浅谈船舶发电机调压系统樊夏军

1、浅谈船舶发电机自动调压系统樊夏军摘要：从当前的发展的形势看，调压系统已经成为交流同步发电机中最重要，最核心的组成部分之一，对于交流同步发电机的性能有着至关重要的作用。本文主要论述同步发电机系统调压系统作用和工作原理及采用相复励变压器，PID控制器为调节装置的励磁调压系统。同时分析了几个典型调压系统。关键词：调差 电压整定 AVR 相复励装置 带AVR的相复励装置0 引言：船舶电网是一个有限量电网，一般只有一个或者两个电站组成，故电站的容量就是电网的容量。总体而言，船舶电站一般由34台发电机组成，所以每台发电机就是能量的源泉。当船舶电力系统负荷发生变化而引起电网电压波动时，就需要迅速改变发电机励

2、磁以维持电压在一定的精度内。完成这一步骤的就是发电机的自动调压系统。当然，发电机起动时也是靠自动调压系统迅速达到额定电压。因此，调压系统对于船舶电网有着重大作用及意义。1 交流发电机需要电压调节器必要性 交流发电机为什么需要电压调节器呢？从外部原因来说：交流发电机需要自动电压调节器的理由有两点。首先，当大容量的电动机启动时，会产生强大的启动电流，由于船舶电网是一个有限量电网，从而会对电网造成巨大冲击，并且电动机的启动电流基本上都是无功电流，当这个无功电流流过发电机时，加强了发电机交轴去磁电枢反应，使得端电压较大幅度的下降。其次，当外部电路发生短路时，为了使得短路点迅速脱离电网，保护系统需立即动

3、作，而要使保护系统在短路时迅速工作，发电机必须进行强励磁以维持一定幅值的端电压使保护系统投入工作。显而易见靠手动调节励磁，响应速度肯定不行。因此必须要有自动电压调节器进行电压控制。 从发电机内部而言：当发电机在原动机的驱动下运转后，转子绕组流过电流，产生气隙磁场，气隙磁场的磁极方向在直轴上，见图1-1。而当负载接通以后，就有电流流过定子电枢绕组，该电流产生电枢磁场。此时主磁场是转子产生的气隙磁场和定子产生的电枢磁场的合成。而电枢磁场对主磁场必定产生影响，这种影响即电枢反应。同时电枢反应的结果是随着负载的性质不同而不同。当电枢电流与电压同相（COS=1）即纯电阻负载，此时电枢磁场的磁极方向在交轴

4、上，即交轴电枢反应。电枢反应的结果使得主磁场一侧被增加，另外一侧被削弱。如果磁路饱和的话，会减少主磁场，使得电压有所下降，见图1-2。当电枢电流滞后电压90（COS=0）纯电感负载，此时电枢磁场的磁极方向在直轴上，方向和气隙磁场相反，即直轴去磁电枢反应。其结果使得主磁场大大削弱，导致电压下降，见图1-3。 当电枢电流超前电压90时（COS=0）即纯电容负载，此时电枢磁场的磁极方向在直轴上，方向和气隙磁场相同，即直轴助磁电枢反应。其结果使得主磁场大大增加，导致电压上升，见图1-4。 船舶的负载是电阻性和电感性的综合，功率因数永远小于1，因此当发电机负载以后，总是使得发电机的端电压下降。为了保证不

5、管在什么性质的负载下船舶电网电压的恒定，必须需要自动电压调节器来调节发电机的励磁电流，确保电压在规范规定的范围内。 图1-1 无负载主磁场分布图 图1-2 纯电阻负载主磁场分布图图1-3 电感性负载主磁场分布图 图1-4 电容性负载主磁场分布图2 自动调压器的工作原理自动电压调压器简称AVR（英语名称的第一个字母缩写 ），是按机端电压偏差进行励磁调节的装置。其工作原理就是当同步发电机机端电压出现偏差时，自动调节发电机的励磁电流或者励磁机的励磁电流，消除偏差或者减小到允许范围内。图2-1是自动电压调压器AVR与发电机的关系图。如图自动电压调压器AVR本身是一个可控的电源装置，机端电压的偏差U经放

6、大，输出控制电压Uc，控制直流电源输出，进行励磁调节，最后通过励磁机控制发电机励磁绕组的电流。对于无励磁机的调压系统，则直接控制励磁绕组的励磁电流，从而调整发电机的输出电压。 图 2-1 AVR与发电机的关系示意图 1、AVR 的电源AVR的输入电源一般有：采用发电机机端电压（或抽头）、附加定子绕组和永磁发电机等等。图2.1-1是无刷发电机典型的三种供AVR电源的方式，其中图(a)AVR由设在定子上的辅助绕组供电；图(b)AVR由机端电压经变压器供电；而图(c)AVR由永磁发电机供电。图(a)和图(c)的AVR输出的励磁功率由原动机提供，发生短路不影响辅助绕组或永磁发电机的输出，并可提供强励。

7、图(b)用机端电压直接供电存在一定隐患，万一发电机端发生短路，机端电压骤降，甚至消失，则励磁电流也将消失，不能提供强励，需附加强行励磁措施。(a)AVR由辅助绕组供电的无刷励磁系统(b) AVR由机端供电的无刷励磁系统 (c) AVR由永磁发电机供电的无刷励磁系统图2-1经典励磁系统几种供AVR方式2、电压的检测AVR的检测量是机端电压。机端电压是直接接入还是经变压器间接接入，主要看该AVR的检测端是否与发电机端电压匹配。例如发电机电压440V，AVR的检测端为110V，则需要用变压器降压。3、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。参与并联运行的发电机，要求它的无功负载特性应是

