船舶電站大連海事大學(xué)版LESSON33

1、 第三章 同步發(fā)電機電壓及無功 功率調(diào)節(jié) 一 概述 1 同步發(fā)電機電壓變化的原因和調(diào)壓措施。 當(dāng)負(fù)載變化時，由于發(fā)電機電樞反應(yīng)的作用，將引起發(fā)電機端電壓的變化。這個關(guān)系可由隱極發(fā)電機的電勢簡化矢量圖或平衡方程式表示： Uf =E0 - jIfXt (1-1) 式中:Uf-發(fā)電機端電壓 E-發(fā)電機空載電勢 If-發(fā)電機定子電流 Xt-發(fā)電機同步電抗 1由上式,E0不變，發(fā)電機的負(fù)載電流If的大小或性質(zhì)的變化，必引起Uf的變化。 由式（1-1）可知，當(dāng)If變化時，要保證Uf不變的唯一措施為相應(yīng)的改變E0的大小。已知： Eo=4.44Wfm 式中：4.44-比例常數(shù) W-發(fā)電機繞組匝數(shù) f-發(fā)電機頻

2、率 m -發(fā)電機磁通 由上式可知，W，f為常數(shù)時,E0與成正比，改變，就可使E0發(fā)生相應(yīng)的變化。由勵磁電流IL產(chǎn)生。這樣，要使E0改變，從而保證Uf恒定的任務(wù)，可通過調(diào)整IL來完成。與式（1-2）相聯(lián)系，可得出下面的結(jié)論：2使勵磁電流IL隨功率因數(shù)Cos 和負(fù)載電流If大小的變化而變化，補償電樞反應(yīng)的影響，從而達(dá)到調(diào)節(jié)端電壓Uf，保持Uf的恒定。 在實際運行中,If或Cos是經(jīng)常變動的，必引起Uf也經(jīng)常變動。要維持Uf恒定，必須要由電壓自動調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)IL的大小。 所謂自動調(diào)壓，實質(zhì)就是自動調(diào)節(jié)勵磁電流，自動電壓調(diào)節(jié)器又稱自動調(diào)節(jié)勵磁裝置。 2 自動調(diào)壓器的作用 (1)維持同步發(fā)電機端電壓為

3、一定水平。 (2)提高電力系統(tǒng)同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性。 (3)合理分配無功功率，保證并聯(lián)運行系統(tǒng)的正常 工作。 3 3 對自動調(diào)節(jié)器的基本要求1）穩(wěn)定可靠；2）滿足規(guī)范對電壓的要求：（靜態(tài)特性和動態(tài)特性）分別以調(diào)壓器的靜態(tài)電壓調(diào)整率和動態(tài)電壓調(diào)整率來表示對靜態(tài)調(diào)整率的要求，我國鋼質(zhì)入級與建造規(guī)范規(guī)定：靜態(tài)電壓調(diào)整率： U% = Umax(或Umin) - Ue / Ue 100% 2.5%式中：Umax(或Umin)-在規(guī)定的負(fù)載變化范圍內(nèi)發(fā)電機電壓的最大（或最小）穩(wěn)定值；4對動態(tài)特性的要求，鋼質(zhì)入級與建造規(guī)范規(guī)定：“交流發(fā)電機在負(fù)載為空載，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，電壓接近額定值的狀態(tài)下，突加和突

4、卸60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4（滯后）的對稱負(fù)載時，當(dāng)電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低與額定電壓的85%，當(dāng)電壓上升時，其瞬態(tài)電流應(yīng)不超過額定電壓的120%，而電壓恢復(fù)到最后穩(wěn)定值相差3%以內(nèi)所需的時間，則不應(yīng)超過1.5秒?！?3) 具有一定的強行勵磁能力；（當(dāng)大負(fù)荷投入電網(wǎng)或電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，電壓將大幅度下降，要求調(diào)壓器在急短的時間內(nèi)，使勵磁電流上升到超過額定值的最大值，使電壓恢復(fù)的能力稱強行勵磁能力，一般用強勵倍數(shù)Kq表示,Kq=強行勵磁電壓/額定勵磁電壓，一般情況下, Kq =2-3）5 4 自動調(diào)節(jié)器的分類按控制方式分：1）開環(huán)補償系統(tǒng)（相復(fù)勵）：電流疊加型、磁勢疊加 型、帶電

