第八章船舶电站控制与管理技术

1、船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第第8章章 同步发电机电压及无功功率自动调整同步发电机电压及无功功率自动调整8.1 8.1 励磁自动调整装置概述励磁自动调整装置概述 8.2 8.2 励磁自动调整装置的分类励磁自动调整装置的分类8.3 8.3 励磁自动调节系统的调节原理励磁自动调节系统的调节原理8.4 8.4 自动电压调节器自动电压调节器8.5 8.5 自励同步发电机起压条件自励同步发电机起压条件8.6 8.6 不可控相复励自励调压装置不可控相复励自励调压装置8.7 8.7 可控相复励自励调压装置可控相复励自励调压装置8.8

2、8.8 晶闸管励磁自动调整装置晶闸管励磁自动调整装置8.9 8.9 并联运行同步发电机之间无功功率的分配并联运行同步发电机之间无功功率的分配8.10 8.10 无刷同步发电机励磁系统典型电路分析一无刷同步发电机励磁系统典型电路分析一8.11 8.11 无刷同步发电机励磁系统典型电路分析二无刷同步发电机励磁系统典型电路分析二船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.1 励磁自动调整装置概述励磁自动调整装置概述8.1.1 励磁自动调整装置的作用励磁自动调整装置的作用 在船舶电力系统正常运行工况下，维持电网电压在某一在船舶电力系统正常运

3、行工况下，维持电网电压在某一容许范围内。容许范围内。 在船舶同步发电机并联运行时，合理分配发电机间的无在船舶同步发电机并联运行时，合理分配发电机间的无 功功率。功功率。 在船舶电网发生短路故障时，有强行励磁功能，加速短在船舶电网发生短路故障时，有强行励磁功能，加速短路后恢复速度，保持电力系统运行的稳定性和继电器保护路后恢复速度，保持电力系统运行的稳定性和继电器保护装置动作的可靠性。装置动作的可靠性。 船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.1.2 励磁自动调整装置的技术指标励磁自动调整装置的技术指标在负载变动时，励磁调压装置维持

4、发电机端电压的恒定存在在负载变动时，励磁调压装置维持发电机端电压的恒定存在一个调整过程，如一个调整过程，如图图8.1所示。所示。 m inF0FO0m axm in图 8.1 电 压 调 整 过 程 曲 线Nm ax船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室为了保证供电质量，电压调整必须满足两个基本技术指标为了保证供电质量，电压调整必须满足两个基本技术指标静态静态(稳态稳态)指标和动态指标和动态(瞬态瞬态)指标的要求。指标的要求。发电机稳态电压变化率。发电机稳态电压变化率。 我国钢质海船入级规范中对稳态指标规定为：我国钢质海船入级规范

5、中对稳态指标规定为：“交流发电机交流发电机连同连同其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载范围内，且其功其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载范围内，且其功率率因数为额定值情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压因数为额定值情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压的的2.5以内。应急发电机可允许为以内。应急发电机可允许为3.5以内。以内。”%100)(%minmaxNNUUUUU或船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2. 发电机动态特性发电机动态特性 钢质海船入级规范钢质海船入级规范对并联运行的各交流发电机组的无对并联运行的各交流

6、发电机组的无功功率的分配要求为：功功率的分配要求为：“并联运行的各交流发电机组均应并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的能稳定运行，且当负载在总额定负载的20100范围内范围内变化时，各机组所承担的无功负载与总无功负载按机组定变化时，各机组所承担的无功负载与总无功负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者：（额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者：（1）最大机组额定无功功率的最大机组额定无功功率的10；（；（2）最小机组额定无功）最小机组额定无功功率的功率的25。”%100)(%0minmaxNdUUUUU或船舶电站控制与管理技术 2021-10-3

7、0课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室从使用的励磁自动调整装置的工作原理上来分，大致有从使用的励磁自动调整装置的工作原理上来分，大致有下下列几类：列几类：8.2 励磁自动调整装置的分类励磁自动调整装置的分类 不可控相复励自励装置；不可控相复励自励装置；可控相复励自励装置；可控相复励自励装置；可控硅励磁自动调整装置；可控硅励磁自动调整装置；用于无刷发电机的励磁自动调整装置；用于无刷发电机的励磁自动调整装置；用于谐波励磁发电机的励磁自动调整装置。用于谐波励磁发电机的励磁自动调整装置。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动

8、化教研室尽管同步发电机各种励磁调整方式和工作原理有所不同，尽管同步发电机各种励磁调整方式和工作原理有所不同，但是它们的励磁调整方法大都是按照电压偏差（但是它们的励磁调整方法大都是按照电压偏差（U U）、负）、负载电流（载电流（I）、电流相位（）、电流相位（）这三个原则来实现的。从这）这三个原则来实现的。从这一点出发，又可分为：一点出发，又可分为：按电压偏差调整；按电压偏差调整；按电流大小调整；按电流大小调整；按电流大小及相位调整；按电流大小及相位调整；按电压偏差、电流大小调整；按电压偏差、电流大小调整；按电压偏差、电流大小及相位调整。按电压偏差、电流大小及相位调整。船舶电站控制与管理技术 20

