第三篇-14同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調整

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章同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調整§14-1自動電壓調整的基礎知識§14-2不可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)§14-3晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng)§14-4可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)§14-5無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)§14-6并聯(lián)運行發(fā)電機組間無功功率分配

本章主要介紹船舶同步發(fā)電機的自動調壓、以及無功功率的調節(jié)方法。

內容簡介相關概念轉速波動率：機組在空載到滿載范圍內任一負載下運行時，于一定時間間隔內測得的最高轉速n1或最低轉速n2與它們的平均值之差對平均轉速的百分比≤±0.5%。電壓波動率：機組在空載到滿載范圍內任一負載下運行時，于一定時間間隔內測得的最高電壓U1或最低電壓U2與它們的平均值之差對平均電壓的百分比≤±1%?！?4

-1自動電壓調整的基礎知識

發(fā)電機組起動運行且轉速接近額定轉速時，應能使發(fā)電機可靠起勵，建立額定空載電壓。14.1.1自動調壓裝置的功能

為了保證高質量的供電指標，自動調壓裝置應具備下述的功能：1）自勵起壓2）維持電力系統(tǒng)電壓基本恒定∵用電設備為感性負載→去磁電樞反應∴負載電流變化→應使勵磁電流相應變化→補償去磁作用→維持端電壓恒定→AVR3）合理分配發(fā)電機的無功功率

并聯(lián)運行的交流發(fā)電機組，當負載功率變化時，各發(fā)電機實際承擔的無功功率若不按發(fā)電機各自的容量比例分配→發(fā)電機間電勢不相等→有環(huán)流→增大損耗且不穩(wěn)定。強勵能力：短路時，提高保護動作可靠性14.1.2自勵恒壓裝置的要求1）靜態(tài)和動態(tài)特性Umin.s—發(fā)電機突加負載時的最低電壓值Umax.s—發(fā)電機突減負載時的最高電壓值（1）對靜態(tài)電壓調整的要求發(fā)電機負載端電壓波動的緩慢變化可用靜態(tài)電壓調整率（穩(wěn)態(tài)電壓變化率〕U%來表示:《鋼質海船建造及入級規(guī)范》規(guī)定：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)電壓變化率應在2.5%以內,應急發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化率應在3.5%以內。Umax、Umin—發(fā)電機在額定負載變化范圍內端電壓穩(wěn)態(tài)時最大值和最小值。（2）對動態(tài)電壓調整的要求負載突變→AVR應能使發(fā)電機瞬時電壓波動及恢復至穩(wěn)定值得時間都在允許范圍之內，用瞬時電壓調整率△Us％和電壓恢復時間th來表示Umin.s—發(fā)電機突加負載時的最低電壓值Umax.s—發(fā)電機突減負載時的最高電壓值《鋼質海船建造及入級規(guī)范》規(guī)定：

發(fā)電機突加或突減60％額定電流及功率因數(shù)不超過0.4（滯后）的對稱負載時，發(fā)電機的動態(tài)電壓變化率最低不超過-15%最高不超過+20%，恢復到額定值的3

%內的時間≤±1.5s，應急發(fā)電機恢復到額定值的

4

%內的時間≤±5s，

（發(fā)電機的動態(tài)電壓變化率應在15%以內，電壓恢復時間不超過1.5秒。）

當電壓突然下降很大時，要求自動調壓裝置能迅速把勵磁電流升高至超過額定狀態(tài)的最大值，即有足夠的強行勵磁能力，以提高電壓的上升速度。常用強行勵磁倍數(shù)Kp（一般>2）和發(fā)電機電壓上升速度(0.1s~0.5s)來描述。2）強行勵磁ULe

—發(fā)電機額定電壓時的勵磁電壓ULp—強勵時提供的最高勵磁電壓《鋼質海船建造及入級規(guī)范》規(guī)定：

并聯(lián)運行的交流發(fā)電機組，當負載在額定功率的20%～100%范圍內變化時，各發(fā)電機實際承擔的無功功率與按發(fā)電機各自的容量比例計算值之差不應超過下列數(shù)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%。3）無功功率的合理分配

