第十二章 船舶同步发电机自动调节

第十二章船舶同步发电机的自动调节装置§12—1.同步发电机电压的自动调节§12—2.不可控相复励恒压原理§12—3.晶闸管（可控硅）自动励磁装置§12—4.可控相复励恒压原理§12—5.无刷同步发电机恒压系统§12—6.并联运行同步发电机无功自动分配§12—7.调速器特性与并联有功分配§12—8.自动调频调载原理§12—9.自动分级卸载及自动增减机组学习第十二章应该注意的点第十二章学习应注意的几个问题：1.影响同步发电机电压的因素是什么？《规范》对船舶发电机电压有什么规定？自动调压装置的调节原理有几类？各有什么特点？2.不可控相复励恒压原理是什么？可控相复励恒压原理是什么？3.船舶同步发电机无功功率分配的基本原理是什么？有什么要求？均压线的作用是什么？4.柴油发电机组有功功率是如何分配的？有什么要求？5.自动调频调载装置、自动分级卸载装置有哪些功能？它们的工作过程如何？相对比较难的点：1.相复励的工作原理；2.无功功率分配与调压器特性的关系和有功功率分配与调速器特性的关系。§12—1.同步发电机电压的自动调节影响电压因素：主要是电枢反应，还有内阻压降。——因此需恒压。自动调压装置的功能：主要功能：⑴.自励起压；⑵.满足静态电压调整；⑶.满足动态电压调整；⑷.强行励磁；⑸.合理分配无功功率。规范要求：

⑴.静态电压调整：主发电机≤±2.5%；应急发电机≤±3.5%。

⑵.动态电压调整：突加/减50%额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）的对称负载时，动态电压变化率应≤±15%，恢复时间≤1.5秒。强行励磁：——电压突然下降很大时，励磁电流升高至最大。目的：⑴.保证系统运行；⑵.选择性保护装置准确动作。合理分配无功：——保证并联运行发电机能最大限度地发挥其功效（不会一台过载，另一台仍有很大的余量）。自动调压装置的分类：

分类方法：——很多，通常3种：①.按直流励磁电流的获取方式分；②.按自动调压的作用原理分；③.按励磁装置的组成元件分。按励磁电流分1.直流励磁机他励；2.静止自励（静止——无旋转，大功率半导体整流元件）；3.交流励磁机他励（无刷同步发电机）。——各自特点。这部分内容应注意——各自特点。按调压作用分1.按电压偏差调节（静态精度高、动态特性差）；2.按负载扰动调节（动态性能好、及时，静态精度较差、精度低）；3.复合调节（按负载扰动为基础，同时采用AVR——按电压偏差）。（动、静态性能都较好，结合前两者的优点）按装置元件分1.相复励；2.三次谐波励磁；3.晶闸管励磁。[第一节要点]：功能（具体含义，规范要求）；分类（方法和特点）。§12—2.不可控相复励恒压原理相复励自励恒压装置：

相复励：既反映电流的大小，也能反映电流相位的（同步发电机）励磁电路称为相位复励线路，简称相复励线路。

发电机输出电压变化的原因：1.输出电流大小变化（电枢反应程度变化）；2.输出电流的相位变化（电枢反应性质、或分量变化）。恒压的方法：励磁电流根据输出电流的大小和相位进行控制。特点：①.动态性能优良，能在恶劣环境下可靠工作；②.静态精度较差（由于同步发电机的调节特性是非线性的，相复励线路不能完全准确按调节特性来调节励磁。因此，相复励尤其是不可控相复励线路的静态精度较差）。类型：类型较多，通常可归纳为三种方式：——①.按电流叠加；②.电磁叠加；③.按电势叠加。电流叠加相复励自励恒压装置：组成原理：图12-2-1电流互感器CT测量输出电流大小，输出电压经移相电抗器x，移相90°，然后进行电流叠加，再经过整流后得到直流励磁电流。等效电路：

