船舶同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調整(共60張PPT)

第14章船舶同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調整本章的主要講解內容第一節(jié)概述第二節(jié)不可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)第三節(jié)電流疊加相復勵自勵恒壓裝置第四節(jié)電磁疊加的相復勵自勵恒壓裝置第五節(jié)帶電壓曲折繞組的相復勵系統(tǒng)第六節(jié)晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng)第七節(jié)可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)第八節(jié)無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)第九節(jié)船舶同步發(fā)電機組間無功功率自動分配第1頁，共60頁。第一節(jié)概述

維持供電電壓的穩(wěn)定是保證供電質量的主要措施之一。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)電機的自動勵磁調整裝置（自動電壓調節(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變化都將引起發(fā)電機的電樞反應發(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。

返回第2頁，共60頁。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)電機電樞反應的程度時，電壓平衡方程式為：第3頁，共60頁?；诖肮ぷ鳝h(huán)境的特殊性，對自動勵磁調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)定調整的情況下，船舶電力系統(tǒng)電壓的暫態(tài)調整過程如圖14-1所示。

一、對船用自動勵磁裝置的要求第4頁，共60頁。1.靜態(tài)和動態(tài)特性的要求當負載在一定范圍內變化時，在不同的負載下，調壓器應保證穩(wěn)定狀態(tài)時的電壓在允許的范圍內。這個靜態(tài)指標，用靜態(tài)電壓調整率

ΔUW

來衡量。當較大負載突變時，瞬時電壓變化很大，此瞬時電壓也要在規(guī)定的允許范圍之內，而且恢復的時間越快越好。這個動態(tài)指標，用瞬態(tài)電壓調整率和電壓恢復時間來衡量。第5頁，共60頁。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)應能保證最短的時間內，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用最為普遍。第6頁，共60頁。二、自勵恒壓裝置的分類及調壓原理1.按發(fā)電機電壓偏差調節(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節(jié)。由于被檢測量和被調量

都是發(fā)電機端電壓，恒壓裝置與發(fā)電機構成一個

閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)特性比較好，靜態(tài)電壓調整

率一般均在土1％以內。晶閘管自勵恒壓裝置屬于

這種類型。第7頁，共60頁。2.按負載電流I

和功率因數(shù)調節(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)調壓器去調節(jié)勵磁電流來穩(wěn)定發(fā)電

機電壓。這時被測量和被調量不同，故構成一個開

環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)特性比較差，但動態(tài)特性較好。

不可控相復勵自勵恒壓裝置屬于這種類型。第8頁，共60頁。第9頁，共60頁。第二節(jié)不可控相復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)，如圖14-2所示。第10頁，共60頁。

自勵同步發(fā)電機的勵磁電流，是由同步發(fā)電機本身的定子交流電，通過靜止的整流元件供給．自勵同步發(fā)電機自勵回路的單相原理圖，如圖14-3所示。自勵同步發(fā)電機的自勵起壓特性曲線，如圖14-4所示。

其中曲線1為同步發(fā)電機的空載特性曲線曲線2為自勵回路的理想勵磁特性曲線

第11頁，共60頁。同步發(fā)電機建立正常空載電壓后，在船舶主開關合閘帶負載時，由于電樞反應的去磁作用和內部阻抗壓降，其端電壓必然要降低，如圖14-5發(fā)電機外特性中曲線1所示。因此，必須采用恒壓措施。既然是負載電流變化引起了發(fā)電機端電壓的變化，因而也就可以利用進行復式勵磁的方法，以附加勵磁電流來調整。二、不可控相復勵恒壓的基本原理圖14-6復式勵磁

圖14-7電流疊加相復勵調壓圖14-8相復勵矢量圖圖14-9電磁迭加相復勵圖14-10電勢迭加相復勵第12頁，共60頁。第三節(jié)電流疊加相復勵自勵恒壓裝置

返回假設發(fā)電機磁路不飽和，發(fā)電機轉速恒定，則相復勵的控制規(guī)律就可用下式表示圖14-11是電流疊加相復勵裝置原理圖。圖14-12為單相電流疊加相復勵等值電路圖第13頁，共60頁。

第14頁，共60頁。圖14-13是勵磁電流的相量圖。圖14-13勵磁電流的相量圖第15頁，共60頁。第四節(jié)電磁疊加的相復勵自勵恒壓裝置

圖14-14所示為電磁疊加的相復勵自勵恒壓裝置。該裝置共有三套繞組，又稱為三繞組相復勵變壓器。返回相復勵裝置的調試:發(fā)電機空載電壓,可通過調節(jié)電壓分量來調整；發(fā)電機帶負載后電壓,可通過調節(jié)電流分量來調整。

第16頁，共60頁。第五節(jié)帶電壓曲折繞組的相復勵系統(tǒng)

