船舶電站及其自動化裝置 課件 4 船舶同步發(fā)電機(jī)電壓及無功功率分配

第四章船舶同步發(fā)電機(jī)電壓及無功功率分配

眾所周知，各種電氣設(shè)備，必須在額定電壓下運行。因此保持電網(wǎng)電壓為額定值，是供電質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。但是，實際上船舶電網(wǎng)電壓總是經(jīng)常變動的。原因是相對于陸上電網(wǎng)，船舶電站容量較小，而某些用電設(shè)備容量卻較大，當(dāng)這些大負(fù)載起動時，對船舶電網(wǎng)將造成沖擊，船舶同步發(fā)電機(jī)的端電壓變動尤為嚴(yán)重，故研究船舶同步發(fā)電機(jī)電壓自動調(diào)整，是交流船舶電站的重要課題之一。1.1同步發(fā)電機(jī)電壓變化的原因

當(dāng)負(fù)載變化時，由于同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)，必定會引起發(fā)電機(jī)端電壓的變化。這一關(guān)系可由隱極式同步發(fā)的電壓平衡方程式（4-1）表示（其電勢簡化矢量如圖4-1所示）：索引第一節(jié)自勵恒壓裝置的作用和基本措施1、對電動機(jī)的影響2、對電光源的影響3、對電網(wǎng)的影響索引1.2電壓偏差的危害引起同步發(fā)電機(jī)端電壓變化的主要原因是無功電流的變化，而要保持發(fā)電機(jī)端電壓不變，就要隨之相應(yīng)地調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵磁電流，索引1.3發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整的基本措施2.1勵磁自動調(diào)整的作用發(fā)電機(jī)端電壓是由勵磁電流產(chǎn)生的，為了維持發(fā)電機(jī)的端電壓幾乎不變，發(fā)電機(jī)的勵磁電流必須適時地做相應(yīng)的調(diào)整。2.2同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)整自動電壓調(diào)整裝置的的基本要求總的基本要求是：簡單可靠；靈敏度高而穩(wěn)定；保證電壓為給定水平；調(diào)整迅速而很快穩(wěn)定；具有一定的強行勵磁能力；同樣有效的反映電壓的下降和電流的增大；合理地分配無功功率。相對應(yīng)基本要求的具體技術(shù)指標(biāo)有：靜態(tài)特性、動態(tài)特性、強行勵磁、無功分配。索引第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵磁自動調(diào)整2.3勵磁自動調(diào)整裝置的技術(shù)指標(biāo)

（1）發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓變化率。我國鋼質(zhì)海船入級規(guī)范中對穩(wěn)態(tài)指標(biāo)規(guī)定為：“交流發(fā)電機(jī)連同其勵磁系統(tǒng)，應(yīng)能在負(fù)載自空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)，且其功率因數(shù)為額定值情況下，保持其穩(wěn)態(tài)電壓的變化值在額定電壓的±2.5％以內(nèi)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)可允許為±3.5％以內(nèi)?！保?）發(fā)電機(jī)動態(tài)特性

“交流發(fā)電機(jī)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)不低于額定電壓的85％；當(dāng)電壓上升時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不超過額定電壓的120％，而電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差3％以內(nèi)所需的時間，則不應(yīng)超過1.5s。”2．勵磁自動調(diào)整裝置的分類主要采用的有：不可控相復(fù)勵自勵裝置；可控相復(fù)勵自勵裝置；可控硅勵磁自動調(diào)整裝置；用于無刷發(fā)電機(jī)的勵磁自動調(diào)整裝置；用于諧波勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁自動調(diào)整裝置。勵磁調(diào)整方法大都是按照電壓偏差（