9、21-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步发电机是由直流电流励磁建立磁场，需要提供直流同步发电机是由直流电流励磁建立磁场，需要提供直流励磁电源。把原动机的机械能转换成直流电能的装置称励磁电源。把原动机的机械能转换成直流电能的装置称为换能器。按换能器类型分类有：为换能器。按换能器类型分类有：1.旋转电机励磁系统旋转电机励磁系统励磁机有两种：直流励磁机和交流励磁机。目前船舶大励磁机有两种：直流励磁机和交流励磁机。目前船舶大多采用交流励磁机励磁系统。多采用交流励磁机励磁系统。2.静止励磁系统静止励磁系统 早期的发电机采用直流励磁机励磁系统，以后曾一度采早期的发电机

10、采用直流励磁机励磁系统，以后曾一度采用静止励磁系统即自励恒压发电机。现在都采用无刷励用静止励磁系统即自励恒压发电机。现在都采用无刷励磁发电机。磁发电机。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室无论是旋转电机励磁还是静止励磁系统都是控制同步发电无论是旋转电机励磁还是静止励磁系统都是控制同步发电机的励磁电流。通常按调节原理可分为三类：按机端电压机的励磁电流。通常按调节原理可分为三类：按机端电压偏差调节、按负载电流大小及相位进行补偿和综合调节即偏差调节、按负载电流大小及相位进行补偿和综合调节即既按负载电流大小及相位进行补偿又按机端电压偏差

11、调节。既按负载电流大小及相位进行补偿又按机端电压偏差调节。8.3 励磁自动调节系统的调节原理励磁自动调节系统的调节原理 励磁自动调节系统（以下称调节系统）的被调量是发电机励磁自动调节系统（以下称调节系统）的被调量是发电机的机端电压的机端电压U，由于发电机的负载电流大小及其相位变化，由于发电机的负载电流大小及其相位变化引起引起U的变化，调节系统的任务是要把被调量调到所要求的变化，调节系统的任务是要把被调量调到所要求的值上。的值上。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室a无差的；b有差的baNGN图8.2 调节特性曲线a, b：调节特

12、性曲线：调节特性曲线a：把电压调回到原来的值上：把电压调回到原来的值上,它的特性可用一条平行横轴它的特性可用一条平行横轴的直线表示，的直线表示，无差特性无差特性b：把电压调节到给定值上，：把电压调节到给定值上，即在即在IN处把电压调到处把电压调到 UG，有差特性有差特性船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室被调量电压被调量电压U随负载电流随负载电流I的变化而变化的程度称为调差系数的变化而变化的程度称为调差系数或调差程度，用调节特性的斜率来表示：或调差程度，用调节特性的斜率来表示：NGcNtanUUKaU（8.38.3）式中：式中：

13、UN为为I0时的额定值；时的额定值；UG为为 I = IN时被调量的实际时被调量的实际值；值；KC为调差系数为调差系数。为了方便计算，一般用百分比来表示：为了方便计算，一般用百分比来表示：NGcN100%UUKU（8.48.4）船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室调节系统在发电机单机运行时要维持机端电压在一定水平调节系统在发电机单机运行时要维持机端电压在一定水平上，在并联运行时要实现无功功率的分配调节。调差系数上，在并联运行时要实现无功功率的分配调节。调差系数在单机运行时表现为负载变化时的电压调节精度，即稳态在单机运行时表现为负

14、载变化时的电压调节精度，即稳态电压调整率，它表示在没有无功电流反馈作用下，原动机电压调整率，它表示在没有无功电流反馈作用下，原动机转速和发电机功率因数在规定范围内变化，负载从零增加转速和发电机功率因数在规定范围内变化，负载从零增加到额定值时机端电压的变化率。对主发电机，规范要求在到额定值时机端电压的变化率。对主发电机，规范要求在2.5以内，带以内，带 AVR的调节系统可以达到的调节系统可以达到1以内。单机运以内。单机运行时要求越小越好，最好是无差特性。发电机并联运行时，行时要求越小越好，最好是无差特性。发电机并联运行时，各发电机的调差特性必须是有差特性，且要求各机在无功各发电机的调差特性必须是

15、有差特性，且要求各机在无功负载变化情况下有相同的至少是接近的调差系数。负载变化情况下有相同的至少是接近的调差系数。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.3.1 按机端电压偏差调节按机端电压偏差调节按机端电压偏差调节的系统的被测量是发电机的端电压按机端电压偏差调节的系统的被测量是发电机的端电压UG ，被调量也是机端电压，被调量也是机端电压UG，这样的自动调节系统称，这样的自动调节系统称为为“闭环系统闭环系统”，如如图图8.3的方框图表示的方框图表示 。 GFu12控制信号机端电压偏差量给定值反馈量测量单元发电机调节单元放大单元给

