第八章船舶电站控制与管理技术

第8章同步发电机电压及无功功率自动调整8.1励磁自动调整装置概述8.2励磁自动调整装置的分类8.3励磁自动调节系统的调节原理8.4自动电压调节器8.5自励同步发电机起压条件8.6不可控相复励自励调压装置8.7可控相复励自励调压装置8.8晶闸管励磁自动调整装置8.9并联运行同步发电机之间无功功率的分配8.10无刷同步发电机励磁系统典型电路分析一8.11无刷同步发电机励磁系统典型电路分析二8.1励磁自动调整装置概述8.1.1励磁自动调整装置的作用⑴在船舶电力系统正常运行工况下，维持电网电压在某一容许范围内。⑵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。⑶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装置动作的可靠性。

返回8.1.2励磁自动调整装置的技术指标在负载变动时，励磁调压装置维持发电机端电压的恒定存在一个调整过程，如图8.1所示。

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(稳态)指标和动态(瞬态)指标的要求。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：“交流发电机连同其励磁系统，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的±2.5％以内。应急发电机可允许为±3.5％以内。”2.发电机动态特性

《钢质海船入级规范》对并联运行的各交流发电机组的无功功率的分配要求为：“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：（1）最大机组额定无功功率的±10％；（2）最小机组额定无功功率的±25％。”从使用的励磁自动调整装置的工作原理上来分，大致有下列几类：8.2

励磁自动调整装置的分类不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；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。返回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（ΔU）、负载电流（I）、电流相位（φ）这三个原则来实现的。从这一点出发，又可分为：按电压偏差调整；按电流大小调整；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、电流大小及相位调整。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为换能器。按换能器类型分类有：1.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。目前船舶大多采用交流励磁机励磁系统。2.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。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调节。8.3

励磁自动调节系统的调节原理

返回励磁自动调节系统（以下称调节系统）的被调量是发电机的机端电压U，由于发电机的负载电流大小及其相位变化引起U的变化，调节系统的任务是要把被调量调到所要求的值上。a,b：调节特性曲线a：把电压调回到原来的值上,它的特性可用一条平行横轴的直线表示，——无差特性b：把电压调节到给定值上，即在IN处把电压调到UG，——有差特性被调量电压U随负载电流I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：（8.3）式中：UN为I＝0时的额定值；UG为I=IN时被调量的实际值；KC为调差系数。为了方便计算，一般用百分比来表示：（8.4）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。调差系数在单机运行时表现为负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2.5％以内，带AVR的调节系统可以达到1％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，各发电机的调差特性必须是有差特性，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。8.3.1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UG

，被调量也是机端电压UG，这样的自动调节系统称为“闭环系统”，如图8.3的方框图表示。

8.3.2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因是负载电流大小及相位的变化，只要预先找出机端电压随负载电流大小及相位变化的规律，并按此规律调节补偿发电机所需的励磁电流，就可以维持机端电压在一定水平上。图8.4是按负载电流大小及相位调节的原理方框图。

8.3.3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，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正，可以取长补短获得较好的调节效果。图8.5是综合调节的原理方框图。

返回8.4

自动电压调节器自动电压调节器简称AVR(AutomaticVoltageRegulation)，是按发电机端电压偏差进行励磁调节的装置。当机端电压出现偏差时，调节发电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到允许范围内。返回8.4.1AVR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电机输出端（或抽头）或附加定子绕组等。图8.7表示了几种典型的供电方式。

图（a）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，AVR的电源也取自机端电压；图（b）是AVR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；图（c）是AVR由机端电压经变压器供电。8.4.2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相匹配。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。三相整流波形较单相易于处理。

8.4.3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有差的，负载电流越大、功率因数越低，电压下降越多。而AVR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变AVR的调节特性。这种措施称为“无功电流反馈”或“调差装置”。8.4.4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节整定。AVR提供遥控电压整定电位器R的接口。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控电源。当发电机转速低的时候，发电机端电压也较低，而AVR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过载或AVR输出过载。因此采用这种励磁系统的AVR必须具有低频(转速)保护。图8.7励磁系统的自动电压调节器（a）、（b）返回图8.7励磁系统的自动电压调节器（c）返回返回8.5