）、負(fù)載電流（

）、電流相位（

）這三個原則來實現(xiàn)的。

依被檢測量的不同可分為：按電壓偏差調(diào)整；按負(fù)載電流大小及相位調(diào)整；按電壓偏差、電流大小及相位的復(fù)合調(diào)整。發(fā)電機(jī)的勵磁電源由發(fā)電機(jī)本身提供的勵磁系統(tǒng)提供，故又稱為自勵系統(tǒng)。按負(fù)載電流大小及相位進(jìn)行補償?shù)膭畲耪{(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量即機(jī)端電壓沒有反饋到系統(tǒng)的輸入端，是一個開環(huán)系統(tǒng)，由人工預(yù)先調(diào)整好電抗器、變壓器等的氣隙和線圈匝數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載狀態(tài)來控制被調(diào)量，即僅根據(jù)負(fù)載變化提供相應(yīng)的勵磁電流。其特點是穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度較差，但動態(tài)性能較好。僅按機(jī)端電壓偏差調(diào)節(jié)的勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點是動態(tài)性能較差，一般都與相復(fù)勵裝置聯(lián)用構(gòu)成綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3．勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理索引勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（以下稱調(diào)節(jié)系統(tǒng)）的被調(diào)量是發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓U，由于發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流大小及其相位變化引起U的變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是要把被調(diào)量調(diào)到所要求的值上。調(diào)節(jié)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)單機(jī)運行時要維持機(jī)端電壓在一定水平上，在并聯(lián)運行時要實現(xiàn)無功功率的分配調(diào)節(jié)。調(diào)差系數(shù)在單機(jī)運行時表現(xiàn)為負(fù)載變化時的電壓調(diào)節(jié)精度，即穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率。（1）勵磁調(diào)節(jié)特性索引按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)作用只與機(jī)端電壓的偏差有關(guān)，而與產(chǎn)生擾動的原因無關(guān)，其靜態(tài)特性即調(diào)整精度較好；而動態(tài)過程是一個周期性的振蕩過程，動態(tài)特性較差。（2）按機(jī)端電壓偏差調(diào)節(jié)原理索引在既定的轉(zhuǎn)速和溫度等條件下，發(fā)電機(jī)端電壓是既定的。但是由于轉(zhuǎn)速或溫度變化等其他擾動引起的電壓偏離，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就無法響應(yīng)，因此靜態(tài)特性較差。這種不加以控制的勵磁系統(tǒng)一般稱為“不可控相復(fù)勵”系統(tǒng)，或稱為“開環(huán)調(diào)節(jié)”系統(tǒng)，它的動態(tài)過程是非周期性的，沒有振蕩過程，因此動態(tài)穩(wěn)定性好。（3）按負(fù)載電流大小及相位進(jìn)行調(diào)節(jié)原理按機(jī)端電壓偏差調(diào)節(jié)的勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)性能好，動態(tài)性能差；按負(fù)載電流大小及相位進(jìn)行補償調(diào)節(jié)的勵磁系統(tǒng)，動態(tài)性能好，靜態(tài)性能差。綜合這兩種調(diào)節(jié)方法，既按負(fù)載電流大小及相位進(jìn)行補償，又按機(jī)端電壓偏差校正，可以取長補短獲得較好的調(diào)節(jié)效果。（4）綜合調(diào)節(jié)原理自勵同步發(fā)電機(jī)要達(dá)到正常自勵起壓，必須滿足三個條件：①必須要有足夠大的剩磁電壓

，以使自勵回路導(dǎo)通；②必須適當(dāng)整定自勵回路阻抗，使勵磁特性與空載特性配合恰當(dāng)，正好相交在正常空載額定電壓

；③使自勵系統(tǒng)成為正反饋系統(tǒng)，剩磁電壓所產(chǎn)生的勵磁電流的磁化方向與剩磁方向相同。第三節(jié)自勵起壓原理抬高曲線1，就是保證要有足夠大的剩磁電壓。例如可采用在制造發(fā)電機(jī)時加恒磁插片或適當(dāng)加大其氣隙等辦法來提高剩磁電壓，但這將使發(fā)電機(jī)的尺寸加大。比較簡易可行而常用的方法是，外接—充磁電源E。索引降低曲線3的常用方法是，接入諧振電容CQ。索引同步發(fā)電機(jī)建立正常空載電壓后，在船舶主開關(guān)合閘帶負(fù)載時，由于電樞反應(yīng)的去磁作用和內(nèi)部阻抗壓降，其端電壓必然要降低。復(fù)式勵磁，就是將發(fā)電機(jī)的定子電流整流后供給勵磁，如圖所示。其調(diào)壓作用是借助電流互感器LH組成的復(fù)勵回路來實現(xiàn)的。第四節(jié)不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置由于引起同步發(fā)電機(jī)

變化的原因，除了負(fù)載電流大小外，還和功率因數(shù)

的大小有很大關(guān)系，還需要調(diào)壓器能補償

變化引起的

的變化。這就需要進(jìn)行所謂的相復(fù)勵。電流合成矢量如圖同步發(fā)電機(jī)的這種勵磁系統(tǒng)，被稱為相復(fù)勵自勵恒壓勵磁系統(tǒng)。這種系統(tǒng)，由于采用相復(fù)勵，使調(diào)壓和電壓的變化幾乎是同時進(jìn)行的，故它的最大特點就是調(diào)壓動作迅速，因而其動態(tài)特性是很好的。電磁疊加和電勢疊加的相復(fù)勵自勵恒壓裝置TA----電流互感器：LC----移相電抗器，LC是一個具有氣隙的三相鐵心電抗器；ZL----三相橋式整流器SB----充磁按鈕；E----蓄電池；R’----限流電阻2．電流疊加相復(fù)勵自勵恒壓裝置采用近似的辦法簡化問題

