船舶同步发电机电压及无功功率自动调整(共60张PPT)

第14章船舶同步发电机电压及无功功率自动调整本章的主要讲解内容第一节概述第二节不可控相复励自励恒压励磁系统第三节电流叠加相复励自励恒压装置第四节电磁叠加的相复励自励恒压装置第五节带电压曲折绕组的相复励系统第六节晶闸管自励恒压励磁系统第七节可控相复励自励恒压励磁系统第八节无刷发电机励磁系统第九节船舶同步发电机组间无功功率自动分配第1页，共60页。第一节概述

维持供电电压的稳定是保证供电质量的主要措施之一。然而，电网电压是会经常变化的，船舶电网电压波动比陆上大电网电压波动更为严重，其电压是否稳定取决于发电机的自动励磁调整装置（自动电压调节器）性能。励磁控制系统是发电机的重要组成部分，它的主要任务是根据发电机的各种运行状态，向发电机的励磁系统提供一个可调的直流电流，以稳定发电机的输出电压。性能优良、可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必须的。引起电网电压波动的主要原因是负载变动。负载电流幅值变化或负载性质变化都将引起发电机的电枢反应发生变化，从而引起发电机端电压的变化。船舶负载多是感性的，且变化无规律。

返回第2页，共60页。可见，当不变，而变化，即电流幅值变化或与的夹角变化时，都将引起电压的幅值变化。

当忽略发电机电枢电阻，用同步电抗来表征发电机电枢反应的程度时，电压平衡方程式为：第3页，共60页。基于船舶工作环境的特殊性，对自动励磁调整装置的基本要求是：简单可靠；灵敏度高而稳定；保证电压为给定水平；具有一定的强行励磁能力；合理地分配无功功率以及充分地考虑经济等方面的因素。在一般稳定调整的情况下，船舶电力系统电压的暂态调整过程如图14-1所示。

一、对船用自动励磁装置的要求第4页，共60页。1.静态和动态特性的要求当负载在一定范围内变化时，在不同的负载下，调压器应保证稳定状态时的电压在允许的范围内。这个静态指标，用静态电压调整率

ΔUW

来衡量。当较大负载突变时，瞬时电压变化很大，此瞬时电压也要在规定的允许范围之内，而且恢复的时间越快越好。这个动态指标，用瞬态电压调整率和电压恢复时间来衡量。第5页，共60页。2.强行励磁由提高发电机并联工作稳定性和电动机运行稳定性以及继电保护装置动作的准确性等动态稳定性的观点出发，要求调压器的动作要迅速。解决这个问题的方法之一就是实行强行励磁。也就是要求励磁系统应能保证最短的时间内，把励磁电流升高到超过额定状态时的最大值。3.电磁兼容性这是描述电气设备在规定的电磁环境中有效工作的能力。对励磁装置的电磁兼容性要求主要体现在不干扰其它设备的正常工作这一方面。4.自励起压性能这是对自励类型的励磁装置的要求。保证发电机依靠剩磁从静止起动后能迅速顺利地发出规定的电压。自励类型的励磁装置应用最为普遍。第6页，共60页。二、自励恒压装置的分类及调压原理1.按发电机电压偏差调节发电机在运行中,由于某种原因使得发电机输出

电压与给定的电压出现偏差时,调节器将

根据偏差电压的大小和极性输出校正信号,对发

电机励磁电流进行调节。由于被检测量和被调量

都是发电机端电压，恒压装置与发电机构成一个

闭环调节系统，稳态特性比较好，静态电压调整

率一般均在土1％以内。晶闸管自励恒压装置属于

这种类型。第7页，共60页。2.按负载电流I

和功率因数调节发电机电压的波动,是由于负荷的变化和故障所引

起。如果被测量是发电机的负载电流I

及功率因数。再经调压器去调节励磁电流来稳定发电

机电压。这时被测量和被调量不同，故构成一个开

环调节系统，静态特性比较差，但动态特性较好。

不可控相复励自励恒压装置属于这种类型。第8页，共60页。第9页，共60页。第二节不可控相复励自励恒压励磁系统

返回一、自励同步发电机自励起压基本原理同步发电机按其励磁方式可分为他励和自励的两大类。他励同步发电机的励磁电流是由同步发电机本身之外的单独电源供电，通常是由一小容量的同轴励磁机供电。目前在船舶中普遍使用的是带交流励磁机，经过旋转整流桥的他励发电机励磁系统，称为无刷同步发电机励磁系统，如图14-2所示。第10页，共60页。