5、壓曲折繞組的相復(fù)勵2）按負(fù)反饋原理工作的閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)（可控硅自勵恒 壓系統(tǒng) 波蘭TUR型）3）復(fù)合控制系統(tǒng)（相復(fù)勵+校正器）及可控相復(fù)勵 （日本CRB型）二 開環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)（相復(fù)勵） 1 同步發(fā)電機自勵起壓原理： 先了解同步發(fā)電機自勵起壓的特性曲線61） 同步發(fā)電機空載特性曲線 2） 自勵回路理想勵磁特性曲線7同步發(fā)電機自勵起壓原理：轉(zhuǎn)子存在剩磁，發(fā)電機被轉(zhuǎn)動后，其定子繞組將感生剩磁電壓，剩磁電壓經(jīng)整流器加在勵磁繞組，產(chǎn)生勵磁電流，感生更高的電壓，更高的勵磁電流，形成正反饋，直到電壓達(dá)到額定值。正常起壓，必滿足兩個條件：1）必須有較大的剩磁電壓2）必須適當(dāng)整定自勵回路阻抗，使勵磁特性曲線與空 載

6、特性曲線正好交于空載額定電壓處。 實際上自勵回路阻抗為非線性，實際自勵回路勵磁 特性曲線是分段的 ，對此： 方法：1）充磁電路保證剩磁足夠（同步發(fā)電機空載特性曲線上移） 2) 諧振電容CQ ，使非理想勵磁特性曲線下移，起壓順利。82 電流疊加相復(fù)勵調(diào)壓器主要元件及作用：1）電流互感器LH ：原副邊皆有抽頭可調(diào)，以改變電流分量的大小，整定發(fā)電機負(fù)載電壓。2）移相電抗器DK ：線圈有抽頭可調(diào)，且氣隙也可調(diào)，以改變電壓分量的大小，整定發(fā)電機空載電壓。3）整流器ZL：整流作用4）阻容保護(hù)R0C0：過壓保護(hù)調(diào)壓基本原理：1）負(fù)載大小變化，若 If 增大（端電壓下降），則 IL 增大，使端 電壓上升，達(dá)到

7、調(diào)壓的目的；2）若cos下降（端電壓下降），同時 IL 增大，使端電壓上升， 同樣達(dá)到調(diào)壓的目的9 電路分析及計算它是一個三相對稱電路，可取一相進(jìn)行分析、計算 （參見等值電路圖）1） 電壓源單獨工作：Ilu=Uf / Rd+ZK2） 電流源單獨工作：Ili=Ii ZK/ZK+Rd由疊加原理：IL= Ilu + Ili =1/Rd+ZK（Uf +ZKKiwIf）10 討論：（1）勵磁電流IL主要取決于負(fù)載電流If 的大小和相位，這種電流疊加相復(fù)勵調(diào)壓器特點就是：利用負(fù)載電流If 的大小和相位作為輸入信號，來調(diào)整發(fā)電機的端電壓，因此它是一種開環(huán)系統(tǒng)。（2）DK的 作用：若沒有DK：ZK=0則： I

8、L= Ilu + Ili = Uf / Rd 沒有復(fù)勵作用可見，DK不可缺，又稱復(fù)勵阻抗11若DK為純電阻，ZK=RK由圖可見：If大小變化，如If 增加，IL也增加，可實現(xiàn)電流復(fù)勵I(lǐng)f 相位變化，如功率因數(shù)增加，IL也增加，不能實現(xiàn)相位補償DK為電感元件，ZK=jXK由圖可見：即可實現(xiàn)電流復(fù)勵，又可實現(xiàn)相位補償，（DK使電流分量滯后電壓分量90，又稱移相電抗器。一般設(shè)計時XK很大（ XK Rd ） 勵磁總電流的表達(dá)式簡化為：IL= Ilu + Ili =Uf / jXK +KiwIf Kiw-電流互感器原副邊匝數(shù)比12安裝調(diào)試：（1） 同名端對應(yīng)相不應(yīng)接錯（2） 調(diào)空載電壓：調(diào)匝數(shù)WDK、氣

