第三篇-14同步发电机电压及无功功率自动调整

1、第第14 章同步发电机电压及无功功率自动调整章同步发电机电压及无功功率自动调整14 -1 自动电压调整的基础知识自动电压调整的基础知识14 -2 不可控相复励自励恒压励磁系统不可控相复励自励恒压励磁系统14 -3 晶闸管自励恒压励磁系统晶闸管自励恒压励磁系统14 -4 可控相复励自励恒压励磁系统可控相复励自励恒压励磁系统14 -5 无刷发电机励磁系统无刷发电机励磁系统14 -6 并联运行发电机组间无功功率分配并联运行发电机组间无功功率分配 本章主要介绍船舶同步发本章主要介绍船舶同步发电机的自动调压、以及无功功电机的自动调压、以及无功功率的调节方法。率的调节方法。 内内 容容 简简 介介相关概念

2、相关概念转速波动率：转速波动率：机组在空载到满载范围内任机组在空载到满载范围内任一负载下运行时，于一定时间间隔内测得一负载下运行时，于一定时间间隔内测得的最高转速的最高转速n1或最低转速或最低转速n2与它们的平均值与它们的平均值之差对平均转速的百分比之差对平均转速的百分比0.5% 。2%100%21nnnnnnvmmm电压波动率：电压波动率：机组在空载到满载范围内任机组在空载到满载范围内任一负载下运行时，于一定时间间隔内测得一负载下运行时，于一定时间间隔内测得的最高电压的最高电压U1或最低电压或最低电压U2与它们的平均与它们的平均值之差对平均电压的百分比值之差对平均电压的百分比1%。2%100

3、%21UUUUUUUmmm14 -1 自动电压调整的基础知识自动电压调整的基础知识 发电机组起动运行且转速接近额定转速时，发电机组起动运行且转速接近额定转速时，应能使发电机可靠起励，建立额定空载电压。应能使发电机可靠起励，建立额定空载电压。14.1.1 自动调压装置的功能自动调压装置的功能 为了保证高质量的供电指标，自动调压为了保证高质量的供电指标，自动调压装置应具备下述的功能：装置应具备下述的功能：1）自励起压）自励起压2 2）维持电力系统电压基本恒定）维持电力系统电压基本恒定用电设备为感性负载用电设备为感性负载去磁电枢反应去磁电枢反应负载电流变化负载电流变化应使励磁电流相应变化应使励磁电流

4、相应变化补偿去磁作用补偿去磁作用维持端电压恒定维持端电压恒定 AVR3 3）合理分配发电机的无功功率）合理分配发电机的无功功率 并联运行的交流发电机组，当负载功率并联运行的交流发电机组，当负载功率变化时，各发电机实际承担的无功功率若不变化时，各发电机实际承担的无功功率若不按发电机各自的容量比例分配按发电机各自的容量比例分配发电机间电发电机间电势不相等势不相等 有环流有环流 增大损耗且不稳定。增大损耗且不稳定。强励能力：强励能力：短路时，提高保护动作可靠性短路时，提高保护动作可靠性14.1.2 自励恒压装置的要求自励恒压装置的要求1 1）静态和动态特性）静态和动态特性Umin.s 发电机突加负载

5、时的最低电压值发电机突加负载时的最低电压值Umax.s发电机突减负载时的最高电压值发电机突减负载时的最高电压值（1）对静态电压调整的要求）对静态电压调整的要求发电机负载端电压波动的缓慢变化可用静态电发电机负载端电压波动的缓慢变化可用静态电压调整率（稳态电压变化率压调整率（稳态电压变化率 U% 来表示来表示:%100)(%minmaxeeUUUUU或钢质海船建造及入级规范规定：钢质海船建造及入级规范规定：发电机从空载至满载，功率因数保持为额定值发电机从空载至满载，功率因数保持为额定值,主发电机的静态电压变化率应在主发电机的静态电压变化率应在 2.5% 以内以内,应应急发电机的静态电压变化率应在急

6、发电机的静态电压变化率应在 3.5% 以内。以内。Umax 、 Umin发电机在额定负载变化范围内端电压发电机在额定负载变化范围内端电压稳态时最大值和最小值。稳态时最大值和最小值。（2）对动态电压调整的要求）对动态电压调整的要求负载突变负载突变AVR应能使发电机瞬时电压波动及应能使发电机瞬时电压波动及恢复至稳定值得时间都在允许范围之内，用瞬恢复至稳定值得时间都在允许范围之内，用瞬时电压调整率时电压调整率Us和电压恢复时间和电压恢复时间th来表示来表示Umin.s 发电机突加负载时的最低电压值发电机突加负载时的最低电压值Umax.s发电机突减负载时的最高电压值发电机突减负载时的最高电压值%100