有電壓曲折繞組相復勵自勵恒壓裝置的原理接線圖，如圖14-15所示，該裝置與前述三繞組相復勵裝置相比，該裝置的TE中又多了一套繞組N4，因此該裝置又稱為四繞組相復勵變壓器。繞組N4稱為電壓曲折繞組。N4與N1在同一個三相鐵芯柱A、B、C上，N1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N1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,以提高調壓器的靜態(tài)調整特性。返回第17頁，共60頁。第六節(jié)晶閘管自勵恒壓勵磁系統(tǒng)晶閘管自勵恒壓裝置原理，如圖14-16所示。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。

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。第18頁，共60頁。（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)。圖14-17為單相全波橋式整流、三相全波橋式整流、六相全波橋式整流電路圖。為了得到平穩(wěn)的直流電壓需要濾波電路，濾波電路通常有T型濾波、雙T型濾波和橋式濾波等幾種。第19頁，共60頁。（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。圖14-18為雙穩(wěn)壓管橋式比較電路及特性。第20頁，共60頁。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)出相應控制觸發(fā)角的脈沖，調整晶閘管的導通角。由于三相橋式可控整流器能隨電壓偏差而輸出相應的勵磁電流，使電壓保持恒定，所以具有良好的靜態(tài)電壓調整特性。（2）勵磁主電路勵磁裝置中的可控整流電路與一般的可控整流電路相同，如圖14-19所示有單相半波、單相橋式、三相橋式可控整流電路等幾種。

第21頁，共60頁。第七節(jié)可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)返回前述的相復勵裝置,雖然具有動態(tài)性能好,強勵能力強等特點，但其調壓精度不高。調壓特性的線性度差。為此在按進行不可控相復勵調壓的基礎上，又加上了一個按進行微調的自動電壓調節(jié)器AVR（AutomaticVoltageRegulator）。這就是所謂可控相復勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)，其原理圖如圖14-20所示。第22頁，共60頁。可控相復勵自勵恒壓裝置，采用在電磁迭加相復勵裝置的三繞組變壓器中加一個直流磁化繞組的方法。自動電壓調節(jié)器AVR通過改變直流磁化繞組中的電流來改變變壓器鐵芯的磁化程度，從而控制相復勵變壓器的各交流勵磁線圈的電抗，以控制相復勵變壓器的輸出電流，如圖14-21所示。一、可控相復勵變壓器式可控相復勵裝置第23頁，共60頁。二、可控移相電抗器式可控相復勵裝置可控移相電抗器式調壓器原理圖如圖14-22所示。這種裝置的基本勵磁裝置為電流相加的相復勵裝置，不同的是移相電抗器用飽和電抗器取代固定電抗器。AVR按電壓偏差輸出相應的直流來控制飽和電抗器的飽和程度，以調節(jié)相復勵裝置交流側電流,從而消除電壓的偏差。第24頁，共60頁。圖14-23所示為可控電抗器分流的調壓器的單相原理圖。它在整流器的交流側并聯(lián)一個三相飽和電抗器，進行交流側的分流控制。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，以達到調壓的目的。返回三、可控電抗器分流的調壓器第25頁，共60頁。圖14-24所示為交流側晶閘管分流的調壓器單線原理圖。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。當電壓出現(xiàn)偏差時，AVR輸出與電壓偏差相應的觸發(fā)電流,改變晶閘管的導通角進行分流。通常在晶閘管電路中串聯(lián)一適當?shù)淖杩?，以限制晶閘管導通時的分流電流,。與飽和電抗器交流側分流的電路相比,晶閘管分流是斷續(xù)的,而飽和電抗器交流側分流是連續(xù)的。返回四、交流側晶閘管分流的調壓器第26頁，共60頁。直流側晶閘管分流的調壓器單線原理圖如圖14-25所示。它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，工作原理大致相同。返回五、直流側晶閘管分流的調壓器

第27頁，共60頁。第八節(jié)無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

同步發(fā)電機轉子的勵磁電流，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，磨損產生的碳粉又會導致發(fā)電機絕緣下降，

產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硅整流器的無刷同步發(fā)電機。

圖14-26為無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)返回第28頁，共60頁。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生一個無功性質的環(huán)流,其結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節(jié)其電勢,即能調整無功輸出、實現(xiàn)無功功率轉移。