9、隙（3） 調(diào)負(fù)載后的電壓：調(diào)電流互感器原副邊 匝數(shù)比Kiw（4） 需停機調(diào)整133 磁勢疊加復(fù)勵調(diào)壓器(諧振式）1） 主要元件及作用：相復(fù)勵變壓器BF：由三套繞組組成W1繞組-電壓繞組W2繞組-輸出繞組W3繞組-電流繞組移相電抗器DK ：線圈有抽頭可調(diào)，且氣隙也可調(diào)，以改變電壓分量的大小，整定發(fā)電機空載電壓。整流器ZL：整流作用阻容保護(hù)R0C0：過壓保護(hù)自激回路：UF-DK-W1/W2 -ZL-Ilu(自激分量）復(fù)激回路：IF-W3/W2 -ZL-Ili(復(fù)激分量）勵磁總電流的表達(dá)式為：IL= Ilu + Ili 142）電路 分析：取一相 折算到W2繞組上（按變壓器折算方法）原副邊電壓與匝數(shù)

10、成正比原副邊電流與匝數(shù)成反比； 折算前后功率不變設(shè)：K12=W1 / W2K32 =W3 / W2C -CYA 自激回路折算：相壓 UF = UF / K12 電流 I u = K12 I u阻抗 X K = XK / K12 X CY = XCY / K12B 復(fù)激回路折算：I i = K32 IF15C 折算后的等值電路（將磁勢關(guān)系轉(zhuǎn)換為電的關(guān)系）1） 電壓源單獨工作：Ilu= UF / jX k + Rd / (-jX cY) Rd / (-jX cY) 1/ Rd = UF / Rd (1- X k / X cY)+ jX k =K12UF / K12 Rd (1- X k / X c

11、Y)+ jXk (1)2） 電流源單獨工作：Ili=I i (Rd / -jX cY) / (jX k) 1/ Rd=jI FX k / Rd (1 -X k /X cY) + jX k=jK32I FX k / K12 Rd (1 -X k /XcY) + jXk (2)由疊加原理：總的勵磁電流 IL= Ilu + Ili=K12UF + jK32I FX k / K12 Rd (1- X k / X cY)+ jXk (3)16設(shè)計時使系統(tǒng)的諧振頻率W0=（0.951）We諧振時 X k = XcYIL= Ilu + Ili =K12UF / jxK + K32IF3）安裝調(diào)試：（1） 同

12、名端對應(yīng)相不應(yīng)接錯（2） 調(diào)空載電壓：調(diào)匝數(shù)WDK、氣隙 、K12（3） 調(diào)負(fù)載后的電壓：調(diào)K32（一般只調(diào)W3）（4） 需停機調(diào)整174 帶電壓曲折繞組的相復(fù)勵調(diào)壓器 電壓曲折繞組的作用：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)精度三 可控硅自勵恒壓系統(tǒng)（一） 基本工作原理：該勵磁系統(tǒng)主要由三大環(huán)節(jié)組成： CL為測量環(huán)節(jié)； CF為觸發(fā)控制環(huán)節(jié)； LC為勵磁主回路； 有時CF，CL兩環(huán)節(jié)合稱為勵磁調(diào)節(jié)回路。該勵磁系統(tǒng)是按發(fā)電機電壓偏差Uf來進(jìn)行自動調(diào)壓的。它利用可控硅整流器SCR將發(fā)電機F輸出的部分功率，通過變壓器B1反饋到發(fā)電機的勵磁回路L中，以作為發(fā)電 機的勵磁功率。該勵磁系統(tǒng)，

13、在發(fā)電機自勵建壓過程中，具有正反饋特性。而在發(fā)電機恒壓過程中，具有負(fù)反饋特性。 18 發(fā)電機的勵磁電流IL由可控硅主回路整流后供給。IL的大小取決于SCR導(dǎo)通角的大小 。而SCR 的導(dǎo)通角，是由SCR的脈沖觸發(fā)信號電壓UCF的移相來控制的。UCF的移相則由測量環(huán)節(jié)的輸出電壓UK所控制。UK由發(fā)電機電壓Uf經(jīng)測量環(huán)節(jié)變換而得。因此，該勵磁系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)將測得的Uf,轉(zhuǎn)換為控制UCF移相的信號，由UCF的移相去控制SCR的導(dǎo)通角，以此來調(diào)整IL和Uf以上基本的工作原理，可簡單表述為： 當(dāng)發(fā)電機端電壓下降時： 被測端電壓Uf控制電壓UK脈沖觸發(fā)電壓UCF前 移 導(dǎo)通角 勵磁電流IL端電壓Uf

