船舶电气设备及系统课件12第十二章发电机调节

第十二章船舶同步发电机的自动(zìdòng)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(bìnglián)运行同步发电机无功自动分配§12-7.调速器特性与并联(bìnglián)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第一页，共45页。学习(xuéxí)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因素，《规范》对船舶发电机电压的规定(guīdìng)，自动调压装置的调节原理类型、特点；2.不可控相和可控相复励恒压的原理；3.发电机无功功率分配的基本原理、要求，均压线的作用；4.柴油发电机组有功功率分配、要求；5.自动调频调载装置、自动分级卸载装置的功能和工作过程；本章主要是原理性的概念不要求计算。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。第二页，共45页。本节主要内容(nèiróng)有两个部分1.自动调压装置的功能：主要掌握功能、《规范》具体要求。2.自动调压装置的分类：——两种分类方法主要掌握各类的特点第三页，共45页。影响电压因素：电枢反应、内阻压降。∴需恒压。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。规范调整要求：⑴.静态电压：主发电机≤±2.5%；应急发电机≤±3.5%。⑵.动态电压：突加/减50%额定电流及功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)不超过0.4（滞后）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：电压突然大降时，使励磁电流升至最大。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）。一、自动调压装置(zhuāngzhì)的功能第四页，共45页。分类方法：通常3种：①.按直流励磁电流获取方式分；②.按自动调压作用原理分；③.按励磁装置组成元件分。按励磁电流分：1.直流励磁机他励；2.静止自励（不是旋转的，大功率半导体整流元件，有刷同步发电机）；3.交流励磁机他励（无刷同步发电机）。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(fùhé)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，结合两者优点。按装置元件分：1.相复励；2.三次谐波励磁；3.晶闸管励磁。——这部分注意各自特点。[第一节要点]：功能(gōngnéng)（具体含义，规范要求）；分类（方法和特点）。二、自动(zìdòng)调压装置的分类第五页，共45页。§本节主要内容有五个部分1.相复励自励恒压装置；2.电流叠加相复励自励恒压装置；3.电磁叠加相复励自励恒压装置；4.交流侧电势叠加相复励自励恒压装置；5.相复励装置的起压和参数调整。主要掌握相复励自励恒压装置的原理(yuánlǐ)和各种相复励各自的特点。第六页，共45页。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原因：1.输出电流大小变化（电枢反应(fǎnyìng)程度变化）；2.输出电流相位变化（电枢反应(fǎnyìng)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的变化进行相应的调整、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非线性，相复励线路不能完全准确按调节特性来调节励磁。∴相复励尤其是不可控相复励线路的静态精度较差）。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。一、相复励自励(zìlì)恒压装置第七页，共45页。二、电流叠加相复励自励(zìlì)恒压装置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(lìcí)电流解析式和相量图等分析结果也适合其它线路。电流(diànliú)叠加相复励线路等效电路

等效电路：单线图电容C1C2C3起压用，谐振电容。——其它线路都省略。第八页，共45页。组成(zǔchénɡ)原理：图12-2-1电流互感器CT测量输出电流大小，输出电压经电抗器x移相90°后，再进行电流叠加，经过整流后得到直流励磁电流。励磁电流大小分析：复励线路单线图如图12-2-2。将励磁回路直流电阻等效到交流侧（用三相(sānxiānɡ)电阻代替实际直流电阻），可得一相等效电路（图12-2-3）。由电路定律，且∵R>>x，∴励磁电流表达式（12-2-1/2）为：等效电路原理(yuánlǐ)分析电流分量称为复励分量；电压分量称为空载分量。第九页，共45页。补偿(bǔcháng)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(bǎochí)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。∵电压分量移相90°，才使总励磁电流适应(shìyìng)无功电流变化。第十页，共45页。移相电抗器的作用：是使电压移相90°。否则，电压和电流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(bǔcháng)作用），也就不能满足相复励要求。（有复励补偿(bǔcháng)，无相位补偿(bǔcháng)）。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。