7、)(%.min.maxeesssUUUUU或钢质海船建造及入级规范规定：钢质海船建造及入级规范规定： 发电机突加或突减发电机突加或突减60额定电流及功率因额定电流及功率因数不超过数不超过0.4（滞后）的对称负载时，发电机（滞后）的对称负载时，发电机的动态电压变化率最低不超过的动态电压变化率最低不超过-15%最高不超最高不超过过+20%，恢复到额定值的，恢复到额定值的 3 % 内的时间内的时间1.5s，应急发电机恢复到额定值的应急发电机恢复到额定值的 4 % 内的时间内的时间5s， （发电机的动态电压变化率发电机的动态电压变化率应在应在 15% 以内，电压恢复时间不超过以内，电压恢复时间不超过1

8、.5秒。）秒。） 当电压突然下降很大时，要求自动调当电压突然下降很大时，要求自动调压装置能迅速把励磁电流升高至超过额压装置能迅速把励磁电流升高至超过额定状态的最大值，即有足够的强行励磁定状态的最大值，即有足够的强行励磁能力，以提高电压的上升速度。能力，以提高电压的上升速度。常用常用强行励磁倍数强行励磁倍数Kp（一般一般2）和发电和发电机机电压上升速度电压上升速度(0.1s0.5s)来描述。来描述。2 2）强行励磁）强行励磁LeLppUUK ULe 发电机额定电压时的励磁电压发电机额定电压时的励磁电压ULp强励时提供的最高励磁电压强励时提供的最高励磁电压钢质海船建造及入级规范规定：钢质海船建造及

9、入级规范规定： 并联运行的交流发电机组，当负载在额并联运行的交流发电机组，当负载在额定功率的定功率的20%100%范围内变化时，各发范围内变化时，各发电机实际承担的无功功率与按发电机各自的电机实际承担的无功功率与按发电机各自的容量比例计算值之差不应超过下列数值中的容量比例计算值之差不应超过下列数值中的较小者：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）最小机组额定无功功率的）最小机组额定无功功率的 25% 。3 3）无功功率的合理分配）无功功率的合理分配 励磁电流是由与同步发电机组同轴的励磁电流是由与同步发电机组同轴的直流励磁发电机提供。由于直流励磁机的直流励

10、磁发电机提供。由于直流励磁机的电磁惯性较大，而且有电刷和换向器，可电磁惯性较大，而且有电刷和换向器，可靠性差，维护管理不便，不宜在船舶电站靠性差，维护管理不便，不宜在船舶电站中使用。中使用。（1）直流励磁机他励方式）直流励磁机他励方式1.按照直流励磁电流的获得方式区分按照直流励磁电流的获得方式区分4 4）自动调压装置的分类）自动调压装置的分类（2）静止自励方式）静止自励方式 利用交流同步发电机发出的交流电经利用交流同步发电机发出的交流电经晶闸晶闸管整流管整流提供给转子励磁绕组的自励方式获得了提供给转子励磁绕组的自励方式获得了广泛的应用。静止自励方式简单、可靠，特别广泛的应用。静止自励方式简单、

11、可靠，特别适用于容量较小的船舶同步发电机。同时，由适用于容量较小的船舶同步发电机。同时，由于其电磁惯性较小，因此具有优良的动态性能。于其电磁惯性较小，因此具有优良的动态性能。（3）交流励磁机他励方式）交流励磁机他励方式 以交流励磁机他励的以交流励磁机他励的无刷励磁无刷励磁方式。由于这方式。由于这种励磁方式使整个机组的旋转部分和静止部分没种励磁方式使整个机组的旋转部分和静止部分没有任何滑动电接触，去掉了电刷和滑环，因此可有任何滑动电接触，去掉了电刷和滑环，因此可靠性好，管理方便。靠性好，管理方便。 当发电机的输出电压与给定电压出现偏差当发电机的输出电压与给定电压出现偏差（ Uf ）时，调节器根据

12、时，调节器根据 U的大小和极性对的大小和极性对励磁电流进行调节，以维持端电压恒定。励磁电流进行调节，以维持端电压恒定。（1）按电压偏差）按电压偏差 Uf调节调节特点特点:属于闭环调节系统，静态性能好，调压精属于闭环调节系统，静态性能好，调压精度高。但动态特性差。度高。但动态特性差。 按照自励恒压的作用原理（被检测量）区分按照自励恒压的作用原理（被检测量）区分（2）按负载扰动调节）按负载扰动调节I f，cos 发电机端电压变化的是由于负载扰动引起发电机端电压变化的是由于负载扰动引起的的，调节装置直接测量扰动量，根据扰动量的调节装置直接测量扰动量，根据扰动量的变化来进行调节，使发电机的端电压恒定。