14、 以保 持恒壓 該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，靜態(tài)特性好，但強勵能力差。19（二 ）基本電路分析： 1 測量比較單元分析 （雙穩(wěn)壓管橋式比較電路分析）雙穩(wěn)壓管橋式比較電路直流輸入電壓UfDc=Kuf雙穩(wěn)壓管橋式比較電路直流輸出電壓為UK若UW1= UW2= UW（雙穩(wěn)壓管同型號）；R1= R 2= R； R 3=01）若0 UfDc UW 則雙穩(wěn)壓管均截止 UK = UfDc2） UW UfDc 2UW 則雙穩(wěn)壓管均導(dǎo)通UfDc= UR1 + UW1= UR2 + UW2= UR + UW （1）UK = UW1 - UR2 = UW2 - UR1 = UW - UR （2）（1）+（2）得UK +

15、UfDc= 2UW UK = 2UW -UfDc由輸出特性曲線可見：oa段，正反饋段，符合起壓要求ab段，負(fù)反饋段，符合正常工作時的調(diào)壓要求。一般調(diào)R3整定發(fā)電機端壓，使其在Ufe時，工作點在G點。202脈沖移相觸發(fā)控制回路1）交直流疊加垂直控制移相觸發(fā)控制電路調(diào)制電阻R1兩端的電壓與同步電壓的關(guān)系晶體管BG的工作原理W2的作用交直流疊加垂直控制移相觸發(fā)控制電路總的工作原理2）單結(jié)晶體管式脈沖移相觸發(fā)控制電路 單結(jié)晶體管峰點電壓阻容回路積分時間常數(shù)3）單穩(wěn)態(tài)式脈沖移相觸發(fā)控制電路 單穩(wěn)態(tài)；暫態(tài)；C2兩條放電通道21（三） TUR型可控硅自勵恒壓裝置1 測量環(huán)節(jié)：Uf-測量變壓器27-六相整流器

16、26-輸出直流電壓，再經(jīng)濾波器25-測量橋24-UK 2 觸發(fā)控制環(huán)節(jié)： 3 勵磁主回路：發(fā)電機相電壓UW 0-限流濾波電抗器5-1、2、1、2（整流器）-過流繼電器4-供給發(fā)電機勵磁繞組4 起壓及充磁電路：起壓時， UW 0經(jīng)限流濾波電抗器5、6、7及過流繼電器4 給1、1加觸發(fā)電壓，使1、1全導(dǎo)通，進(jìn)行起壓。 電壓達(dá)到一定值，產(chǎn)生一定的電流，過流繼電器4動作，常閉觸點斷開，以后由UCF進(jìn)行自動調(diào)壓。 充磁電路：按下電鈕，電池-41-36充磁5 低速滅磁：當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時，按閉環(huán)控制原理將有勵磁電流很大，危及勵磁繞組的安全，故應(yīng)予以低速滅磁保護(hù)。本裝置規(guī)定：低速運行不得超過30S。評價：優(yōu)點是體

17、積小、重量輕， 閉環(huán)控制系統(tǒng)，靜態(tài)精度高，響應(yīng)快；缺點是強勵能力差。22四 可控相復(fù)勵自勵恒壓系統(tǒng)主要由相復(fù)勵自勵恒壓裝置和可控硅直流分流的電壓校正器組成。相復(fù)勵有很好的動態(tài)特性，而電壓校正器負(fù)責(zé)靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)，因此，可控相復(fù)勵自勵恒壓系統(tǒng)具有前述兩大系統(tǒng)的優(yōu)點。1 TZF 型可控相復(fù)勵自勵恒壓系統(tǒng)測量比較環(huán)節(jié)：Uf-測量變壓器Bc-六相橋式整流器D112-再經(jīng)濾波器-分壓器-輸出直流電壓ufDC，加于比較橋 UfDc=Kuf UK =UR5 = UfDc - uw 2 CRB 型可控相復(fù)勵自勵恒壓系統(tǒng) 測量比較環(huán)節(jié)：Uf-測量變壓器PT2-三相橋式整流器D1-再經(jīng)濾波器-輸出直流電壓u12，加