16、定单元图8. 3 按机端电压偏差调节原理方框图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.3.2 按负载电流大小及相位进行调节按负载电流大小及相位进行调节由于引起电压变化的主要原由于引起电压变化的主要原因是负载电流大小及相位的因是负载电流大小及相位的变化，只要预先找出机端电变化，只要预先找出机端电压随负载电流大小及相位变压随负载电流大小及相位变化的规律，并按此规律调节化的规律，并按此规律调节补偿发电机所需的励磁电流，补偿发电机所需的励磁电流，就可以维持机端电压在一定就可以维持机端电压在一定水平上。水平上。图图8.4是按负载电流是按负

17、载电流大小及相位调节的原理方框大小及相位调节的原理方框图。图。 电 流 及 相 位 测 量 单 元信 号 变 换 单 元发 电 机控 制 信 号fgf图8 .4 按 负 载 电 流 大 小 及 相 位 调 节 原 理 方 框 图g船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.3.3 综合调节综合调节按机端电压偏差调节的励磁自动调节系统，静态性能好，按机端电压偏差调节的励磁自动调节系统，静态性能好，动态性能差；按负载电流大小及相位进行补偿调节的励磁动态性能差；按负载电流大小及相位进行补偿调节的励磁系统，动态性能好，静态性能差。综合这两种

18、调节方法，系统，动态性能好，静态性能差。综合这两种调节方法，既按负载电流大小及相位进行补偿，又按机端电压偏差校既按负载电流大小及相位进行补偿，又按机端电压偏差校正，可以取长补短获得较好的调节效果。正，可以取长补短获得较好的调节效果。图图8.5是综合调节的原理方框图。是综合调节的原理方框图。 船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室相复励部分电压自动调节部分FG控制信号C电流及相位测量单元信号变换单元GFu12控制信号偏差量给定值反馈量测量单元发电机调节单元放大单元给定单元图8 . 5 综合调节原理方块图船舶电站控制与管理技术 202

19、1-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.4 自动电压调节器自动电压调节器 电源输出（励磁输出）励磁绕组励磁机GAVR比较放大可控电源给定值检测值电源输入GC图8.6 AVR与发电机之间的关系示意图自动电压调节器简称自动电压调节器简称AVR (Automatic Voltage Regulation)，是按发电机端电压偏差是按发电机端电压偏差进行励磁调节的装置。进行励磁调节的装置。当机端电压出现偏差时，当机端电压出现偏差时，调节发电机的励磁电流调节发电机的励磁电流或励磁机的励磁电流，或励磁机的励磁电流，消除偏差或把偏差减小消除偏差或把偏差减小到允许范围内。到允

20、许范围内。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.4.1 AVR的电源的电源AVR要输出电源，必须有输入电源。输入电源一般是由发要输出电源，必须有输入电源。输入电源一般是由发电机输出端（或抽头）或附加定子绕组等。图电机输出端（或抽头）或附加定子绕组等。图8.7表示了几表示了几种典型的供电方式。种典型的供电方式。 图（图（a）是采用机端电压整流励磁，换能器是可控整流器，）是采用机端电压整流励磁，换能器是可控整流器，励磁功率由发电机承担，励磁功率由发电机承担，AVR的电源也取自机端电压；的电源也取自机端电压；图（图（b）是）是AVR

21、用设在定子上的辅助绕组供电，换能器是用设在定子上的辅助绕组供电，换能器是交流励磁机，励磁功率由原动机提供；交流励磁机，励磁功率由原动机提供；图（图（c）是）是AVR由机端电压经变压器供电。由机端电压经变压器供电。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.4.2 电压检测电压检测AVR的检测量是发电机端电压。机端电压是直接接入还是的检测量是发电机端电压。机端电压是直接接入还是经变压器间接接入，主要看该经变压器间接接入，主要看该AVR的检测端是否与发电机的检测端是否与发电机端电压相匹配。过去较多是用单相电压检测，现在大多采端电压相匹配

22、。过去较多是用单相电压检测，现在大多采用三相电压。输入的交流电需要整流成直流进行检测。三用三相电压。输入的交流电需要整流成直流进行检测。三相整流波形较单相易于处理。相整流波形较单相易于处理。 船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.4.3 调差调差交流发电机并联运行时需要解决无功分配和避免环流的问交流发电机并联运行时需要解决无功分配和避免环流的问题。参与并联运行的发电机，要求它的无功负载特性应是题。参与并联运行的发电机，要求它的无功负载特性应是有差的，负载电流越大、功率因数越低，电压下降越多。有差的，负载电流越大、功率因数越低，

23、电压下降越多。而而AVR本身的功能是力图阻止电压变化，不具有反映无功本身的功能是力图阻止电压变化，不具有反映无功负载变化的这种特性，需要采取反映无功负载的措施来改负载变化的这种特性，需要采取反映无功负载的措施来改变变AVR的调节特性。这种措施称为的调节特性。这种措施称为“无功电流反馈无功电流反馈”或或“调差装置调差装置”。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.4.4 电压整定电压整定发电机的控制是在配电板上完成的，电压可在配电板上调发电机的控制是在配电板上完成的，电压可在配电板上调节整定。节整定。AVR提供遥控电压整定电位器提