勵磁電流是由與同步發(fā)電機組同軸的直流勵磁發(fā)電機提供。由于直流勵磁機的電磁慣性較大，而且有電刷和換向器，可靠性差，維護管理不便，不宜在船舶電站中使用。（1）直流勵磁機他勵方式1.按照直流勵磁電流的獲得方式區(qū)分4）自動調壓裝置的分類（2）靜止自勵方式

利用交流同步發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)晶閘管整流提供給轉子勵磁繞組的自勵方式獲得了廣泛的應用。靜止自勵方式簡單、可靠，特別適用于容量較小的船舶同步發(fā)電機。同時，由于其電磁慣性較小，因此具有優(yōu)良的動態(tài)性能。（3）交流勵磁機他勵方式

以交流勵磁機他勵的無刷勵磁方式。由于這種勵磁方式使整個機組的旋轉部分和靜止部分沒有任何滑動電接觸，去掉了電刷和滑環(huán)，因此可靠性好，管理方便。

當發(fā)電機的輸出電壓與給定電壓出現(xiàn)偏差（Uf）時，調節(jié)器根據(jù)U的大小和極性對勵磁電流進行調節(jié)，以維持端電壓恒定。（1）按電壓偏差Uf調節(jié)特點:屬于閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)性能好，調壓精度高。但動態(tài)特性差。

按照自勵恒壓的作用原理（被檢測量）區(qū)分（2）按負載擾動調節(jié)If，cosφ

發(fā)電機端電壓變化的是由于負載擾動引起的，調節(jié)裝置直接測量擾動量，根據(jù)擾動量的變化來進行調節(jié)，使發(fā)電機的端電壓恒定。特點:屬于開環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，具有結構簡單，工作可靠，強勵能力強，動態(tài)性能好等特點。但靜態(tài)性能較差，調壓精度低。按負載和電壓偏差的綜合調節(jié)，在按負載調節(jié)的基礎上采用自動電壓調節(jié)器（AVR）→一種較理想的勵磁調節(jié)器，廣泛用于船舶電站。AVR類型：不可控相復勵自勵恒壓勵磁裝置、可控相復勵自勵恒壓勵磁裝置、晶閘管（可控硅）自勵恒壓勵磁裝置、無刷同步發(fā)電機恒壓勵磁系統(tǒng)（3）復合調節(jié)Uf

，

If，cosφ§14-2不可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)性能優(yōu)良，能在惡劣的環(huán)境下可靠地工作。既反映電流的大小，也能反映電流的相位的線路稱為相位復勵線路，簡稱相復勵線路。相復勵裝置調節(jié)特性的規(guī)律是按電流的大小及相位進行補償?shù)摹?/p>

通?？蓺w納為三種方式：按電流疊加的相復勵按電磁疊加的相復勵按電勢疊加的相復勵14.2.1不可控相復勵裝置自勵起壓及恒壓原理1）自勵起壓基本原理（1）足夠的剩磁電壓，以使自勵回路導通（2）適當?shù)膭畲呕芈纷杩?，以使勵磁特性和空載特性匹配；（3）使勵磁系統(tǒng)正反饋，剩磁電壓產(chǎn)生的勵磁電流磁化方向與剩磁方向相同2

—自勵回路的理想勵磁特性曲線1—同步發(fā)電機空載特性曲線2）恒壓基本原理（1）復勵原理：當負載的功率因數(shù)cos不變，而負載電流的幅度增加時。負載電流大小變化功率因數(shù)不變復勵分量按比例增加（2）相位補償原理：當負載的電流大小不變，設功率因數(shù)角由增加到（感性）。復勵分量按比例增加負載電流大小不變，功率因數(shù)變化φφ14.2.2電流疊加相復勵自勵恒壓裝置2）等值電路分析∵ZL>>RL，ZL>>RE