自励同步发电机起压条件同步发电机采用自励起压时，其起压过程示意图如图8.8所示。曲线1为发电机的空载特性，曲线2为场阻线，曲线3为采用硒整流器时的场阻线。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）。（2）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）。（3）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）。8.6

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，不带励磁机，属于静止励磁。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图8.9所示返回8.6.2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得出的。为了便于看出电流相位角变化时为保持机端电压不变，电势的变化规律，采用同一电流来讨论。船舶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（0<<1）。如图8.10所示。

返回8.6.3电流叠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8.11所示

如忽略电流互感器的损耗和电抗器的电阻，可用单线等值电路图8.12来表示。

（8.5）根据叠加原理，在时，可得电压分量为

（8.6）当时，可得励磁电流的电流分量为

（8.7）所以，总励磁电流为（8.8）返回当时，可得如图8.13的相量图。

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化情况，图8.14(b)画出了角变化时励磁电流相量的变化情况。

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是将电流分量和电压分量通过变压器T的绕组变换成磁通和

两个磁通合成磁通，在变压器T二次侧产生感应电压，产生励磁电流。图8.15是电磁叠加的电路原理图。

8.6.4三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。其原理图如图8.16(a)所示。1．组成(1)相复励变压器T(2)谐振电容器C(3)移相电抗器L(4)整流器V返回2．工作原理(1)相复励在分析对称三相电路时通常是采用一相来分析。如图8.17所示是相复励变压器的单相等效电路。

图8.18为三绕组相复励装置运行时的相量图。

(2)自励和谐振起励过程相复励变压器T提供发电机空载励磁电流的一次绕组W1是接在发电机输出端，发电机靠自己发电起励建立电压。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，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。发电机自励起压的过程如图8.19所示。

返回从图8.16看出，移相电抗器L和电容器C串联。相复励变压器的电压绕组W1与电容器C是并联的。谐振起励的等效电路图如图8.21所示。8.7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8.22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8.23所示，自动电压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。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，可使发电机的稳态电压变化率达到±1％，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。返回返回8.8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，同步发电机开始采用晶闸管励磁自动调整装置。这种励磁装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（），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，使发电机端电压维持不变。其单线原理电路如图8.24所示。

返回返回在图8.25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：整流主电路由被控制对象同步发电机的电枢绕组、晶闸管元件、续流二极管和励磁绕组等组成。控制电路由测量比较、校正放大、移相触发，必要时还有功率放大、脉冲分配等单元组成。

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：单相半波可控整流电路，如图8.26（a）所示；单相桥式半控整流电路，如图8.26（b）所示；三相半波可控整流电路，如图8.26（c）所示；三相桥式半控整流电路，如图8.26（d）所示。这四种整流电路优缺点的比较，如表8.1所示。

返回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8.27所示。返回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PWM整流器SMR（SwitchedModeRectifier）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，PWMSMR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。此外，SMR和传统的相控整流装置相比较，体积、重量可以大大地减少，动态响应速度快。

8.9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，电网上有几台机组并联运行时，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小，同时会改变无功负载的承担，也会改变电网电压。返回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功率均衡措施

图8.28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。均衡励磁电流的方法有直流均压和交流均压两种。返回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。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”措施。图8.29交叉无功电流补偿原理图返回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。图8.30当E1和E2不相等时，并联同步发电机的电势与电流简化向量图图8.31三台外特性斜率不同的同步发电机并联工作时无功负载分配的情况返回8.10无刷同步发电机励磁系统典型电路分析一西门子IFC5型船用无刷同步发电机。其原理电路如图8.32所示。

8.10.1结构

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）、相复励装置以及自动电压调节器（AVR）等组成。

返回返回8.10.2相复励装置

相复励装置由三只电流互感器（T1、T2和T3）、线性电抗器（L1）、谐振电容器（C1）、复励变压器（T6）和整流器（V1）组成。

图8.33