24、供遥控电压整定电位器R的接口。的接口。只按机端电压偏差进行励磁调节的只按机端电压偏差进行励磁调节的AVR，是具有一定功率，是具有一定功率输出的可控电源。当发电机转速低的时候，发电机端电压输出的可控电源。当发电机转速低的时候，发电机端电压也较低，而也较低，而AVR的任务是力图调节使机端电压达到额定值，的任务是力图调节使机端电压达到额定值，因此当发电机输出电流急剧增加时会产生励磁机励磁绕组因此当发电机输出电流急剧增加时会产生励磁机励磁绕组过载或过载或AVR输出过载。因此采用这种励磁系统的输出过载。因此采用这种励磁系统的AVR必须必须具有低频具有低频(转速转速)保护保护 。船舶电站控制与管理技术20

25、21-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室滑环CTUVARWVU电源AVR整定检测调差输出碳刷换能器发电机原动机电枢绕组励磁绕组辅助绕组励磁绕组电枢绕组原动机发电机交流励磁机换能器旋转整流器转轴T电枢绕组(c)AVR由机端供电的交流励磁机（无刷）励磁系统图8.7 励磁系统的自动电压调节器R输出调差检测AVR整定电源UVAUVWCT换能器交流励磁机RAVR整定输出调差检测电源UVAWVUCT发电机旋转整流器励磁绕组原动机转轴(a)机端电压整流励磁系统(b)AVR由辅助绕组供电的交流励磁机（无刷）励磁系统图图8.7 励磁系统的自动电压调节器（励磁系统的自动电压调节器

26、（a）、（）、（b）船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室滑环CTUVARWVU电源AVR整定检测调差输出碳刷换能器发电机原动机电枢绕组励磁绕组辅助绕组励磁绕组电枢绕组原动机发电机交流励磁机换能器旋转整流器转轴T电枢绕组( c ) AVR由机端供电的交流励磁机（无刷）励磁系统图8 . 7 励磁系统的自动电压调节器R输出调差检测AVR整定电源UVAUVWCT换能器交流励磁机RAVR整定输出调差检测电源UVAWVUCT发电机旋转整流器励磁绕组原动机转轴( a )机端电压整流励磁系统( b ) AVR由辅助绕组供电的交流励磁机（无刷）励磁

27、系统图图8.7 励磁系统的自动电压调节器（励磁系统的自动电压调节器（c）船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.5 自励同步发电机起压条件自励同步发电机起压条件23312LON图8.8 同步发电机自励起压过程示意图LN同步发电机采用自励起压时，同步发电机采用自励起压时，其起压过程示意图如其起压过程示意图如图图8.8所示。所示。曲线曲线1为发电机的空载特性，为发电机的空载特性，曲线曲线2为场阻线，为场阻线，曲线曲线3为采用硒整流器时的场为采用硒整流器时的场阻线。阻线。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及

28、自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室为了保证同步发电机自励起压，需采取下列措施：为了保证同步发电机自励起压，需采取下列措施：（1）提高发电机的剩磁电压（可用蓄电池临时充磁）。）提高发电机的剩磁电压（可用蓄电池临时充磁）。（2）减小励磁回路电阻（用锗或硅整流器代替硒整流）减小励磁回路电阻（用锗或硅整流器代替硒整流 器或用谐振法临时减小励磁电路阻抗）。器或用谐振法临时减小励磁电路阻抗）。（3）利用复励电流帮助起压（在起压时临时短接一下）利用复励电流帮助起压（在起压时临时短接一下 主电路，利用短路产生的复励电流帮助起压）。主电路，利用短路产生的复励电流帮助起压）。船舶电站控制与管理技术 2021-

29、10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.6 不可控相复励自励调压装置不可控相复励自励调压装置8.6.1 不可控相复励自励发电机不可控相复励自励发电机 不可控相复励自励发电机，不带励磁机，属于静止励磁。不可控相复励自励发电机，不带励磁机，属于静止励磁。不可控相复励自励装置中有电压不可控相复励自励装置中有电压和电流两个励磁分量，并在整流和电流两个励磁分量，并在整流前的交流侧进行相量合成。电压前的交流侧进行相量合成。电压分量和电流分量在交流侧叠加常分量和电流分量在交流侧叠加常用的有电流叠加和电磁叠加二种用的有电流叠加和电磁叠加二种方法。它们的单线原理图如方法。它们的单

30、线原理图如图图8.9所示所示 (b)电磁叠加(a)电流叠加TCGCZQVCLLVCZQTAG图8.9 不可控相复励系统的单线原理图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.6.2 相复励原理相复励原理 相复励原理是根据发电机简化相量图中相量的合成原理相复励原理是根据发电机简化相量图中相量的合成原理得出的。为了便于看出电流相位得出的。为了便于看出电流相位 角变化时为保持机端角变化时为保持机端电压电压 不变，电势不变，电势 的变化规律，采用同一电流的变化规律，采用同一电流 来来讨论。船舶电力系统的负载以三相异步电动机为主，负讨论。船舶