自励同步发电机的励磁电流，是由同步发电机本身的定子交流电，通过静止的整流元件供给．自励同步发电机自励回路的单相原理图，如图14-3所示。自励同步发电机的自励起压特性曲线，如图14-4所示。

其中曲线1为同步发电机的空载特性曲线曲线2为自励回路的理想励磁特性曲线

第11页，共60页。同步发电机建立正常空载电压后，在船舶主开关合闸带负载时，由于电枢反应的去磁作用和内部阻抗压降，其端电压必然要降低，如图14-5发电机外特性中曲线1所示。因此，必须采用恒压措施。既然是负载电流变化引起了发电机端电压的变化，因而也就可以利用进行复式励磁的方法，以附加励磁电流来调整。二、不可控相复励恒压的基本原理图14-6复式励磁

图14-7电流叠加相复励调压图14-8相复励矢量图图14-9电磁迭加相复励图14-10电势迭加相复励第12页，共60页。第三节电流叠加相复励自励恒压装置

返回假设发电机磁路不饱和，发电机转速恒定，则相复励的控制规律就可用下式表示图14-11是电流叠加相复励装置原理图。图14-12为单相电流叠加相复励等值电路图第13页，共60页。

第14页，共60页。图14-13是励磁电流的相量图。图14-13励磁电流的相量图第15页，共60页。第四节电磁叠加的相复励自励恒压装置

图14-14所示为电磁叠加的相复励自励恒压装置。该装置共有三套绕组，又称为三绕组相复励变压器。返回相复励装置的调试:发电机空载电压,可通过调节电压分量来调整；发电机带负载后电压,可通过调节电流分量来调整。

第16页，共60页。第五节带电压曲折绕组的相复励系统

有电压曲折绕组相复励自励恒压装置的原理接线图，如图14-15所示，该装置与前述三绕组相复励装置相比，该装置的TE中又多了一套绕组N4，因此该装置又称为四绕组相复励变压器。绕组N4称为电压曲折绕组。N4与N1在同一个三相铁芯柱A、B、C上，N1的三相A,B,C分别与N4的三相B、C、A反接串联。它的联接规律是N1总是与滞后相铁芯柱上的N4反接串联。电压曲折绕组N4的作用是进一步加强功率因数变化时的相位补偿,以提高调压器的静态调整特性。返回第17页，共60页。第六节晶闸管自励恒压励磁系统晶闸管自励恒压装置原理，如图14-16所示。返回晶闸管自励恒压装置原理主要由测量移相比较环节,触发控制环节及励磁主回路三大环节组成。

1.测量比较环节测量比较环节中包括测量滤波及比较两个回路，其作用是采样发电机电压并经整流器变换为直流电压，与给定的基准电压值相比较，得出偏差信号，该偏差信号经放大后去控制发电机的励磁。所以，测量比较环节的性能,直接影响励磁系统的动态和静态特性。通常要求测量比较电路具有较好的稳定性、线性度，足够的灵敏度，以及优良的动态性能。第18页，共60页。（1）测量回路该系统测量回路主要由测量变压器TC,和整流滤波电路VD组成.测量回路通常采用单相全波桥式整流、三相全波桥式整流、六相全波桥式整流，整流相数越多，则输出电压越平稳。图14-17为单相全波桥式整流、三相全波桥式整流、六相全波桥式整流电路图。为了得到平稳的直流电压需要滤波电路，滤波电路通常有T型滤波、双T型滤波和桥式滤波等几种。第19页，共60页。（2）比较电路比较电路大多采用桥式比较电路,其作用是把测量整流电路输出的电压与基准电压相比较，得到一个反映发电机电压偏差的直流电压信号。由于稳压管具有恒压特性，它常被用作比较电路的基准电压元件。图14-18为双稳压管桥式比较电路及特性。第20页，共60页。2.移相触发环节及励磁主回路（1）移相触发环节触发控制回路,主要由移相及脉冲形成电路组成。根据比较电路输出的偏差电压UK的大小和极性，移相电路对晶闸管发出相应控制触发角的脉冲，调整晶闸管的导通角。由于三相桥式可控整流器能随电压偏差而输出相应的励磁电流，使电压保持恒定，所以具有良好的静态电压调整特性。（2）励磁主电路励磁装置中的可控整流电路与一般的可控整流电路相同，如图14-19所示有单相半波、单相桥式、三相桥式可控整流电路等几种。