∴上式可近似成：電抗器頻率補償作用：（f↑→Uf

↑）f↑→XL↑→ILU↓→IL↓→Uf

↓14.2.3電磁疊加相復勵恒壓裝置LR—相復勵電抗器N1—電壓繞組N3—電流繞組N2—輸出繞組Nf—勵磁繞組VD

—二極管三相整流器調整：1.空載：調節(jié)移相電抗器的氣隙或匝數(shù)（電壓低→減少匝數(shù)或增大氣隙或增加電壓繞組N1的匝數(shù)）

2.負載：調節(jié)電流互感器副邊匝數(shù)。（電壓低→減少副邊匝數(shù)）磁勢平衡方程：14.2.4電磁疊加帶電壓曲折繞組的相復勵系統(tǒng)與前述電磁疊加相比多了一套繞組→又稱：四繞組相復勵變壓器N4與N1反接串聯(lián)，進一步加強功率因數(shù)變化的相位補償，提高靜態(tài)調整特性§14

-3晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng)組成：測量比較電路、移相觸發(fā)電路、晶閘管主電路、起勵和保護電路等組成。14.3.1測量比較環(huán)節(jié)1）測量電路單相測量、單相整流三相測量六相整流電路圖三相測量三相整流、濾波電路有型濾波、雙T型濾波和橋式濾波等。

比較電路的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。

當Uin>UZ時,Uout=UZ－（Uin－UZ）＝2UZ－Uin，勵磁系統(tǒng)呈現(xiàn)負反饋的特性。

當Uin<UZ時，比較電路的輸出電壓Uout=Uin，勵磁系統(tǒng)呈正反饋特性。2）比較電路14.3.2移相觸發(fā)環(huán)節(jié)及勵磁主回路

依據(jù)比較電路的偏差大小和極性，對晶閘管發(fā)出相應觸發(fā)角的脈沖。勵磁調節(jié)裝置中，觸發(fā)器形式主要有：單結晶體管觸發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、三極管開關電路、阻塞振蕩器等觸發(fā)器。1）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)2）勵磁主回路人工觸發(fā)起動勵磁線路圖阻容吸收電路，硒堆吸收保護及快速熔斷器等。

勵磁系統(tǒng)中要設置人工觸發(fā)起勵線路，利用蓄電池向可控硅提供觸發(fā)電壓。

3）保護和起勵電路§14

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可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)

為了提高電壓的調節(jié)精度，廣泛采用相復勵加電壓偏差的復合式勵磁裝置（可控相復勵自動調壓裝置）。14.4.1可控相復勵變壓器式可控相復勵裝置直流磁化繞組電磁疊加相復勵的三繞組＋直流磁化繞組。通過改變該繞組的電流→改變鐵心的磁化程度→控制各線圈的電抗→控制相復勵變壓器輸出的勵磁電流14.4.2可控移相電抗器式可控相復勵裝置用飽和電抗器取代固定的移相電抗器。電流疊加；AVR輸出直流控制移相電抗器飽和程度，改變電抗值。用調節(jié)相復勵空載分量消除偏差。14.4.3可控電抗器分流的調壓器電流疊加；AVR控制交流側分流，控制移相電抗器飽和程度，從而改變分流（連續(xù)）也是調節(jié)空載分量。14.4.4交流側晶閘管分流的調壓器晶閘管并聯(lián)在相復勵裝置的交流側實現(xiàn)交流側的分流（斷續(xù)）作用。電流疊加；AVR控制分流，也是調節(jié)空載分量14.4.5直流側晶閘管分流的調壓器

與交流側晶閘管分流的可控相復勵裝置不同的是晶閘管并聯(lián)在直流側。

綜上所述,可控相復勵自動調壓裝置具有調壓精度高,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,在船上獲得了廣泛的應用。§14

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無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)兩臺同步發(fā)電機同軸安裝：一臺主發(fā)電機為轉極式，G為三相電樞、轉子L為直流勵磁一臺勵磁機為轉樞式。定子LL為直流勵磁繞組、轉子LG為三相電樞§14

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并聯(lián)運行發(fā)電機組間無功功率分配

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％范圍內變化時，應能穩(wěn)定運行，其功率分配的誤