31、电力系统的负载以三相异步电动机为主，负载电流滞后于电压（载电流滞后于电压（0 1）。如图）。如图8.10所示。所示。 UEIcos船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室c o s= 1c o s= 0jXt( b )相 复 励 原 理 相 量 图( a )发 电 机 简 化 相 量 图L ULL Ic o s= 0c o s= 1图 8 . 1 0 相 复 励 原 理 相 量 图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.6.3 电流叠加相复励自励调压装置工作原理电流叠

32、加相复励自励调压装置工作原理 电流叠加相复励调压装置原理电路如图电流叠加相复励调压装置原理电路如图8.11所示所示 如忽略电流互感器的损耗和电抗器的电阻，可用单线等值如忽略电流互感器的损耗和电抗器的电阻，可用单线等值电路电路 图图8.12来表示。来表示。 LILULIII（8.58.5）0I根据叠加原理，在根据叠加原理，在 时，可得电压分量为时，可得电压分量为 DLLUjXRUI（8.6）船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室0U当当 时，可得励磁电流的电流分量为时，可得励磁电流的电流分量为 DLDDDLDLLLIjXRIKjXj

33、XjXRIKjXRRIKI)11(（8.7）所以，总励磁电流为所以，总励磁电流为DLDDLLILULjXRIKjXjXRUIII（8.8）船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室LI(b)原 理 图GTFVL(a)电 路 图CBALTGFV图 8.11 电 流 相 加 原 理 电 路 图LULULLILLLU=jD0LI=L图8.13 相 复 励 系 统 励 磁 电 流 电 流 向 量 图=LILUDLL图8.12 等 值 电 路 图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室

34、当当 时，可得如时，可得如图图8.13的相量图。的相量图。 LDRXL U=jD0L I=L图8 .1 3 相 复 励 系 统 励 磁 电 流 电 流 向 量 图=L IL UDLL图8 .1 2 等 值 电 路 图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室(= 9 0 )L0L UL 1L 21L U02图8 . 1 4 负载变化时励磁电流的变化( a )( b )LL(= 0 )图图8.14(a)画出了当负载电流的大小变化时励磁电流相量的变画出了当负载电流的大小变化时励磁电流相量的变化情况，图化情况，图8.14(b)画出了画出了

35、角变化时励磁电流相量的变化角变化时励磁电流相量的变化情况。情况。 船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.6.4 电磁叠加相复励自励调压装置的工作原理电磁叠加相复励自励调压装置的工作原理 L ULL ITGFVL图8.15 电 磁 叠 加 电 路 原 理 图L ULL I电磁叠加相复励自励调压装电磁叠加相复励自励调压装置是将电流分量置是将电流分量 和电压和电压分量分量 通过变压器通过变压器T的绕的绕组变换成磁通组变换成磁通 和和 两两个磁通合成磁通个磁通合成磁通 ，在变，在变压器压器T二次侧产生感应电压，二次侧产生感应电压，产生

36、励磁电流产生励磁电流 。图图8.15是电磁叠加的电路原是电磁叠加的电路原理图。理图。 LIILUILILUFLI船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.6.4 三绕组相复励自励调压装置三绕组相复励自励调压装置 三绕组相复励调压装置是采用电磁叠加原理构成的。其原理三绕组相复励调压装置是采用电磁叠加原理构成的。其原理图如图图如图8.16(a)所示。所示。1组成组成(1)相复励变压器相复励变压器T(2)谐振电容器谐振电容器C(3)移相电抗器移相电抗器L(4)整流器整流器V船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电气及自

37、动化教研室轮机学院电气及自动化教研室CW1W2W3CBAILIL OILTLVFGTABCC0R0AC(b)电 路 图(a)原 理 图W3W1AGVW2图 8.16 三 绕 组 相 复 励 装 置 原 理 电 路 图FC0R0船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2工作原理工作原理(1)相复励相复励在分析对称三相电路时通在分析对称三相电路时通常是采用一相来分析。如常是采用一相来分析。如图图8.17所示是相复励变压所示是相复励变压器的单相等效电路。器的单相等效电路。 W1W3W2电流源电压源ILIUU UIL UULRLLTIL I

38、图 8 . 1 7 相 复 励 等 效 电 路+-船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室图图8.18为三绕组相复励装置运行时的相量图。为三绕组相复励装置运行时的相量图。 co s= 1co s= 0IW 1(IL U)图8 .1 8 三 绕 组 相 复 励 向 量 图IW 2(IL)(IL I)IW 3IGUG船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室(2)自励和谐振起励过程自励和谐振起励过程相复励变压器相复励变压器T提供发电机空载励磁电流的一次绕组提供发电机空载励磁电流