移相电抗器第十一页，共45页。三、电磁叠加相复励自励(zìlì)恒压装置根据变压器的磁势关系，可得到平衡(pínghéng)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。电磁叠加是在磁路中的叠加，但其大小和相量关系与在电路中叠加是一样的。第十二页，共45页。电势叠加，电流互感器与电抗(diànkàng)并联，则合成电势移相90°。四、交流侧电势(diànshì)叠加相复励自励恒压装置移相后的电流互感器电势信号(xìnhào)再与电压检测信号(xìnhào)串联（叠加）。第十三页，共45页。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：1.空载偏差：调节(tiáojié)移相电抗器的气隙或匝数；2.满载偏差：调节(tiáojié)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(fāngfǎ)；参数调节。五、相复励装置(zhuāngzhì)的起压和参数调整第十四页，共45页。§12-3.晶闸管（可控硅）自动(zìdòng)励磁装置本节主要内容(nèiróng)有四个部分1.测量比较电路；2.移相触发电路；3.可控整流主电路；4.保护和起励电路。主要掌握晶闸管自励恒压装置的组成、原理和特点。第十五页，共45页。特点(tèdiǎn)：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。晶闸管自励(zìlì)恒压装置概述第十六页，共45页。一、测量(cèliáng)比较电路测量电路

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：若要求准确，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。第十七页，共45页。比较(bǐjiào)电路作用：把测量整流电路输出(shūchū)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。比较(bǐjiào)电路的特性：先正反馈，后负反馈。（图12-3-2）第十八页，共45页。与一般(yībān)可控整流同，有：单相半波、桥式，三相桥式等。保护电路：对元件(yuánjiàn)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(zìdòng)励磁装置（组成，特点）；各电路的作用。二、移相触发电路三、可控整流主电路四、保护和起励电路

在各种励磁调节装置中，触发器形式多样，主要有：单结晶体管、单稳态、三极管、阻塞振荡器等触发器。第十九页，共45页。§12-4.可控相复励恒压原理(yuánlǐ)本节主要内容有五个部分1.可控相复励变压器式可控相复励装置；2.可控移相电抗器式可控相复励装置；3.可控电抗器分流(fēnliú)的可控相复励装置；4.交流侧晶闸管分流(fēnliú)的可控相复励装置；5.直流侧晶闸管分流(fēnliú)的可控相复励装置。本节主要掌握各种可控相复励装置的“可控原理”，即通过什么实现“可控”。第二十页，共45页。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。基本励磁：相复励，辅助励磁：可控。组成：基本励磁：“电磁叠加”；可控：AVR控制“直流磁化(cíhuà)绕组”。——可改变输出绕组。直流磁化绕组直流电流可改变(gǎibiàn)磁路磁导率，使交流绕组电抗改变(gǎibiàn)，从而改变(gǎibiàn)相复励变压器输出电流。（磁放大器原理）单线(dānxiàn)原理图磁放大器一、可控相复励变压器式可控相复励装置等效电路图第二十一页，共45页。[第四节要点]：可控相复励装置的组成、原理和特点；实现(shíxiàn)方法（几种）。其它(qítā)可控相复励装置

