船舶电站 第04章 船舶同步发电机电压及无功功率自动调整

1、第四章 船舶同步发电机电压及无功功率自动调整o第一节 概述o第二节 相复励原理o第三节 可控硅励磁装置o第四节 可控相复励原理o第五节 无刷励磁o第六节 并联运行的同步发电机之间无功功率 的分配与稳定第一节 概述o 船舶电网电压波动的原因-负载变动n 一是负载的功率因数不变，负载电流幅值变化;n 二是负载电流幅值不变，而功率因数变化。同步发电机矢量图o 当忽略发电机电枢电阻并考虑发电机为隐极型式时，电压平衡方程式为 式中： 发电机端电压； 发电机空载电势； 发电机电枢电流； 发电机同步电抗。dXI jEUdXUEI几点说明：o 当E不变，而I的幅值或相位变化时，都将引起U的幅值变化。o 由 可

2、知，f和 的变化也将引起E的变化，从而使U变化。o 若励磁电路中存在半导体元件，则环境温度也最终会影响到发电机输出电压的大小。4.44mEnfmdXI jEU电压变化率、电压调整率o USM表示电压稳态极大值Usmax或极小值Usmin; UDM表示电压动态极大值UDmax或极小值UDmin%100%SMNSNUUUU0%100%DMDNUUUU式中： 发电机额定电压，V； 动态变化前的电压，V。NU0U国标规定-1o 1991年版中华人民共和国船舶检验局内河钢船建造规范3. 2. 2条规定 交流发电机连同其调整装置，在原动机正常速度特性情况下、当发电机的负载自空载至满载之间的任一负载时，并使

3、功率因数保持额定值，发电机的稳态电压变化率应不超过额定电压的 2. 5%。应急发电机的稳态电压变率应不超过额定电压的 5%，额定容量小于50kVA的交流发电机，其稳态电压变化率应不超过额定电压的 5% 。国标规定-2o 1996年版中国船级社的钢质海船入级与建造规范4. 1.7.2条规定n 由调速特性符合第3篇第7章或第8章或第9章要求的原动机驱动的交流发电机连其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载范围内，且其功率因数为额定值情况下，保持其稳定电压的变化率在额定电压的 2. 5%以内。应急发电机可允许为 3.5%以内。国标规定-3o 1996年版中国船级社的钢质海船入级与建造规范4.1.7.3

4、条规定n 交流发电机在负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值状态下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4(滞后)的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%；当电压上升时，其瞬态电压值应不超过额定电压的120%，而电压恢复到与最后稳定值相差3%以内所需的时间应不超过1.5s。船用自动励磁调整装置的要求1.电压变化率；2.有足够的强励能力；3.电磁兼容性 (electromagnetic compatibility)；4.自励起压性能。 交流同步发电机励磁系统分类(1)(1)()碳阻式带直流励磁机 (2)磁放大器式(3)相复励他 励同步励磁机(带旋转整流器)带交

5、流励磁机无刷励磁(2)异步励磁机交流同步发电机励磁系统分类(1)( 2 )(3 )( 4 )(1)()(3 )(1)( 2 )(1)( 2 )(3 ) 电 流 迭 加电 抗 移 相电 压 迭 加谐 振 式 不 可 控 相 复 励电 磁 迭 加磁 分 路曲 折 联 接可 控 电 流 互 感 器可 控 相 复 励可 控 硅不 可 控 相 复 励( 2 ) 控 制 励 磁 电 流 交 流 侧 分 流静 止 自 励饱 和 电 抗 器电 压 校 正控 制 励 磁 电 流 直 流 侧 分 流无 电 流 复 合可 控 硅 励 磁有 电 流 复 合基 本 型三 次 谐 波 励 磁基 波三 次 谐 波 混 合