18、于比較橋1） u12 uw時， u34 = uR - uw = ( u12 - uw) - uw = u12 - 2 uw23五 無刷同步發(fā)電機：1 結(jié)構(gòu)： 主發(fā)電機（轉(zhuǎn)磁式的）、勵磁機（轉(zhuǎn)樞式的）、 旋轉(zhuǎn)整流器2 特點： 發(fā)電機為無觸點的結(jié)構(gòu)（無炭刷、滑環(huán)，普 通同步發(fā)電機有炭刷、滑環(huán)，易產(chǎn)生火花、 炭粉較臟，CCL4清洗） 電氣時間常數(shù)較大，使端壓反應(yīng)較慢 旋轉(zhuǎn)整流器承受較大離心力，工藝要求高 AVR所需容量小24并聯(lián)運行同步發(fā)電機間無功分配的自動控制1 并聯(lián)運行的交流系統(tǒng)有：有功分配P 由原動機提供 無功分配Q 由儲能元件存在而出現(xiàn)的電磁交換 能量（儲能元件=電源）2 常規(guī)電站并聯(lián)機組間

19、一般按功率標(biāo)么值相同的原則 分配，稱按比例分配3規(guī)范對無功分配的要求：（實承無功功率- 按比例計算的計算值） 同容量機組 Qi- Qie Qi / Qie 10% Qe (Qe= 3Ie ue Sine )( COSe=0.8)25例如：兩臺同容量機組ue=400V，Pe=200KW, COS= 0.8f=50HZ 運行時：P1=P2=150KW，u=400V， f=50HZ COS1= 0.6感性 COS2=1 沒有承擔(dān)無功功率計算：額定電流Ie=Pe / 3 ue COSe =361A運行時：I1 = P1 / 3 u COS1 =361A I2 = P2 / 3 u COS2 =216.

20、5A從有功負(fù)荷看，兩臺機組只達(dá)到75%，但1號機電流已達(dá)額定值，若增大負(fù)荷， 1號機過載。說明無功功率分配不均勻，全部由1號機承擔(dān)。無功功率分配嚴(yán)重不均，限制了發(fā)電機的利用率。264 無功功率的調(diào)整與分配同步發(fā)電機電壓的變化，主要由無功負(fù)荷變化引起若：系統(tǒng)發(fā)出的總的無功功率=總的無功負(fù)荷，系統(tǒng)的電壓恒定；系統(tǒng)發(fā)出的總的無功功率大于總的無功負(fù)荷，系統(tǒng)的電壓上升；系統(tǒng)發(fā)出的總的無功功率小于總的無功負(fù)荷，系統(tǒng)的電壓下降；要維持系統(tǒng)的電壓恒定，各臺發(fā)電機應(yīng)同時通過自動調(diào)壓裝置，來調(diào)整無功功率。當(dāng)轉(zhuǎn)移和分配兩臺并聯(lián)發(fā)電機間的無功負(fù)荷時，只要同時向相反方向調(diào)節(jié)兩臺并聯(lián)發(fā)電機的勵磁電流便可。并聯(lián)發(fā)電機間無功

21、功率的自動分配，實際上是由調(diào)壓器自動調(diào)整各自的勵磁電流完成的。自動調(diào)壓器不僅擔(dān)負(fù)自動調(diào)壓的任務(wù)，還擔(dān)負(fù)著自動調(diào)整、分 配無功功率的任務(wù) 27穩(wěn)定無功分配的方法（按調(diào)壓器的類型而定）1） 對于純相復(fù)勵的調(diào)壓器一律采用均壓線用直流均壓線將并聯(lián)的（同型、同容）機組的激磁繞組并聯(lián)，迫使各機組的勵磁電壓一致，故勵磁電流接近一致，保證無功均分。2）采用下傾調(diào)壓特性穩(wěn)定無功分配-用于閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)并聯(lián)發(fā)電機間無功功率的分配關(guān)系，主要由電壓調(diào)整特性曲線決定：A 定義：調(diào)壓特性 U*= f(IQ*) 調(diào)差系數(shù) Kuc= - U*/ IQ* = tg(斜率)若Kuc = 0 則稱無差特性（實船少用）若Kuc0 則稱（下傾）有差特性（實船應(yīng)用極廣）通常Kuc在5% 以內(nèi)（可整定）281) 有差調(diào)壓特性與無差調(diào)壓特性的兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行對號機而言：Uf為常數(shù)，具有保持Uf恒定的作用交點A為工作點 號機無功固定，余下的全部由號機承擔(dān)改變無功功率分配，只要平移曲線就可以了改變Uf ，只要平移曲線 就可以