與N2構(gòu)成復(fù)勵回路。N2是輸出繞組,它外接于三相橋式硅整流器VD。R、C阻容元件用作整流元件的過壓保護。CQ是三相諧振起勵電容，以外接三角形方式與LR相聯(lián)接，其作用是在起壓時與LR發(fā)生串聯(lián)諧振、幫助起壓。由上式可知電磁迭加相復(fù)勵與電流迭加相復(fù)勵在數(shù)值和相位關(guān)系上基本相同，但電磁迭加型可通過調(diào)整匝數(shù)比獲得更好的相復(fù)勵恒壓特性。

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)電磁疊加帶電壓曲折繞組的相復(fù)勵系統(tǒng)

繞組N4稱為電壓曲折繞組。N4與N3在同一個三相鐵芯柱A,B,C上,N3的三相A,B,C分別與N4的三相B,C,A反接串聯(lián)。它的聯(lián)接規(guī)律,是N3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。第六節(jié)晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng)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)組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

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)。（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的基準電壓元件。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。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，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（AutomaticVoltageRegulator）。這就是所謂可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)，其原理圖如圖示。TYQ相復(fù)勵調(diào)壓裝置；YJQ電壓校正器；TA電流繞組；LR移相電抗器；TE

相復(fù)勵變壓器；Uf

發(fā)電機端電壓；CL整流濾波電路；CF移相觸發(fā)電路；VD全波橋式整流電路；L勵磁電路；一、可控相復(fù)勵變壓器式可控相復(fù)勵裝置可控相復(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。當發(fā)電機的電壓偏離給定電壓時，AVR的輸出電流IT就有相應(yīng)的改變，使得可控相復(fù)勵變壓器TE的飽和程度發(fā)生變化。在電流繞組N3和電壓繞組N1的電流為某一值時，輸出繞組N2所感應(yīng)出的電流將作相應(yīng)的變化。這樣能按照電壓偏差進一步調(diào)整發(fā)電機勵磁電流的大小。

二、可控移相電抗器式可控相復(fù)勵裝置

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。三、可控電抗器分流的調(diào)壓器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。

四、交流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器

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)淖杩梗韵拗凭чl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。五、直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器它與交流側(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?？煽叵鄰?fù)勵自動調(diào)壓裝置是帶有電壓校正器的相復(fù)勵裝置，它具有調(diào)壓精高，無功功率分配均勻，起勵可靠，強勵倍數(shù)高，動態(tài)性能好等特點，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。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。

后圖為無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)返回主發(fā)電機G和勵磁機LG都是三相同步發(fā)電機

TYQ相復(fù)勵調(diào)壓裝置G:主發(fā)電機EX:勵磁發(fā)電機CT:電流互感器X:電抗器F1:第一勵磁繞組F2:第二勵磁繞組（控制繞組）DCT:差動電流互感器CCR:電阻VR:可調(diào)電位器RT:電抗器第九節(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。返回《規(guī)范》規(guī)定:并聯(lián)運行的交流發(fā)電機組，當負載在總額定功率的20％～100％范圍內(nèi)變化時，應(yīng)能穩(wěn)定運行，其功率分配的誤差應(yīng)符合下列要求：各發(fā)電機實際承擔的無功功率與按發(fā)電機額定功率分配比例的計算值之差，應(yīng)不超過最大發(fā)電機額定無功功率的

10％。有差特性：兩機的調(diào)壓特性應(yīng)盡可能一致,則兩機的無功功率均分且穩(wěn)定。發(fā)電機調(diào)壓調(diào)整特性無差特性：并聯(lián)運行時,若有外界干擾時,無確定的工作點不能穩(wěn)定并聯(lián)運行。Q兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行時，轉(zhuǎn)移和分配兩臺發(fā)電機的無功功率是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機組的勵磁電流來實現(xiàn)的。兩機并聯(lián)運行無功功率分配（有差）

Q1)直流均壓線

對容量相同的發(fā)電機并聯(lián)運行,采用直流均壓線聯(lián)接。

當兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行時,兩勵磁繞組的勵磁電壓相等,保證了兩臺發(fā)電機勵磁電流相等,實現(xiàn)了兩臺發(fā)電機的無功功率均勻分配。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。

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),該聯(lián)接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（即空載電動勢相等）；負載后，保持無功功率按比例均勻分配（由電