13、变化来进行调节，使发电机的端电压恒定。特点特点:属于开环调节系统，具有结构简单，工属于开环调节系统，具有结构简单，工作可靠，强励能力强，动态性能好等特点。作可靠，强励能力强，动态性能好等特点。但静态性能较差，调压精度低。但静态性能较差，调压精度低。按负载和电压偏差的综合调节，在按负载调节按负载和电压偏差的综合调节，在按负载调节的基础上采用自动电压调节器（的基础上采用自动电压调节器（AVR）一种一种较理想的励磁调节器较理想的励磁调节器，广泛用于船舶电站。，广泛用于船舶电站。AVR类型：类型：不可控相复励自励恒压励磁装置、不可控相复励自励恒压励磁装置、可控相复励自励恒压励磁装置、晶闸管（可可控相复

14、励自励恒压励磁装置、晶闸管（可控硅）自励恒压励磁装置、无刷同步发电机控硅）自励恒压励磁装置、无刷同步发电机恒压励磁系统恒压励磁系统（3）复合调节）复合调节 Uf ， I f，cos14 -2 不可控相复励自励恒压励磁系统不可控相复励自励恒压励磁系统性能优良，能在恶劣的环境下可靠地工作。性能优良，能在恶劣的环境下可靠地工作。 既反映电流的大小，也能反映电流的相位既反映电流的大小，也能反映电流的相位的线路称为相位复励线路，简称相复励线路。的线路称为相位复励线路，简称相复励线路。 相复励装置调节特性的规律是按电流的大相复励装置调节特性的规律是按电流的大小及相位进行补偿的。小及相位进行补偿的。 通常可

15、归纳为三种方式：通常可归纳为三种方式：按电流叠加的相复励按电流叠加的相复励按电磁叠加的相复励按电磁叠加的相复励按电势叠加的相复励按电势叠加的相复励14.2.1 不可控相复励装置自励起压及恒压原理不可控相复励装置自励起压及恒压原理1 1）自励起压基本原理）自励起压基本原理（1）足够的剩磁电压，以使自足够的剩磁电压，以使自励回路导通励回路导通（2）适当的励磁回路阻抗，以适当的励磁回路阻抗，以使励磁特性和空载特性匹配；使励磁特性和空载特性匹配；（3）使励磁系统正反馈，剩磁使励磁系统正反馈，剩磁电压产生的励磁电流磁化方向与电压产生的励磁电流磁化方向与剩磁方向相同剩磁方向相同2 自励回路的理想励磁特性曲

16、线自励回路的理想励磁特性曲线1同步发电机空载特性曲线同步发电机空载特性曲线2）恒压基本原理恒压基本原理（1）复励原理：）复励原理：当负载的功率因数当负载的功率因数cos 不变，不变，而负载电流的幅度增加时。而负载电流的幅度增加时。iI负载电流大小变化功率因数不变负载电流大小变化功率因数不变UiIVIfIfI复励分量按比例增加复励分量按比例增加fIfI（2）相位补偿原理：）相位补偿原理：当负载的电流大小不变，设功率因数角由当负载的电流大小不变，设功率因数角由 增增加到加到（感性）。（感性）。复励分量按比例增加复励分量按比例增加fIfIfI负载电流大小不变，功率因数变化负载电流大小不变，功率因数变

17、化UiIVIfIiI14.2.2 电流叠加相复励自励恒压装置电流叠加相复励自励恒压装置2）等值电路分析等值电路分析 ZLRL， ZLRE 上式可近似成：上式可近似成：LELfLEfLZRZIKZRUIfLfLLfLfLIKjXUjXjXIKjXUI电抗器频率补偿作用：电抗器频率补偿作用： （f Uf ） fXLILU IL Uf 14.2.3 电磁叠加相复励恒压装置电磁叠加相复励恒压装置LR相复励电抗器相复励电抗器N1电压绕组电压绕组N3电流绕组电流绕组N2输出绕组输出绕组Nf励磁绕组励磁绕组VD 二极管三相整二极管三相整流器流器调整：调整： 1. 1.空载空载：调节移相电抗器的气隙或匝调节移

18、相电抗器的气隙或匝数（电压低数（电压低减少匝数或增大气隙或减少匝数或增大气隙或增加增加电压绕组电压绕组N1的匝数的匝数） 2.2.负载负载：调节电流互感器副边匝数。：调节电流互感器副边匝数。（电压低（电压低减少副边匝数）减少副边匝数）磁势平衡方程：磁势平衡方程：2.3.1.NININIfiuiufINNINNI.23.21.14.2.4 电磁叠加带电压曲折绕组的相复励系统电磁叠加带电压曲折绕组的相复励系统与前述电磁叠加相与前述电磁叠加相比多了一套绕组比多了一套绕组又称：四绕组相复又称：四绕组相复励变压器励变压器N4与与N1反接串联，进一步反接串联，进一步加强功率因数变化的相位补加强功率因数变化