通常同步發(fā)電機都配有自勵恒壓裝置來自動調整發(fā)電機的電壓，因此同步發(fā)電機有一定的電壓調整規(guī)律，也稱電壓調整特性。

圖14-27為電壓調整曲線（電機端電壓UG隨無功電流IQ變化的規(guī)律）

圖14-28為并聯(lián)運行無功功率分配返回第29頁，共60頁。1．直流均壓線圖14-29是直流均壓連接線路圖。直流均壓連接法又稱轉子均壓連接法。它只適用于同容量同型號發(fā)電機的并聯(lián)運行。它是將并聯(lián)運行發(fā)電機的勵磁繞組用兩根均壓線并聯(lián)起來。均壓線的接通和斷開與發(fā)電機主開關相互連鎖。圖中KA1和KA2為均壓線連接接觸器，分別由主開關常開副觸頭控制。有了直流均壓線后，就能使勵磁電流隨無功負載的變化而相應變化，以保證無功負載分配均勻。例如：當一臺發(fā)電機勵磁電流大于另一臺的勵磁電流時，均壓線上產生均衡電流，均衡電流是從勵磁電流較大的發(fā)電機流向勵磁電流較小的發(fā)電機，使前者勵磁電流減少，后者勵磁電流增加，直至兩臺發(fā)電機勵磁電流接近相等時為止。圖14-29中也有的加入電阻R0，其作用是減小并車時產生的沖擊電流。第30頁，共60頁。在發(fā)電機并聯(lián)運行時，其無功功率的分配是由自動電壓調整器來自動完成的。再經(jīng)調壓器去調節(jié)勵磁電流來穩(wěn)定發(fā)電船舶負載多是感性的，且變化無規(guī)律。電機勵磁電流進行調節(jié)。第三節(jié)電流疊加相復勵自勵恒壓裝置自勵同步發(fā)電機的自勵起壓特性曲線，如圖14-4所示。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)。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,以提高調壓器的靜態(tài)調整特性。解決這個問題的方法之一就是實行強行勵磁。二、不可控相復勵恒壓的基本原理自勵同步發(fā)電機的自勵起壓特性曲線，如圖14-4所示。它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，工作原理大致相同。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,以保持無功功率均勻分配。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,如圖14-30所示。圖中，兩臺發(fā)電機調壓裝置的移相電抗器通過均壓線并聯(lián),該連接處在三相整流器之前的交流側。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,以保持無功功率均勻分配。第31頁，共60頁。3、電流穩(wěn)定裝置在按電壓偏差進行調壓的勵磁系統(tǒng)中，調差系數(shù)KC一般是很小的，甚至幾乎接近是無差的。這樣，在發(fā)電機并聯(lián)運行時，就會使無功功率的分配不穩(wěn)定。為了使調壓特性曲線為具有足夠傾斜度的有差調整特性，且KC相同，穩(wěn)定平均的分配無功功率，所以在調壓器上加裝了可以改變調差系數(shù)的裝置，因其作用就是利用電流信號，通過調壓器作用，以使無功電流的分配穩(wěn)定，故稱做電流穩(wěn)定裝置。圖14-31是電流穩(wěn)定裝置原理圖。圖14-32是某船兩臺發(fā)電機無功分配連接圖。第32頁，共60頁。判斷兩機之間的無功功率分配是否均勻，可以采用以下兩種方法：（1）機組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機功率表（有功）指示基本相同而電流表指示相差太大時，說明無功分配裝置存在故障；（2）機組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機功率表（有功）指示基本相同而功率因數(shù)表(cosφ表)指示相差較大時,說明無功分配裝置存在故障。在發(fā)電機并聯(lián)運行時，其無功功率的分配是由自動電壓調整器來自動完成的。但是如果電器元件出現(xiàn)故障，也會使無功分配裝置出現(xiàn)故障。第33頁，共60頁。下面以均壓線連接為例來分析故障排除的方法，重點檢查均壓接觸器：（1）檢查接觸器是否通電動作，檢查線圈本身、發(fā)電機主開關常開輔觸點、熔斷器、導線及相應接線柱等，或修復或更新；（2）檢查接觸器觸點是否可靠閉合，或打磨修理或更新。如果觸頭接觸不良，會使均壓線斷路，并車時不易并上，即使空氣開關能合閘，發(fā)電機也不能穩(wěn)定地并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機的電流可能同時急劇上升，直至發(fā)電機的主開關保護動作而跳閘。第34頁，共60頁。返回圖14-1船舶電力系統(tǒng)電壓暫態(tài)調整特性曲線第35頁，共60頁。返回圖14-2無刷勵磁控制系統(tǒng)原理圖第36頁，共60頁。返回圖14-3自勵同步發(fā)電機自勵回路的單相原理圖圖14-4自勵起壓特性曲線第37頁，共60頁。返回圖14-5外特性曲線

圖14-6復式勵磁

第38頁，共60頁。返回圖14-7電流疊加相復勵調壓圖14-8相復勵矢量圖第39頁，共60頁。返回圖14-9電磁迭加相復勵圖14-10電勢迭加相復勵第40頁，共60頁。返回圖14-11電流疊加相復勵裝置原理圖第41頁，共60頁。返回圖14-12單相電流疊加相復勵等值電路圖第42頁，共60頁。返回圖14-14電磁迭加相復勵自勵恒壓裝置第43頁，共60頁。返回圖14-15帶有電壓曲折繞組相復勵自勵恒壓裝置的原理圖第44頁，共60頁。返回圖14-16晶閘管自勵恒壓裝置原理圖第45頁，共60頁。返回圖14-17單相全波橋式整流、三相全波橋式整流、六相全波橋式整流電路圖第46頁，共60頁。返回(a)直流測量電橋比較電路

(b)特性輸出圖14-18雙穩(wěn)壓管橋式比較電路及特性第47頁，共60頁。返回(a)單相全波半控(b)三相