39、的一次绕组W1是接在发电机输出端，发电机靠自己发电起励建立电压。是接在发电机输出端，发电机靠自己发电起励建立电压。发电机不发电就得不到励磁电流，没有励磁电流就无法发电机不发电就得不到励磁电流，没有励磁电流就无法起励建立电压。但是一般铁磁材料总有一定的剩磁存在，起励建立电压。但是一般铁磁材料总有一定的剩磁存在，发电机运转后在剩磁的作用下能够建立一定的剩磁电压，发电机运转后在剩磁的作用下能够建立一定的剩磁电压，剩磁越多产生的剩磁电压越高。剩磁越多产生的剩磁电压越高。发电机自励起压的过程如图发电机自励起压的过程如图8.19所示。所示。 船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及

40、自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2NIL 1IL 2IL 3IL 0UGRUG1UG2UG3UG0OILUG图8 . 1 9 发电机自励起压过程MK12NIL 1UGRUG1OILUG图8 . 2 0 有非线性励磁特性的起压特性船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室VCTLRLUUW2W1图8.21 谐振起励的等效电路从图从图8.16看出，移相电抗器看出，移相电抗器L和电容器和电容器C串联。相复励变压串联。相复励变压器的电压绕组器的电压绕组W1与电容器与电容器C是并联的。谐振起励的等效电是并联的。谐振起励的等效电路图如路图如

41、图图8.21所示。所示。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.7 可控相复励自励调压装置可控相复励自励调压装置可控相复励自励调压装置线路颇多，图可控相复励自励调压装置线路颇多，图 8.22是采用自动电是采用自动电压校正器的输出信号来控制饱和电抗器的磁化程度，通过压校正器的输出信号来控制饱和电抗器的磁化程度，通过改变饱和电抗器的电抗值，使发电机的励磁电流改变，从改变饱和电抗器的电抗值，使发电机的励磁电流改变，从而校正发电机的端电压。另一种如图而校正发电机的端电压。另一种如图8.23所示，自动电压所示，自动电压校正器的输出信号用来

42、控制相复励变压器的磁化程度，使校正器的输出信号用来控制相复励变压器的磁化程度，使励磁电压和电流改变，达到校正发电机端电压。励磁电压和电流改变，达到校正发电机端电压。可控相复励自励调压装置比不可控相复励自励调压装置多可控相复励自励调压装置比不可控相复励自励调压装置多了自动电压校正器，进一步改进了电能质量，可使发电机了自动电压校正器，进一步改进了电能质量，可使发电机的稳态电压变化率达到的稳态电压变化率达到1，且调试方便，但是由于多，且调试方便，但是由于多了一个自动电压校正器，使其结构显得比较复杂。了一个自动电压校正器，使其结构显得比较复杂。船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电

43、气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室可 控 相 复 励 变 压 器自 动 电 压 调 整 器图 8 . 2 3 可 控 相 复 回 装 置 之 二饱 和 电 抗 器自 动 电 压 调 整 器G图 8 . 2 2 可 控 相 复 回 装 置 之 一G船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.8 晶闸管励磁自动调整装置晶闸管励磁自动调整装置为了减少励磁装置的重量、尺寸，提高调压性能，同步为了减少励磁装置的重量、尺寸，提高调压性能，同步发电机开始采用晶闸管励磁自动调整装置。这种励磁装发电机开始采用晶闸管励磁自动调整装置。这种励磁装

44、置是利用晶闸管整流器，将发电机输出的部分功率馈送置是利用晶闸管整流器，将发电机输出的部分功率馈送到发电机励磁回路，以作发电机励磁功率。晶闸管的控到发电机励磁回路，以作发电机励磁功率。晶闸管的控制是由电子元件组成的控制电路来实现的，它的作用是制是由电子元件组成的控制电路来实现的，它的作用是测出发电机端电压变化（测出发电机端电压变化（ ），并按电压偏差来控制晶），并按电压偏差来控制晶闸管导通角的大小，从而实现励磁自动调整，使发电机闸管导通角的大小，从而实现励磁自动调整，使发电机端电压维持不变。其单线原理电路如图端电压维持不变。其单线原理电路如图8.24所示。所示。 U船舶电站控制与管理技术 202

45、1-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室调 差 电 流 互 感 器负 载LT控 制 电 路G图 8 . 2 4 晶 闸 管 励 磁 自 动 调 整 单 线 原 理船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室在在图图8.25中，是将晶闸管直接励磁系统分为整流主电路和中，是将晶闸管直接励磁系统分为整流主电路和控制电路两部分：控制电路两部分：整流主电路由被控制整流主电路由被控制对象同步发电机的电对象同步发电机的电枢绕组、晶闸管元件、枢绕组、晶闸管元件、续流二极管和励磁绕续流二极管和励磁绕组等组成。组等组成。 控