勵磁電流的相量圖4.2.2電勢疊加型不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置如圖4-12a）所示為電勢疊加型不可控相復(fù)勵電路原理圖，圖4-12b）為其單線圖。為了說明其原理，還可繪制電勢疊加型的一相等效電路如圖4-12c）所示。4.2.3電磁疊加型不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置如圖4-13a）所示為電磁疊加型不可控相復(fù)勵電路原理圖，圖4-13b）為其單線圖。圖中，采用三繞組的變壓器T作為不可控相復(fù)勵的空載分量與復(fù)勵分量的疊加元件。4.2.3電磁疊加型不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置為了改善不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置的靜態(tài)性能，電磁疊加型不可控相復(fù)勵還常采用帶電壓曲折繞組的四繞組變壓器作為相復(fù)勵的疊加元件，如圖4-14所示。

可控相復(fù)勵的構(gòu)成：

可控相復(fù)勵磁裝置是以相復(fù)勵為勵磁裝置主體，再加上根據(jù)電壓偏差信號實現(xiàn)調(diào)節(jié)的自動調(diào)壓器AVR構(gòu)成的。負(fù)載電流變化時，首先是相復(fù)勵調(diào)節(jié)，然后AVR補充調(diào)節(jié)。索引第五節(jié)晶閘管自勵恒壓裝置為了進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)電機(jī)提供的電能質(zhì)量，可在不可控相復(fù)勵自勵調(diào)壓裝置的基礎(chǔ)上加一個自動電壓校正器，按照電壓偏差對發(fā)電機(jī)端電壓進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可控相復(fù)勵變壓器式自勵恒壓裝置，采用在電磁疊加相復(fù)勵裝置的三繞組變壓器中加一個直流磁化繞組的方法。自動電壓調(diào)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(fù)勵變壓器的各交流勵磁線圈的電抗，以控制相復(fù)勵變壓器的輸出電流。第六節(jié)可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置可控移相電抗器式調(diào)壓器原理圖如圖所示。這種裝置的基本勵磁裝置為電流疊加的相復(fù)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(yīng)的直流來控制飽和電抗器的飽和程度，以調(diào)節(jié)相復(fù)勵裝置交流側(cè)電流,從而消除電壓的偏差。2．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(jìn)行交流側(cè)的分流控制。當(dāng)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(dá)到調(diào)壓的目的。3．可控電抗器分流的調(diào)壓裝置晶閘管并聯(lián)在相復(fù)勵裝置的交流側(cè)實現(xiàn)交流側(cè)的分流。當(dāng)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(jìn)行分流。通常在晶閘管電路中串聯(lián)一適當(dāng)?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。4．交流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓裝置直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓器單線原理圖如圖所示。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。5．直流側(cè)晶閘管分流的調(diào)壓裝置6.3.1TZ-F型可控相復(fù)勵調(diào)壓器：

索引6.3可控相復(fù)勵實例6.3.2CRB型可控相復(fù)勵調(diào)壓器：

索引6.3可控相復(fù)勵實例

主要由晶閘管主電路、觸發(fā)電路、控制電路三部分組成?？刂齐娐穭t由比較、檢測和調(diào)節(jié)電路組成。

自勵發(fā)電機(jī)的勵磁電源由發(fā)電機(jī)本身提供的勵磁系統(tǒng)提供，這種勵磁系統(tǒng)主要由變壓器和整流器組成，無轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，稱為靜止勵磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁電流，是通過電刷和滑環(huán)引進(jìn)發(fā)電機(jī)勵磁繞組。由于電刷的磨損，增加了維護(hù)和保養(yǎng)工作，磨損產(chǎn)生的碳粉又會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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，出現(xiàn)了具有同軸交流勵磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)硅整流器的無刷同步發(fā)電機(jī)。