6、励 磁混 合 励 磁电压 校 正 器交流同步发电机励磁系统分类(1)(2)(3)可控相复励+无刷励磁混 合三次谐波励磁无刷励磁无刷励磁采用旋转可控硅整流器第二节 相复励原理o 自励自励：指从发电机电枢输出端取出一部分电能，经适当变换后用于自身励磁。o 根据负载电流的大小变化作出的调整作用叫复励作用复励作用；o 根据负载电流的相位变化作出的调整作用叫相位补偿作用相位补偿作用。o 综合起来叫做相复励作用相复励作用。励磁电流：o 设发电机磁路不饱和，令 ，则o 空载时I=0，为了维持空载电压，发电机需要空载励磁电流；负载时，为了保持端电压U不变，励磁电流必须增加第二部份，用来补偿电枢反应的作用。发电

7、机恒压的励磁电流规律fIKE1IKjXUKIdf111u 励磁电流的第一部分与端电压有关，叫电压分量电压分量。u 第二部分与负载电流有关，叫电流分量电流分量。 IKjXUKIdf111相复励原理o 原理n 发电机恒压的励磁电流规律o 分类：n 一、电流相加相复励n 二、电磁相加相复励一、电流相加相复励装置交流侧电流相加电流相加相复励的等值电路o 条件n忽略电抗器LC的电阻，设其电抗值为XLc；n忽略电流互感器的损耗 ；n设原、副边匝数比为Ki,则副边电流I =KiI。nI的大小仅与I有关而与副边回路阻抗无关，即TA副边可看作一个电流源。励磁电流求解先考虑电压源作用，将电流源开路。 再考虑电流源

8、作用，将电压源短路所以，总励磁电流LCffujXRUIIKjXRjXIiLCfLCfiIKjXRjXjXRUIIIiLCfLCLCffifuf几点讨论：o 只要选择 ，就可保证发电机端电压恒定。o 的意义：代表整流器代表整流器UR交流侧的励磁电流交流侧的励磁电流； o 电抗器LC是实现复励作用的必要条件，通常称电抗器LC为“复励阻抗复励阻抗”。o XLC的大小一旦确定，就不希望它变化 ，因此在铁心中保留有一段间隙，保证磁路不饱和，电抗值XLC是常数。因此，LC又叫“线性电抗器线性电抗器”。,fLCiidLCRjXK KXXIKjXRjXjXRUIIIiLCfLCLCffifuffI相复励装置励

9、磁电流矢量图相复励的作用o 1.复励作用o 2.相位补偿作用相复励的作用二、电磁相加相复励装置电磁相加相复励装置单相电路单相等值电路发电机自励起压过程特性曲线第三节 可控硅励磁装置o 可控硅励磁装置单相原理图基本原理n 取发电机端电压经变压器降压或直接作为可控硅主电路电源；同时发电机端电压经降压、整流、滤波后转换成平滑的直流电压，该电压与端电压大小成比例、通过与给定电压作比较，取得两者的偏差值，再用来控制可控硅的移相触发电路，调节可控角的导通角大小，从而实现对可控硅输出的励磁电流的调节。 控制系统方块图应用受到限制的原因o 1)这种自励型发电机系统的自激起压能力差自激起压能力差，因此必须附加发

10、电机起压辅助环节。o (2)当电网发生短路、电压大幅度跌落时，可控硅励磁装置无法提供必要的励磁电流无法提供必要的励磁电流，更谈不上强励能力了。o (3)可控硅提供的励磁电流直接由发电机供给，在可控硅触发导通瞬间导通瞬间会造成发电机端电压波形变形端电压波形变形;其提供的励磁电流中也含有丰富的谐波丰富的谐波成分，又会造成发电机端电压全周期内的变形。o (4)虽然可控硅励磁装置体积小、重量轻，但元件多。若某一元件不可靠，必将影响整个装置的可靠性。第四节 可控相复励原理o 结构n 以相复励为励磁装置主体，加上根据电压偏差信号实现调节的电压校正器(AVR )部分组成。o 功能n 相复励部分保证了发电机的