46、制电路由测量比较、控制电路由测量比较、校正放大、移相触发，校正放大、移相触发，必要时还有功率放大、必要时还有功率放大、脉冲分配等单元组成。脉冲分配等单元组成。 负 载触 发 器同 步 发 电 机主 电 路给 定 单 元给 定 单 元比 较测 量图 8 . 2 5 晶 闸 管 励 磁 自 动 调 整 方 块 图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室用晶闸管组成的可控整流主电路有多种型式，但用于同步用晶闸管组成的可控整流主电路有多种型式，但用于同步发电机自励恒压装置的晶闸管直接励磁系统只有四种：发电机自励恒压装置的晶闸管直接励磁系统只

47、有四种：单相半波可控整流电路，如图单相半波可控整流电路，如图8.26（a）所示；）所示；单相桥式半控整流电路，如图单相桥式半控整流电路，如图8.26（b）所示；）所示；三相半波可控整流电路，如图三相半波可控整流电路，如图8.26（c）所示；）所示；三相桥式半控整流电路，如图三相桥式半控整流电路，如图8.26（d）所示。）所示。这四种整流电路优缺点的比较，如表这四种整流电路优缺点的比较，如表8. 1所示。所示。 船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室D3D2D1T3T2T1D2D1T2T1励磁线圈D(d)(b)D励磁线圈励磁线圈励磁线

48、圈T3T1(c)T2DDT(a)图8.26 晶闸管励磁系统中整流电路类型船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室晶闸管励磁线路与相复励自励恒压装置比较，反应迅速、晶闸管励磁线路与相复励自励恒压装置比较，反应迅速、调压指标高等优点。但是由于没有电流复合分量，当系调压指标高等优点。但是由于没有电流复合分量，当系统在发电机端附近短路时，端电压接近于零，励磁电流统在发电机端附近短路时，端电压接近于零，励磁电流也就减少，这样就不能对发电机供给足够的短路电流使也就减少，这样就不能对发电机供给足够的短路电流使自动开关有选择性地动作，甚至在发生短路

49、后，端电压自动开关有选择性地动作，甚至在发生短路后，端电压下降至剩磁电压，这对船舶电力系统工作可靠性是极不下降至剩磁电压，这对船舶电力系统工作可靠性是极不利的。所以晶闸管励磁的强励性能比相复励差。为了克利的。所以晶闸管励磁的强励性能比相复励差。为了克服这一缺点，可加上电流复合分量，其单相原理如图服这一缺点，可加上电流复合分量，其单相原理如图 8.27所示。所示。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室K MK MD电流互感器T A1调差互感器T A2UNLT控制电路G图8 . 2 7 有电流复合分量的晶闸管励磁单相原理图船舶电站控制

50、与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1cos随着船舶用电设备谐波要求标准越来越严格，采用高功随着船舶用电设备谐波要求标准越来越严格，采用高功率因素、低谐波的高频开关模式率因素、低谐波的高频开关模式PWM整流器整流器SMR（Switched Mode Rectifier）替代传统的晶闸管自励恒）替代传统的晶闸管自励恒压装置是大势所趋。和传统的相控整流装置相比，压装置是大势所趋。和传统的相控整流装置相比，PWM SMR可以控制交流电源电流为畸变很小的正弦电可以控制交流电源电流为畸变很小的正弦电流，且功率因数流，且功率因数 。此外，。此外，SMR

51、和传统的相控和传统的相控整流装置相比较，体积、重量可以大大地减少，动态响整流装置相比较，体积、重量可以大大地减少，动态响应速度快。应速度快。 1cos船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.9 并联运行同步发电机之间无功功率的分配并联运行同步发电机之间无功功率的分配讨论同步发电机组并联运行的无功功率分配，首先要建立讨论同步发电机组并联运行的无功功率分配，首先要建立一个概念一个概念电网上只有一个电压。船舶电网是独立电网，电网上只有一个电压。船舶电网是独立电网，电网上有几台机组并联运行时，电压是各台发电机电势共电网上有几台机组并联运

52、行时，电压是各台发电机电势共同作用的结果。发电机在负载电流产生的电枢反应作用下同作用的结果。发电机在负载电流产生的电枢反应作用下输出与电网平衡的电压，当手动或自动调节任意一台发电输出与电网平衡的电压，当手动或自动调节任意一台发电机的励磁电流，就会改变该台发电机本身产生的电势的大机的励磁电流，就会改变该台发电机本身产生的电势的大小，同时会改变无功负载的承担，也会改变电网电压。小，同时会改变无功负载的承担，也会改变电网电压。船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.9.1采用不可控相复励励磁装置的发电机并联运行时无功采用不可控相复励励

53、磁装置的发电机并联运行时无功功率均衡措施功率均衡措施 图图8.28所示是励磁直流均压原理接线图。所示是励磁直流均压原理接线图。基于在有功功率分配相等的情况下，各发电机的电势相等基于在有功功率分配相等的情况下，各发电机的电势相等就可以使无功分配平衡。发电机的电势又是由励磁电流决就可以使无功分配平衡。发电机的电势又是由励磁电流决定，因此采取的措施是均衡励磁电流。均衡励磁电流的方定，因此采取的措施是均衡励磁电流。均衡励磁电流的方法有直流均压和交流均压两种。法有直流均压和交流均压两种。船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流均压小母线母线