对称三相电流叠加相复励线路是最典型的线路，其等效电路、励磁电流解析式和相量图等分析结果也适合其它线路。电流叠加相复励线路单线图励磁电流大小分析：——复励线路的单线图如图12-2-2所示。将励磁回路直流电阻等效到交流侧（用三相电阻代替实际直流电阻），得到一相等效电路（图12-2-3），根据电路定律，可得到励磁电流表达式（12-2-1/2）：电流分量称为复励分量；电压分量称为空载分量。电容C1C2C3起压用，谐振电容。等效电路补偿原理：复励原理：1.电流大小变化、相位（滞后）不变时根据调节特性，滞后的电流增加，电枢反应的去磁作用增强，要保持电压不变，应增大励磁电流。由相量图分析可知，相复励线路满足这一要求。2.电流大小不变、相位更加滞后时相复励线路也将使励磁电流增大。

移相电抗器的作用：是使电压移相90°。否则，电压和电流的相位关系就不是复励时的关系，不能满足励磁电流既随负载电流的变化、又随负载电流相位变化而变化（只随电流大小变化，失去相位补偿作用），也就不能满足相复励要求。（有复励补偿，无相位补偿）。

移相电抗器的结构：带气隙的铁心线圈。——铁心线圈才有足够的电感值；带气隙才能保证磁路不饱和，才能得到线性的电感元件，而只有线性元件才能有足够的控制精度。移相电抗器：电磁叠加的相复励自励恒压装置：根据变压器的磁势关系，可得到平衡方程式：即：。调节由变压器的匝数，可获得比电流叠加相复励更好的复励恒压特性。交流侧电势叠加相复励自励恒压装置：电势叠加，电流互感器与电压检测信号串联，与电抗并联。起压和参数调整：起压：自励靠很小剩磁电压，为了克服二极管死区，采用谐振电容。调整：空载调移相电抗器的气隙或匝数；满载偏差调电流互感器匝数或三绕组变压器电流线圈匝数。[第二节要点]：不可控相复励种类和原理；自励起压方法；参数调节。§12—3.晶闸管（可控硅）自动励磁装置测量比较电路：特点：1.优点：动态性能好(惯性小、体小重轻、成本低、易系列)；2.缺点：——产生干扰，强励能力差，元件抗“过流、压”能力差。组成：测量比较、移相触发、可控整流、保护起励——四部分电路。原理：测量偏差，控制晶闸管导通角和励磁电流，控制主发电机电压。

作用：测量发电机电压，要求有较高的灵敏度、稳定性和线性度、动态性能。电路：单相、三相测量整流和三相测量六相整流。——视具体要求定。单相性能较差：要求准确，则需要较强滤波，从而影响动态性能。三相测量六相整流性能最好，但用元件多。测量电路：比较电路：

作用：把测量整流电路输出的电压与基准电压比较,得到一个反映发电机电压偏差的直流电压信号。

特性：图12-3-2比较电路的特性是“先正反馈，后负反馈”。移相触发电路：

在各种励磁调节装置中，触发器形式可控整流主电路：

与一般可控整流同，有：单相半波、桥式，三相桥式等。多样，主要有：单结晶体管、单稳态、三极管、阻塞振荡器等触发器。保护和起励电路：保护电路：对元件保护，通常有阻容保护、快熔保护等。起励电路：剩磁电压低不能触发，用图12-3-3触发。若无剩磁则还有“充磁”电路。[第三节要点]：晶闸管自动励磁装置（组成，特点）；各电路的作用。§12—4.可控相复励恒压原理

不可控相复励精度不高，采用复合式励磁装置即为可控相复励。可控相复励：基本励磁相复励，辅助励磁晶闸管或电磁型电压调节器。可控相复励变压器式可控相复励装置：

组成：基本励磁“电磁叠加”；AVR控制“直流磁化绕组”。(改变输出)