11、自激起压及强励性能，而且动态性能好，但相复励调节精度不太高。n 由AVR进一步提高调压精度。比较桥路及其特性曲线 ABCRRWWDUiUWUW2UWUU+UOOi-UoUUo(a)(b)基本原理o 当UiUw时，稳压管两端电压为Uw，可得到电压平衡 ， 即 。ABWCDWUUUU2CDABWUUU可控相复励种类 可控移相电抗器形式可控相复励种类 可控电流互感器形式可控相复励种类 可控饱和电抗器分流形式可控相复励种类 可控硅分流形式第五节 无刷励磁励磁机发电机(转子)(定子)1发电机转子(磁场)；2旋转整流器；3励磁机转子(电枢)；4发电机定子(电枢)；5励磁机定子(磁场)；6自动电压调整器(A

12、VR)无刷励磁o 基本思路：把常规发电机定、转子间的电的联系改为磁的联系。o 结构：发电机采用旋转磁场式，其转子为励磁绕组；交流励磁机采用旋转电枢式、其定子为励磁绕组。发电机的励磁绕组和励磁机的电枢绕组固定于同一转轴上，转轴上还有整流器，称为旋转整流器。励磁机的励磁电流则由发电机通过励磁调节装置提供。 改善动态性能的措施o (1)电机采用隐极转子，减小转子漏抗，从而减小暂态电抗Xd，电压恢复时问较短。o (2)在发电机转子上安装完全的阻尼绕组，使次暂态电抗Xd减小。o (3)适当提高交流励磁机的频率，以减小其时间常数。o (4)采用强励性能好的励磁装置。o (5)改旋转整流器为旋转可控硅。采用

13、旋转可控硅的无刷励磁 励磁调节装置GE转子图9-46 有辅助励磁机的无刷励磁系统SNEPE电源信号G励磁调节装置有辅助励磁机的无刷励磁系统 1FC5型无刷励磁装置原理图第六节 并联运行的同步发动机之间功功率的分配与稳定o 发电机并联运行与单机运行n 首先，电网电压(用汇流排电压表示)与各发电机端电压相等，因此每一台发电机的励磁电流的变化将影响整个电网的电压变化。n 另外，当负载要求的总无功功率不变时，还产生了各台发电机承担多少无功功率的问题。o (1)怎样分配才是合理的或是最佳的；o (2)分配不符合要求时，怎样转移各台发电机承担的无功，使之趋于合理；o (3)达到合理分配状态时，能否保持下去

14、，即分配是否稳定。无功功率的合理分配o 钢质海船入级与建造规范4.1.7.6条规定，n 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20%-100%范围内变化时，各发电机组所承担的无功功率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: o 最大机组额定无功功率的10%；o 最小机组额定无功功率的25%。o 我国内河钢船建造规范中也有类似的要求。 o 总之，规范要求无功功率按发电机额定功率比例进行分配。认为这样的分配是合理的。发电机并联工作时的环流 并联运行发电机之间的矢量关系二、无功功率转移o 电势不等，无功分配不均；电势相等，无功也就均匀分配，因此要使无

15、功功率均匀分配必须调整电势。o 调整电势的方法就是调节励磁电流。o 调励磁电流不希望改变电网电压，因此在减少一台发电机励磁电流的同时，必须相应地增加另一台发电机的励磁电流。o 因电网电压不变，自动励磁调节装置是不会进行自动调整的，所以，转移无功的励磁调节是人为的调节或附加装置的自动调节。 三、无功功率分配的稳定性讨论o 1.发电机的调压特性UIQUONUo 2.无差特性 无差特性是呈水平直线的调压特性，即当无功电流IQ变化时，端电压变化U=0的特性。当IQ变化时，去磁的电枢反应变化，必定引起端电压的变化(单机运行时)，但U=0说明自动励磁调整装置AVR在起作用，调节属可控类型。o 3.有差特性 有差特性是指当IQ增大时，U也增大的调压特性。由于自动励磁调节装置的调节作用，U的变化虽存在，但比发电机的外特性上U的变化要小得多。简化看，可认为有差特性是一根略向右倾斜的直线。o 4.调差系数Kc Kc是指调压特性下倾角的正切值，定义值不小于0 当把特性看作一根直线，且U和IQ采用标么值时,Kc表示发电机系统的静态电压调整率cQUKIminmintan0NNNcQNNQNUUUUUKI