电流叠加；AVR控制移相电抗器饱和程度，改变电抗值。用调节相复励空载分量消除偏差。电流叠加；AVR控制分流，也是调节空载分量。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：电流叠加；AVR控制直流侧分流，直接调节励磁。第二十二页，共45页。§本节主要内容有两个部分1.恒压原理；2.无功功率的自动调整。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(yīzhǒnɡ)励磁系统原理图。第二十三页，共45页。励磁机：两个励磁绕组，主磁通为这两个绕组共同(gòngtóng)产生。基本励磁：电流叠加相复励（励磁绕组F1），辅助励磁通过AVR提供（励磁绕组F2）。单线(dānxiàn)原理图AVR原理(yuánlǐ)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。一、恒压原理第二十四页，共45页。无功自动调整由图12-5-3完成。单机运行时，差动电流互感器DCT绕组B被另一主开关常闭触头短接，无功自动调整不起作用。并联运行时，若无功分配不均匀，则两台发电机电压不相等，两机之间将产生无功环流，两B绕组产生电势大小相等、方向相反，没有电流流过。两个(liǎnɡɡè)A绕组产生均压电势也大小相等、方向相反，使两台机AVR向相反方向调节，直至两台机电压相等，无功功率均匀分配。无功(wúɡōnɡ)均分时，两B绕组串联短接，A绕组无均压电势。[第五节要点]：系统的组成(zǔchénɡ)；恒压原理；均压。二、无功功率的自动调整第二十五页，共45页。本节主要内容有三个部分1.无功功率分配的基本原理；2.均压连接；3.调差装置。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(jìsuàn)值之差，应不超过最大发电机额定无功的±10%。第二十六页，共45页。无差特性(tèxìng)有差特性(tèxìng)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(liǎnɡtái)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。一、无功功率分配的基本原理第二十七页，共45页。不可控相复励：保证无功分配稳定性是采用“均压线”。均压线有：直、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(xiānɡtónɡ)。交流均压线：又称“移相电抗器均压线”，原理与直流基本相同(xiānɡtónɡ)。若励磁绕组参数不一致，不能采用直流均压线。二、均压连接(liánjiē)第二十八页，共45页。∵按电压(diànyā)偏差调节装置，其特性接近无差，并联时会使无功分配不稳定。调差装置：又称“电流稳定装置”。为使调压特性有差。在调压装置加装可改变调差系数、用以调节发电机调压特性的就是调差装置，如图12-6-5。原理：AVR输入电压(diànyā)为：P.211（式12-6-2）：U0≈UCA+Ibsinφ·RAVR输入端可反映无功分量，调R，可使特性一致。[第六节要点]：无功分配(fēnpèi)基本原理（要求）；均压线；调差的目的。三、调差装置(zhuāngzhì)第二十九页，共45页。本节主要内容有三个部分1.调速器及其调速特性；2.发电机并联运行的有功功率分配；3.有功功率的转移操作(cāozuò)。《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%。第三十页，共45页。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(zìdòng)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：简单比例控制器（下降）特性，下降率由弹簧刚度决定。加积分为无差特性。调节：弹簧预紧力增，特性上移；预紧力减，特性下移。一、调速器及其调速特性(tèxìng)第三十一页，共45页。二、发电机并联运行的有功(yǒuɡōnɡ)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，——从无差特性可以看出，若两条都为无差特性，则无稳定工作点。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(suǒyǒu)负荷变化都由无差承担。第三十二页，共45页。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(bùzhòu)：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(fēnpèi)，功率转移方法。三、有功功率(gōnglǜ)的转移操作第三十三页，共45页。本节主要内容有两个部分(bùfen)1.自动调频调载方法；2.自动调频调载装置的原理。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。第三十四页，共45页。作用：调速器一次调节未达要求，需二次调。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：——（船上采用）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(shíjì)电网频率保持额定（无差）、且各机组负荷按容量分配。主调发电机法：——（船上不采用）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。一、自动(zìdòng)调频调载方法第三十五页，共45页。频率变换器：作用：将实际频率f0与给定频率fn比较得出反映(fǎnyìng)频差大小和方向的信号。一个电站只需一个变换器即可满足控制装置的频率恒定。方法：有谐振式和基于波形变换式两种。二、自动(zìdòng)调频调载装置的原理组成：1.频率(pínlǜ)变换器；2.有功功率变换器；3.运算环节；4.调整器。第三十六页，共45页。基于(jīyú)波形变换式：T0固定，频率小于额定值，负半波比正半波宽，频差为负，平均值也为负；反之则为正。谐振(xiézhèn)式：频差信号(xìnhào)的获得第三十七页，共45页。运算环节：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(piānchā)，就发出调节信号。有功功率变换器：

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）。注意：整流桥起电子开关(kāiguān)作用。有功(yǒuɡōnɡ)功率变换器和运算环节第三十八页，共45页。

调整器

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。原理框图[第八节要点(yàodiǎn)]：调频调载装置组成、功能和调节原理。第三十九页，共45页。本节主要内容有两个部分1.自动分级卸载(xièzǎi)装置；2.自动增减运行机组原理。第四十页，共45页。一、自动(zìdòng)分级卸载装置ZFX-1型：图12-9-1。综合保护装置，可作为发电机：1.过载保护；2.欠压保护。使发电机分励脱扣动作跳闸。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。功能：发电机过载时自动将部分次要负载切除。作用：