8、下降的，即负载电流越大、功率因数越低，电压下降越多。而AVR的功能是力图阻止电压变化，并不具有反映无功负载变化的特性，所以需要采取反映无功负载的措施来改变AVR的调节特性。这种措施称为“无功电流反馈”或“调差装置”。图2-1中的电流互感器CT就是用来反映无功电流的。要从视在电流中取出无功分量与电压进行比较，CT设置的相位与电压检测的相位有关。输入三相电压检测的AVR，若取一相电流反馈一般取中间相（V相），若取两相电流一般取左右相（U和W相）；输入单相电压检测的AVR，取与线电压成90的相电流，例如电压取UVW，则电流取IU。4、电压整定 同时AVR提供遥控电压整定电位器的接口，用于调整发电机机

9、端电压。 另外，只按机端电压偏差进行励磁调节的AVR，是具有一定功率输出的可空电源。当发电机转速低的时候，发电机端电压低，此时AVR的任务是力图调节使机端电压到达额定电压。由于此时AVR输出电压急剧增加，有可能出现输出过载，所以这种励磁系统的AVR必须具备低频（转速）保护，即低频时使AVR退出工作。3 典型电路3.1 不可控的相复励调压器相复励调压器的工作原理：找到引起发电机电压波动的主要原因（负载电流及相位变化）的规律，并且按照这个规律预先或提前调节发电机的励磁电流，来使发电机电压维持额定电压或控制在允许范围内。在图3.1-1(a)中可以看到，相复励调压器模仿了直流发电机的调压方式:电压绕组

10、充当并激磁场，建立空载电压，串联在发电机三相绕组中的电流绕组来补偿电压的下降；接入电抗器使得电流落后于电压90，实现相位的补偿。图3.1-1(b)描述了AVR的工作流程：输入的测量单元是发电机电压和负载电流，由电压和电流测量出相位，然后输出If，再经信号变换后去调节发电机的励磁电流来维持电压。但是这种调节系统没有反馈，不能组成“闭环”系统。所以这不是一个自动调节系统。总而言之相复励调压器调节对象是电压，被测量是负载电流和相位，每一个负载电流和相位都对应一个输出控制信号。这个信号由调节装置本身设计和第一次试验调整所确定的。所以这种调节方式只能在某些条件不变的情况下，才能保证电压的基本恒定。对于原

11、动机的转速或调压器的温度等因素引起的电压偏移，调节系统就无法响应。因此，这种系统的静态特性较差，但由于其动态过程是非周期性的，没有振荡过程，故其动态性能较好。所以相复励调压系统不加其他调节措施的我们就可以称之为“不可控相复励”系统，其示意图如图3.1-2所示。(a）(b)图3.1-1相复励调压器原理图及方框图图3.1-2经典的不可控相复励调节器3.2 带AVR的相复励自动调压器（分流型） 为了解决相复励调压器静态特性较差，提高其调压精度，就引入了AVR自动调压器，其结构图见图3.2-1。图3.2-2是可控直流电源AVR的原理示意图电路，发电机输入电压通过可控硅整流桥输出至励磁绕组，可控硅整流桥

12、的输出由比较放大器控制。输入电压通过信号变换单元，向电位器R1提供固定的电压。电位器R1的设定电压U1与输出取样电压U2在比较放大器中比较，误差放大后输出控制可控硅的导通角度，改变通过励磁绕组的励磁电流调整发电机电压。在此AVR实际上是一个自动的可控分流装置，见图3.2-2。AVR根据灵敏度调节要求，分掉一部分由电流互感器和电压互感器经电抗产生的电流，将其消耗掉，达到控制通过励磁绕组的电流，提高AVR调压精度。由于船用发电机最大的容量不过几千到上万千瓦，而且又都使用了无刷发电机，一般励磁电压上仅为一百伏左右，励磁电流几个到几十安培，励磁功率很小，可控电源的独立板子可以做得很小，并且线路电压电流

13、较小，故板子一般就安装在主配电板里。图3.2-1带AVR的相复励调压器图3.2-2是可控直流电源AVR的原理图图3.2-3带AVR的相复励调压器AVR等效图3.3 只有AVR的调压电路发电机机端电压既作为AVR的工作电压又作为检测电压，调整好内部和外部的电压设定电位器，AVR根据检测的电压和电流的变化按设定程序输出励磁电压，控制机端电压。结构图见图3.3-1。图3.3-1 只有AVR的调压电路4 DAHATSU发电机AVR分析图4-1和图4-2分别是DAHATSU发电机调压器方框图和原理图。从图4-1可以看出这就是上面所论的可控分流型（电阻型）的一个具体应用。图中前半部分是相复励调压装置，后半

14、部分的AVR根据机端电压与给定值的偏差分流部分相复励的输出，目的使机端电压维持一定精度。图4-1 DAHATSU发电机调压器方框图 图4-2 是DAHATSU发电机调压器原理图。图中发电机电压发生变化后，机端电压通过变压器，再经过变压、整流、滤波后产生一个较低的直流电压作用在Q1上，Q1通过与给定电压(内部电位器由R1和外部电位器VR设定)比较,积分与微分输出信号导通Q3和Q5输出脉冲信号（如可控硅G1、G2导通电源与触发信号不同步，则由Q2导通Q4，不让Q5发出脉冲）。当E、F输出电源，可控硅G1、G2导通即将用于调整的控制电压输出到发电机的励磁绕组。则 输出的励磁电流即马上调整发电机电压，使其稳定于一定范围内。由此可见自于脉冲发生器控硅的触发脉冲可以控制发电机励磁电流，维持端电压在某个数值上。图4