直流磁化绕组的直流电流可改变磁路的磁导率，使交流绕组的电抗改变，从而改变相复励变压器的输出电流。（磁放大器原理）单线原理图等效电路图磁放大器其它可控相复励装置：组成原理：基本励磁：电流叠加；AVR控制移相电抗器的饱和程度，改变电抗值。用调节相复励空载分量消除偏差。原理：电流叠加；AVR控制分流，也是调节空载分量。原理：电流叠加；AVR控制分流，也是调节空载分量。可控电抗器分流的可控相复励装置：可控移相电抗器式可控相复励装置：直流侧晶闸管分流的可控相复励装置：交流侧晶闸管分流的可控相复励装置：原理：电流叠加；AVR控制直流侧分流，直接调节励磁。[第四节要点]：可控相复励装置的组成、原理和特点；实现方法（几种）。§12—5.无刷同步发电机恒压系统无刷同步发电机的结构：两台同步发电机同轴安装，一台主发电机为转极式，一台励磁机为转枢式。图12-5-1是其一种励磁系统原理图。

恒压原理：

励磁机：两个励磁绕组，主磁通为这两个绕组共同产生。基本励磁：电流叠加相复励（励磁绕组F1），辅助励磁由AVR提供（励磁绕组F2）。单线原理图AVR原理框图图12-5-2为AVR的框图，AVR根据检测的发电机实际电压与给定电压比较，得到电压偏差信号的大小和方向，然后向励磁绕组F2提供辅助励磁电流以消除电压偏差。无功功率的自动调整：无功功率自动调整由图12-5-3线路完成。单机运行时，差动电流互感器DCT的绕组B被另一台机主开关常闭触头短接，无功功率自动调整不起作用。并联运行时，若无功功率分配不均匀，则两台发电机的电压不相等，两机之间将产生无功功率环流，两个B绕组产生的电势大小相等、方向相反，没有电流流过。于是两个A绕组产生均压电势也是大小相等、方向相反，使两台机的AVR向相反的方向调节，直至两台机电压相等，无功功率均匀分配。无功功率均匀分配时，两个B绕组串联短接，A绕组没有均压电势。[第五节要点]：系统的组成；恒压原理；均压。§12—6.并联运行同步发电机无功自动分配无差特性有差特性

无功分配不均危害：铜损增加、效率下降、并联稳定性下降（一台易过载保护，从而都跳闸）。

《规范》规定：当负载在总额定功率20～100%范围变化时，应能稳定运行。功率分配误差应符合：实际承担无功功率与按额定功率分配比例的计算值之差，应不超过最大发电机额定无功的±10%。无功功率分配的基本原理：

调节：通过调节发电机的励磁电流达到无功功率的调节。为了维持电网电压不变，应该两台同时反方向调节。分配与调压器特性有关。

调压特性：调压器特性有两种，无差特性和有差特性。

稳定要求：调压特性都为有差特性，且两特性应尽量一致。特性不一致，无功功率分配不均；若为无差特性或上翘特性则不均且不稳定。均压连接：不可控相复励：保证无功分配稳定性的方法是采用“均压线”。均压线的种类：直流、交流两种。直流均压线：同容量同型号发电机并联时采用。励磁参数一致，可保证励磁电流在任何时候都相同。交流均压线：又称“移相电抗器均压线”，其原理与直流均压线基本相同。主要原因是励磁绕组参数不一致，不能采用直流均压线。调差装置：问题的提出：按电压偏差进行调节的励磁装置，其特性接近无差特性，发电机并联运行时会使无功功率分配不稳定。调差装置：又称“电流稳定装置”。为了并联运行的需要，就应使发电机的调压特性变为具有一定下降率的有差特性。在调压装置上加装的可以改变调差系数的装置，以调节发电机特性的装置，就是调差装置。图12-6-5是一个典型的调差装置。原理：AVR输入电压为：U0≈UCA+Ibsinφ·R发电机的无功分量能反映到AVR的输入端，调节电阻R的值，可使调压特性一致。[第六节要点]：无功分配基本原理（要求）；均压线；调差的目的。§12—7.调速器特性与并联有功分配