54、ACB3相复励K3LG3F3ACB2F2G2LK2相复励相复励K1LG1F1ACB1图8.28 励磁直流均压原理接线图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.9.2 采用可控相复励励磁装置的发电机并联运行时无功采用可控相复励励磁装置的发电机并联运行时无功功率均衡措施功率均衡措施 可控相复励励磁系统的无功功率均衡措施尽管引入调差可控相复励励磁系统的无功功率均衡措施尽管引入调差作用会降低电压调整率，但是能够使发电机并联运行稳作用会降低电压调整率，但是能够使发电机并联运行稳定，所以被广泛采用。定，所以被广泛采用。为了弥补由于调差带来的

55、电压调整率下降，可以采用为了弥补由于调差带来的电压调整率下降，可以采用“交叉无功电流补偿交叉无功电流补偿”措施。措施。图图8.29 交叉无功电流补偿原理图交叉无功电流补偿原理图2021-10-30(d)(a)(b)(c)2R2(2-1)1O(12)1-R2O1R1-R1-R2R222O1-R1R11OG2T21ACB2I2R222R2测量AVR21T22T121AVR1测量R111R1I1ACB1母线T11G1图8.29 交叉无功电流补偿原理图(a)调差;(b)调差;(c)交叉;(d)交叉1222船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教

56、研室当同步发电机并联运行时，由于各发电机的电势不相等，当同步发电机并联运行时，由于各发电机的电势不相等，在发电机之间将产生环流，其环流的作用主要是影响各发在发电机之间将产生环流，其环流的作用主要是影响各发电机无功功率的分配。因为同步发电机的定子绕组电抗较电机无功功率的分配。因为同步发电机的定子绕组电抗较电阻大得多，从而使环流基本上是无功的。电阻大得多，从而使环流基本上是无功的。图图8.30 当当E1和和E2不相等时，并联同步发电机的电势与电流不相等时，并联同步发电机的电势与电流简化向量图简化向量图图图8.31 三台外特性斜率不同的同步发电机并联工作时无功三台外特性斜率不同的同步发电机并联工作时

57、无功负载分配的情况负载分配的情况船舶电站控制与管理技术2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1 W2 W3 WG3G2G1W1O图 8 . 3 1 三 台 外 特 性 斜 率 不 同 的 同 步 发 电机 并 联 工 作 时 无 功 负 载 分 配 的 情 况2t1t1 Y2 Y2121 W1O2 W图 8 . 3 0 当 E 1 与 E 2 不 相 等 时 ， 并 联 同 步 发电 机 的 电 势 与 电 流 简 化 向 量 图船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.10 无刷同步发电机

58、励磁系统典型电路分析一无刷同步发电机励磁系统典型电路分析一西门子西门子IFC5型船用无刷同步发电机。其原理电路如图型船用无刷同步发电机。其原理电路如图8.32所示。所示。 8.10.1 结构结构 发电机由定子（电枢绕组）、转子（磁场绕组和旋转整流器）发电机由定子（电枢绕组）、转子（磁场绕组和旋转整流器）和交流励磁机转子（电枢绕组）、定子（磁场绕组）、相复和交流励磁机转子（电枢绕组）、定子（磁场绕组）、相复励装置以及自动电压调节器（励装置以及自动电压调节器（AVR）等组成。）等组成。 2021-10-30RP-外 接 电 压 整 定 电 位 器K -外 接 无 功 补 偿 控 制 触 头 断 开

59、-无 功 补 偿 闭 合-取 消 补 偿V1-整 流 器-测 量 变 压 器T7T8T6-相 复 励 变 压 器-中 间 变 压 器T4T5-电 流 互 感 器T1T2T3A1-自 动 电 压 调 节 器A3-无 功 补 偿 装 置C1-谐 振 电 容 器C2-干 扰 抑 制 电 容 器L1-线 性 电 控 器R1-限 流 电 阻 器R2-无 功 补 偿 调 节 同 轴 电 位 器A1C2C2C2C2T1T3T2L1T6T4T8R2T7T5A3KRP21525351502220F1F2N UV WNWVU定 子 电 枢 绕 组定 子 磁 场转 子 整 流 器轴转 子 磁 场励 磁 机 转 子发

60、 电 机 转 子C1V12W12V12U11W11V11U1R154321212220V图 8.32 IFC5型 船 用 无 刷 同 步 发 电 机 原 理 图放 大稳 定触 发灵 敏 度稳 定 度电压范围给定值检测值比较船舶电站控制与管理技术 2021-10-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8.10.2 相复励装置相复励装置 相复励装置由三只电流互感器（相复励装置由三只电流互感器（T1、T2和和T3）、线性电抗）、线性电抗器（器（L1）、谐振电容器（）、谐振电容器（C1）、复励变压器（）、复励变压器（T6）和整流）和整流器（器（V1）组成。）组成。 图图8.33