第21页，共60页。第七节可控相复励自励恒压励磁系统返回前述的相复励装置,虽然具有动态性能好,强励能力强等特点，但其调压精度不高。调压特性的线性度差。为此在按进行不可控相复励调压的基础上，又加上了一个按进行微调的自动电压调节器AVR（AutomaticVoltageRegulator）。这就是所谓可控相复励自励恒压励磁系统，其原理图如图14-20所示。第22页，共60页。可控相复励自励恒压装置，采用在电磁迭加相复励装置的三绕组变压器中加一个直流磁化绕组的方法。自动电压调节器AVR通过改变直流磁化绕组中的电流来改变变压器铁芯的磁化程度，从而控制相复励变压器的各交流励磁线圈的电抗，以控制相复励变压器的输出电流，如图14-21所示。一、可控相复励变压器式可控相复励装置第23页，共60页。二、可控移相电抗器式可控相复励装置可控移相电抗器式调压器原理图如图14-22所示。这种装置的基本励磁装置为电流相加的相复励装置，不同的是移相电抗器用饱和电抗器取代固定电抗器。AVR按电压偏差输出相应的直流来控制饱和电抗器的饱和程度，以调节相复励装置交流侧电流,从而消除电压的偏差。第24页，共60页。图14-23所示为可控电抗器分流的调压器的单相原理图。它在整流器的交流侧并联一个三相饱和电抗器，进行交流侧的分流控制。当出现电压偏差时，AVR的电流IT控制饱和电抗器的饱和程度，从而改变分流，以达到调压的目的。返回三、可控电抗器分流的调压器第25页，共60页。图14-24所示为交流侧晶闸管分流的调压器单线原理图。晶闸管并联在相复励装置的交流侧实现交流侧的分流。当电压出现偏差时，AVR输出与电压偏差相应的触发电流,改变晶闸管的导通角进行分流。通常在晶闸管电路中串联一适当的阻抗，以限制晶闸管导通时的分流电流,。与饱和电抗器交流侧分流的电路相比,晶闸管分流是断续的,而饱和电抗器交流侧分流是连续的。返回四、交流侧晶闸管分流的调压器第26页，共60页。直流侧晶闸管分流的调压器单线原理图如图14-25所示。它与交流侧晶闸管分流的可控相复励装置不同的是晶闸管并联在直流侧，工作原理大致相同。返回五、直流侧晶闸管分流的调压器

第27页，共60页。第八节无刷发电机励磁系统

同步发电机转子的励磁电流，是通过电刷和滑环引进

发电机励磁绕组。由于电刷的磨损，增加了维护和保

养工作，磨损产生的碳粉又会导致发电机绝缘下降，

产生的电火花不仅会影响无线电通讯，在油轮上使用

极为危险。为从根本上解决这一问题，采用了具有同

轴交流励磁机和旋转硅整流器的无刷同步发电机。

图14-26为无刷同步发电机励磁系统返回第28页，共60页。第九节船舶同步发电机组间无功功率自动分配

当两台并联运行发电机的电压不相等,而频率、相位相等时,则在两机组之间将产生一个无功性质的环流,其结果将使电压较高的发电机输出无功功率增大,而电压较低的发电机输出的无功功率减少（发电机负载电流功率因数低的,无功功率大；功率因数高的,则无功功率小）。由此可见,当同步发电机并联运行时,通过改变发电机的励磁电流来调节其电势,即能调整无功输出、实现无功功率转移。