第七節(jié)無刷發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)G和勵磁機(jī)LG都是三相同步發(fā)電機(jī)。它們在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于：主發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)磁極式的，其定子G是三相交流電樞，轉(zhuǎn)子L是直流勵磁繞組；而勵磁機(jī)則是旋轉(zhuǎn)電樞式，其定子是直流勵磁繞組，轉(zhuǎn)子L是三相交流電樞，與主發(fā)電機(jī)同軸。勵磁機(jī)是無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的主要部分，其勵磁饒組L由主發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整器TYQ的輸出來供電。勵磁機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)三相撟式旋轉(zhuǎn)硅整流器VD整流后供給發(fā)電機(jī)勵磁繞組。旋轉(zhuǎn)硅整流器安裝在同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。由于整流器需承受離心力，因此對其制造和安裝工藝有一定的要求。勵磁機(jī)是放大系數(shù)很大的環(huán)節(jié)，調(diào)壓器小而可靠,其缺點是發(fā)電機(jī)軸向尺寸因同軸勵磁機(jī)而增加，勵磁機(jī)具有較大電磁慣性，動態(tài)特性較差?！獣r間常數(shù)大，使端電壓反應(yīng)慢。

7.2.1旋轉(zhuǎn)二極管無刷勵磁系統(tǒng)

7.2.2帶旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)可控硅無刷勵磁系統(tǒng)

7.4.1VZRAB型無刷勵磁系統(tǒng)

7.4.3AVR部分（1）測量回路發(fā)電機(jī)的電壓信號經(jīng)由測量變壓器T1、三相整流橋整流、阻容支路R1、C1濾波后變換為與之成比例的直流電壓信號，該信號經(jīng)由穩(wěn)壓管Z1和電阻等組成的單穩(wěn)壓管比較橋在Z1的陰極輸出與電壓偏差成比例的直流控制電壓信號。

當(dāng)兩臺并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)的電勢不相等，而頻率、相位相等時；則在兩機(jī)組之間將產(chǎn)生一個無功性質(zhì)的環(huán)流，其結(jié)果將使電勢較高的發(fā)電機(jī)輸出無功功率增大,而電勢較低的發(fā)電機(jī)輸出的無功功率減少（發(fā)電機(jī)負(fù)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(dāng)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行時，通過改變發(fā)電機(jī)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。具體調(diào)節(jié)方法是：必須同時調(diào)節(jié)兩臺發(fā)電機(jī)的勵磁電流，將功率因數(shù)低的發(fā)電機(jī)勵磁電流減小，與此同時將功率因數(shù)高的發(fā)電機(jī)勵磁電流增大，這樣就可以使兩臺發(fā)電機(jī)功率因數(shù)趨于一致，即輸出的無功功率相等。

索引第八節(jié)并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)組的無功功率分配

索引船舶并聯(lián)運行同步發(fā)電機(jī)無功調(diào)整相量圖發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行時，調(diào)壓特性曲線應(yīng)呈下傾特性。這樣有利于穩(wěn)定地并聯(lián)工作。圖3-74所示，由于兩臺機(jī)組的電壓調(diào)整特性不一致,導(dǎo)致無功分配不均勻,特性曲線平坦的機(jī)組承擔(dān)的無功變化大,特性曲線較陡的承擔(dān)無功變化小,因此希望并聯(lián)運行機(jī)組應(yīng)有相同的電壓調(diào)整特性。不可控相復(fù)勵自勵恒壓同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行時，一般采用均壓線連接方式。目前船舶中采用無刷同步發(fā)電機(jī)越來越多，它一般采用電流穩(wěn)定裝置來實現(xiàn)無功功率的均勻分配。

并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)組的無功功率分配只適用于同容量同型號發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行。它是將并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)的勵磁繞組用兩根均壓線并聯(lián)起來。均壓線上產(chǎn)生均衡電流，均衡電流是從勵磁電流較大的發(fā)電機(jī)流向勵磁電流較小的發(fā)電機(jī)，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(jī)勵磁電流接近相等時為止。1．直流均壓線

對容量不同的同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行,可采用交流均壓線,如圖3-76所示。圖中，兩臺發(fā)電機(jī)調(diào)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(cè)。當(dāng)兩臺發(fā)電機(jī)電勢不相等時,通過交流均壓線的聯(lián)接可使發(fā)電機(jī)輸出電壓均衡,以保持無功功率均勻分配。2．交流均壓線3．電流穩(wěn)定裝置

對于無刷同步發(fā)電機(jī)，一般采用電流穩(wěn)定裝置來實現(xiàn)無功功率的均勻分配。分配調(diào)差系數(shù)對于無刷同步發(fā)電機(jī)，差動電流互感器→無功功率自動調(diào)整裝置的測量元件。（1）機(jī)組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機(jī)功率表（有功）指示基本相同而電流表指示相差太大時，說明無功分配不均，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)或可能存在故障；（2）機(jī)組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機(jī)功率表（有功）指示基本相