第三篇-14同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調(diào)整

第14

章同步發(fā)電機電壓及無功功率自動調(diào)整§14-1自動電壓調(diào)整的基礎(chǔ)知識§14-2不可控相復(fù)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(fù)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(diào)壓、以及無功功率的調(diào)節(jié)方法。

內(nèi)容簡介相關(guān)概念轉(zhuǎn)速波動率：機組在空載到滿載范圍內(nèi)任一負(fù)載下運行時，于一定時間間隔內(nèi)測得的最高轉(zhuǎn)速n1或最低轉(zhuǎn)速n2與它們的平均值之差對平均轉(zhuǎn)速的百分比≤±0.5%。電壓波動率：機組在空載到滿載范圍內(nèi)任一負(fù)載下運行時，于一定時間間隔內(nèi)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%。§14

-1自動電壓調(diào)整的基礎(chǔ)知識

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

為了保證高質(zhì)量的供電指標(biāo)，自動調(diào)壓裝置應(yīng)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(shè)備為感性負(fù)載→去磁電樞反應(yīng)∴負(fù)載電流變化→應(yīng)使勵磁電流相應(yīng)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(dāng)負(fù)載功率變化時，各發(fā)電機實際承擔(dān)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(fù)載時的最低電壓值Umax.s—發(fā)電機突減負(fù)載時的最高電壓值（1）對靜態(tài)電壓調(diào)整的要求發(fā)電機負(fù)載端電壓波動的緩慢變化可用靜態(tài)電壓調(diào)整率（穩(wěn)態(tài)電壓變化率〕U%來表示:《鋼質(zhì)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(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)。Umax、Umin—發(fā)電機在額定負(fù)載變化范圍內(nèi)端電壓穩(wěn)態(tài)時最大值和最小值。（2）對動態(tài)電壓調(diào)整的要求負(fù)載突變→AVR應(yīng)能使發(fā)電機瞬時電壓波動及恢復(fù)至穩(wěn)定值得時間都在允許范圍之內(nèi)，用瞬時電壓調(diào)整率△Us％和電壓恢復(fù)時間th來表示Umin.s—發(fā)電機突加負(fù)載時的最低電壓值Umax.s—發(fā)電機突減負(fù)載時的最高電壓值《鋼質(zhì)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(fù)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(fù)到額定值的3

%內(nèi)的時間≤±1.5s，應(yīng)急發(fā)電機恢復(fù)到額定值的

4

%內(nèi)的時間≤±5s，

（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1.5秒。）

當(dāng)電壓突然下降很大時，要求自動調(diào)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(zhì)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(dāng)負(fù)載在額定功率的20%～100%范圍內(nèi)變化時，各發(fā)電機實際承擔(dān)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(yīng)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(diào)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(zhuǎn)子勵磁繞組的自勵方式獲得了廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)發(fā)電機的輸出電壓與給定電壓出現(xiàn)偏差（Uf）時，調(diào)節(jié)器根據(jù)U的大小和極性對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，以維持端電壓恒定。（1）按電壓偏差Uf調(diào)節(jié)特點:屬于閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)性能好，調(diào)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(fù)載擾動調(diào)節(jié)If，cosφ

發(fā)電機端電壓變化的是由于負(fù)載擾動引起的，調(diào)節(jié)裝置直接測量擾動量，根據(jù)擾動量的變化來進行調(diào)節(jié)，使發(fā)電機的端電壓恒定。特點:屬于開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)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(diào)壓精度低。按負(fù)載和電壓偏差的綜合調(diào)節(jié)，在按負(fù)載調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上采用自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）→一種較理想的勵磁調(diào)節(jié)器，廣泛用于船舶電站。AVR類型：不可控相復(fù)勵自勵恒壓勵磁裝置、可控相復(fù)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(fù)合調(diào)節(jié)Uf

，

If，cosφ§14-2不可控相復(fù)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(fù)勵線路，簡稱相復(fù)勵線路。相復(fù)勵裝置調(diào)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(fù)勵按電磁疊加的相復(fù)勵按電勢疊加的相復(fù)勵14.2.1不可控相復(fù)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(dǎo)通（2）適當(dāng)?shù)膭畲呕芈纷杩梗允箘畲盘匦院涂蛰d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(fù)勵原理：當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)cos不變，而負(fù)載電流的幅度增加時。負(fù)載電流大小變化功率因數(shù)不變復(fù)勵分量按比例增加（2）相位補償原理：當(dāng)負(fù)載的電流大小不變，設(shè)功率因數(shù)角由增加到（感性）。復(fù)勵分量按比例增加負(fù)載電流大小不變，功率因數(shù)變化φφ14.2.2電流疊加相復(fù)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(fù)勵恒壓裝置LR—相復(fù)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(diào)整：1.空載：調(diào)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(fù)載：調(diào)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(fù)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(fù)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(diào)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(zhǔn)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(dāng)Uin>UZ時,Uout=UZ－（Uin－UZ）＝2UZ－Uin，勵磁系統(tǒng)呈現(xiàn)負(fù)反饋的特性。

當(dāng)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(yīng)觸發(fā)角的脈沖。勵磁調(diào)節(jié)裝置中，觸發(fā)器形式主要有：單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、三極管開關(guān)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(shè)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(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)

為了提高電壓的調(diào)節(jié)精度，廣泛采用相復(fù)勵加電壓偏差的復(fù)合式勵磁裝置（可控相復(fù)勵自動調(diào)壓裝置）。14.4.1可控相復(fù)勵變壓器式可控相復(fù)勵裝置直流磁化繞組電磁疊加相復(fù)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(fù)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(fù)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(diào)節(jié)相復(fù)勵空載分量消除偏差。14.4.3可控電抗器分流的調(diào)壓器電流疊加；AVR控制交流側(cè)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(diào)節(jié)空載分量。14.4.4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（斷續(xù)）作用。電流疊加；AVR控制分流，也是調(diào)節(jié)空載分量14.4.5直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器

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)。

綜上所述,可控相復(fù)勵自動調(diào)壓裝置具有調(diào)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(yīng)用?！?4

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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(zhuǎn)極式，G為三相電樞、轉(zhuǎn)子L為直流勵磁一臺勵磁機為轉(zhuǎn)樞式。定子LL為直流勵磁繞組、轉(zhuǎn)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(dāng)負(fù)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