通常同步发电机都配有自励恒压装置来自动调整发电机的电压，因此同步发电机有一定的电压调整规律，也称电压调整特性。

图14-27为电压调整曲线（电机端电压UG随无功电流IQ变化的规律）

图14-28为并联运行无功功率分配返回第29页，共60页。1．直流均压线图14-29是直流均压连接线路图。直流均压连接法又称转子均压连接法。它只适用于同容量同型号发电机的并联运行。它是将并联运行发电机的励磁绕组用两根均压线并联起来。均压线的接通和断开与发电机主开关相互连锁。图中KA1和KA2为均压线连接接触器，分别由主开关常开副触头控制。有了直流均压线后，就能使励磁电流随无功负载的变化而相应变化，以保证无功负载分配均匀。例如：当一台发电机励磁电流大于另一台的励磁电流时，均压线上产生均衡电流，均衡电流是从励磁电流较大的发电机流向励磁电流较小的发电机，使前者励磁电流减少，后者励磁电流增加，直至两台发电机励磁电流接近相等时为止。图14-29中也有的加入电阻R0，其作用是减小并车时产生的冲击电流。第30页，共60页。在发电机并联运行时，其无功功率的分配是由自动电压调整器来自动完成的。再经调压器去调节励磁电流来稳定发电船舶负载多是感性的，且变化无规律。电机励磁电流进行调节。第三节电流叠加相复励自励恒压装置自励同步发电机的自励起压特性曲线，如图14-4所示。测量回路通常采用单相全波桥式整流、三相全波桥式整流、六相全波桥式整流，整流相数越多，则输出电压越平稳。电压曲折绕组N4的作用是进一步加强功率因数变化时的相位补偿,以提高调压器的静态调整特性。解决这个问题的方法之一就是实行强行励磁。二、不可控相复励恒压的基本原理自励同步发电机的自励起压特性曲线，如图14-4所示。它与交流侧晶闸管分流的可控相复励装置不同的是晶闸管并联在直流侧，工作原理大致相同。当两台发电机电势不相等时,通过交流均压线的联接可使发电机输出电压均衡,以保持无功功率均匀分配。2．交流均压线对容量不同的同步发电机并联运行,可采用交流均压线,如图14-30所示。图中，两台发电机调压装置的移相电抗器通过均压线并联,该连接处在三相整流器之前的交流侧。当两台发电机电势不相等时,通过交流均压线的联接可使发电机输出电压均衡,以保持无功功率均匀分配。第31页，共60页。3、电流稳定装置在按电压偏差进行调压的励磁系统中，调差系数KC一般是很小的，甚至几乎接近是无差的。这样，在发电机并联运行时，就会使无功功率的分配不稳定。为了使调压特性曲线为具有足够倾斜度的有差调整特性，且KC相同，稳定平均的分配无功功率，所以在调压器上加装了可以改变调差系数的装置，因其作用就是利用电流信号，通过调压器作用，以使无功电流的分配稳定，故称做电流稳定装置。图14-31是电流稳定装置原理图。图14-32是某船两台发电机无功分配连接图。第32页，共60页。判断两机之间的无功功率分配是否均匀，可以采用以下两种方法：（1）机组并联运行，两台发电机功率表（有功）指示基本相同而电流表指示相差太大时，说明无功分配装置存在故障；（2）机组并联运行，两台发电机功率表（有功）指示基本相同而功率因数表(cosφ表)指示相差较大时,说明无功分配装置存在故障。在发电机并联运行时，其无功功率的分配是由自动电压调整器来自动完成的。但是如果电器元件出现故障，也会使无功分配装置出现故障。第33页，共60页。下面以均压线连接为例来分析故障排除的方法，重点检查均压接触器：（1）检查接触器是否通电动作，检查线圈本身、发电机主开关常开辅触点、熔断器、导线及相应接线柱等，或修复或更新；（2）检查接触器触点是否可靠闭合，或打磨修理或更新。如果触头接触不良，会使均压线断路，并车时不易并上，即使空气开关能合闸，发电机也不能稳定地并联运行，两台发电机的电流可能同时急剧上升，直至发电机的主开关保护动作而跳闸。第34页，共60页。返回图14-1船舶电力系统电压暂态调整特性曲线第35页，共60页。返回图14-2无刷励磁控制系统原理图第36页，共60页。返回图14-3自励同步发电机自励回路的单相原理图图14-4自励起压特性曲线第37页，共60页。返回图14-5外特性曲线

图14-6复式励磁

第38页，共60页。返回图14-7电流叠加相复励调压图14-8相复励矢量图第39页，共60页。返回图14-9电磁迭加相复励图14-10电势迭加相复励第40页，共60页。返回图14-11电流叠加相复励装置原理图第41页，共60页。返回图14-12单相电流叠加相复励等值电路图第42页，共60页。返回图14-14电磁迭加相复励自励恒压装置第43页，共60页。返回图14-15带有电压曲折绕组相复励自励恒压装置的原理图第44页，共60页。返回图14-16晶闸管自励恒压装置原理图第45页，共60页。返回图14-17单相全波桥式整流、三相全波桥式整流、六相全波桥式整流电路图第46页，共60页。返回(a)直流测量电桥比较电路

(b)特性输出图14-18双稳压管桥式比较电路及特性第47页，共60页。返回(a)单相全波半控(b)三相