19、的相位补偿，提高静态调整特性偿，提高静态调整特性14 -3 晶闸管自励恒压励磁系统晶闸管自励恒压励磁系统组成：测量比较电路、移相触发电路、晶闸管主组成：测量比较电路、移相触发电路、晶闸管主电路、起励和保护电路等组成。电路、起励和保护电路等组成。14.3.1 测量比较环节测量比较环节 1）测量电路）测量电路单相测量、单相整流单相测量、单相整流三相测量六相整流电路图三相测量六相整流电路图三相测量三相整流、三相测量三相整流、滤波电路有滤波电路有 型滤波、双型滤波、双T型滤波和桥式型滤波和桥式滤波等。滤波等。 比较电路的作用是把测量整流电路输出的电压与基比较电路的作用是把测量整流电路输出的电压与基准电

20、压相比较，得到一个反映发电机电压偏差的直流准电压相比较，得到一个反映发电机电压偏差的直流电压信号。电压信号。 当当UinUZ时时, Uout= UZ（UinUZ）2 UZUin ，励磁系统呈现负反馈的特性。励磁系统呈现负反馈的特性。 当当UinUZ时，比较电路的输出电压时，比较电路的输出电压Uout= Uin，励磁系统呈正反馈特性。励磁系统呈正反馈特性。2）比较电路）比较电路14.3.2 移相触发环节及励磁主回路移相触发环节及励磁主回路 依据比较电路的偏差大小和极性，对晶闸管依据比较电路的偏差大小和极性，对晶闸管发出相应触发角的脉冲。发出相应触发角的脉冲。 励磁调节装置中，触发器形式主要有：单

21、励磁调节装置中，触发器形式主要有：单结晶体管触发电路、单稳态触发器、三极管开结晶体管触发电路、单稳态触发器、三极管开关电路、阻塞振荡器等触发器。关电路、阻塞振荡器等触发器。1）移相触发环节）移相触发环节2）励磁主回路）励磁主回路人工触发起动励磁线路图人工触发起动励磁线路图阻容吸收电路，硒堆吸收保护及快速熔断器等。阻容吸收电路，硒堆吸收保护及快速熔断器等。 励磁系统中要设置人工触发起励线路，利用蓄励磁系统中要设置人工触发起励线路，利用蓄电池向可控硅提供触发电压。电池向可控硅提供触发电压。 3）保护和起励电路）保护和起励电路14 -4 可控相复励自励恒压励磁系统可控相复励自励恒压励磁系统 为了提高

22、电压的调节精度，广泛采用相复励加为了提高电压的调节精度，广泛采用相复励加电压偏差的复合式励磁装置（可控相复励自动调电压偏差的复合式励磁装置（可控相复励自动调压装置）。压装置）。14.4.1 可控相复励变压器式可控相复励装置可控相复励变压器式可控相复励装置直流磁化绕组直流磁化绕组电磁叠加相复励的电磁叠加相复励的三绕组三绕组直流磁化直流磁化绕组绕组。通过改变该绕组的通过改变该绕组的电流电流改变铁心的改变铁心的磁化程度磁化程度控制各控制各线圈的电抗线圈的电抗控制控制相复励变压器输出相复励变压器输出的励磁电流的励磁电流14.4.2 可控移相电抗器式可控相复励装置可控移相电抗器式可控相复励装置用饱和电抗

23、器取代固用饱和电抗器取代固定的移相电抗器。定的移相电抗器。电流叠加；电流叠加；AVR输出输出直流直流控制移相电抗器控制移相电抗器饱和程度，改变电抗饱和程度，改变电抗值。用调节相复励空值。用调节相复励空载分量消除偏差。载分量消除偏差。14.4.3 可控电抗器分流的调压器可控电抗器分流的调压器电流叠加；电流叠加；AVRAVR控制控制交流侧交流侧分流，分流，控制移相电抗器控制移相电抗器饱和程度，从而饱和程度，从而改变分流（连续）改变分流（连续）也是调节空载分也是调节空载分量。量。14.4.4 交流侧晶闸管分流的调压器交流侧晶闸管分流的调压器晶闸管并联在相复励装晶闸管并联在相复励装置的交流侧实现交流侧置的交流侧实现交流侧的分流（断续）作用。的分流（断续）作用。电流叠加；电流叠加；AVRAVR控制分控制分流，也是调节空载分量流，也是调节空载分量14.4.5 直流侧晶闸管分流的调压器直流侧晶闸管分流的调压器 与交流侧晶闸管分流与交流侧晶闸管分流的可控相复励装置不同的的可控相复励装置不同的是晶闸管并联在直流侧。是晶闸管并联在直流侧。 综上所述综上所述,可控相复可控相复励自动调压装置具有调压励自动调压装置具有调压精度高精度高,无功功率分配均无功功率分配均匀