《规范》规定，并联运行的交流发电机组，当负载在总额定功率的20～100%范围内变化时，应能稳定运行，其有功功率分配误差在发电机额定功率相同时应不超过发电机额定功率的±10%，功率不同时应不超过最大发电机额定功率的±10%和最小发电机额定功率的±20%。调速器及其调速特性：

调速器：根据原动机实际转速与给定转速的差值对转速进行自动调节。有多种型式，由测量、比较、执行等环节组成。

有功功率分配：与各机调速特性有关。

调速器特性：简单比例（下降）控制器特性，下降率由弹簧刚度决定。加入积分环节为无差特性。

调节：弹簧预紧力增加，特性向上平移；预紧力减小，特性向下平移。发电机并联运行的有功功率分配：

有差特性：并联运行时能随电网负荷变化自动稳定分配有功功率；

理想的特性：差不大的有差，且斜率一致的特性。

无差特性：不能并联运行，——无稳定工作点。

一台有差另一台无差：负荷变化时，有差承受的负荷不变，所有负荷变化都由无差承担。有功功率的转移操作：方法：通过操作调速器电动机的控制开关（在发电机控制屏上），使电动机改变调速器弹簧的预紧力，使特性上下平移。转移负载时必须同时向反方向调节两机组的调速控制开关，才能保持电网频率不变。步骤：图12-7-5说明：刚刚并网运行的发电机，调速器特性2，增加油门后特性为②；运行机特性由1减小油门后为①，有功功率平均分配。[第七节要点]：调速器特性（有无差），有功分配，功率转移方法。§12—8.自动调频调载原理

自动调频调载装置的主要作用：1.保持电网频率恒定；2.按比例分配并联运行发电机负荷；3.解列时自动转移负荷。自动调频调载方法：设置容量足够大的主调发电机，由控制器对油门进行二次调节，承担所有负荷的变化；其它发电机作为基载发电机，工作点为额定频率、额定负载。各基载机特性为有差特性；主调机实现无差特性。按工作原理分：1.虚有差法；2.主调发电机法。（船用虚有差）。虚有差法：主调发电机法：调速器都为有差特性，经过（控制频差和功率差的装置）进行二次调节，使实际电网频率保持额定（无差）、且各机组负荷按容量分配。调速器一次调节未达要求，需二次调。（船上采用）（船上不采用）自动调频调载装置的原理：组成：1.频率变换器；2.有功功率变换器；3.运算环节；4.调整器。

作用：检测实际频率f0与给定频率fn比较得出反映频差大小和方向的频差信号。频率变换器：

一个电站只需要一个频率变换器即可满足控制装置实现频率恒定的需要。

方法：有谐振式和基于波形变换式。基于波形变换式：谐振式：

作用：计算每台发电机应承担功率，及与实际承担功率的差值。只要有偏差，就发出调节信号。运算环节：

每台机都需要检测有功功率。获得一个与发电机实际有功功率成正比的电压信号。原理：图12-8-3，实际采用两个单相并送器测量三相功率（见P.246图15-3-2）。有功功率变换器：

功能：根据运算环节送来的频差和功率差控制发电机调速器马达。具体：1.能判断并决定调速方向；2.适当延时避开动态过程；3.有一定的不灵敏区。调整器：[第八节要点]：调频调载装置组成、功能和调节原理。§12—9.自动分级卸载及自动增减机组自动分级卸载装置：

功能：发电机过载时自动将部分次要负载切除。

作用：1.保护发电机正常工作；2.不间断供电。

ZFX-1型：图12-9-1。——是综合保护装置，可作为发电机的：1.过载保护；2.欠压保护。——通过使发电机分励脱扣线圈动作跳闸。

组成：电流信号变换、检测、两级卸载、过载反时限跳闸，电压检测、延时切断，电源等。

原理：电流为110%Ie（额定电流）开始延时，延时到第一级卸载；若过载仍未消除则继续延时，延时再到第二级卸载；仍然过载则立即使发电机跳闸。若短路电流则立即跳闸。欠压则延时1～3秒跳闸。自动增减运行机组原理：无人机舱对电站自动化的要求。

机组能否起动条件