船舶电站及其自动化装置 课件 4 船舶同步发电机电压及无功功率分配

第四章船舶同步发电机电压及无功功率分配

众所周知，各种电气设备，必须在额定电压下运行。因此保持电网电压为额定值，是供电质量的重要指标之一。但是，实际上船舶电网电压总是经常变动的。原因是相对于陆上电网，船舶电站容量较小，而某些用电设备容量却较大，当这些大负载起动时，对船舶电网将造成冲击，船舶同步发电机的端电压变动尤为严重，故研究船舶同步发电机电压自动调整，是交流船舶电站的重要课题之一。1.1同步发电机电压变化的原因

当负载变化时，由于同步发电机电枢反应，必定会引起发电机端电压的变化。这一关系可由隐极式同步发的电压平衡方程式（4-1）表示（其电势简化矢量如图4-1所示）：索引第一节自励恒压装置的作用和基本措施1、对电动机的影响2、对电光源的影响3、对电网的影响索引1.2电压偏差的危害引起同步发电机端电压变化的主要原因是无功电流的变化，而要保持发电机端电压不变，就要随之相应地调整发电机的励磁电流，索引1.3发电机电压调整的基本措施2.1励磁自动调整的作用发电机端电压是由励磁电流产生的，为了维持发电机的端电压几乎不变，发电机的励磁电流必须适时地做相应的调整。2.2同步发电机端电压调整自动电压调整装置的的基本要求总的基本要求是：简单可靠；灵敏度高而稳定；保证电压为给定水平；调整迅速而很快稳定；具有一定的强行励磁能力；同样有效的反映电压的下降和电流的增大；合理地分配无功功率。相对应基本要求的具体技术指标有：静态特性、动态特性、强行励磁、无功分配。索引第二节同步发电机的励磁自动调整2.3励磁自动调整装置的技术指标

（1）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

“交流发电机在负载为空载、转速为额定转速、电压接近额定值的状态下，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，则不应超过1.5s。”2．励磁自动调整装置的分类主要采用的有：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。励磁调整方法大都是按照电压偏差（

）、负载电流（

）、电流相位（

）这三个原则来实现的。

依被检测量的不同可分为：按电压偏差调整；按负载电流大小及相位调整；按电压偏差、电流大小及相位的复合调整。发电机的励磁电源由发电机本身提供的励磁系统提供，故又称为自励系统。按负载电流大小及相位进行补偿的励磁调节系统，被调量即机端电压没有反馈到系统的输入端，是一个开环系统，由人工预先调整好电抗器、变压器等的气隙和线圈匝数，系统根据负载状态来控制被调量，即仅根据负载变化提供相应的励磁电流。其特点是稳态调节精度较差，但动态性能较好。仅按机端电压偏差调节的励磁自动调节系统的特点是动态性能较差，一般都与相复励装置联用构成综合调节系统。3．励磁自动调节系统的调节原理索引励磁自动调节系统（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。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。（1）励磁调节特性索引按偏差调节的系统，调节作用只与机端电压的偏差有关，而与产生扰动的原因无关，其静态特性即调整精度较好；而动态过程是一个周期性的振荡过程，动态特性较差。（2）按机端电压偏差调节原理索引在既定的转速和温度等条件下，发电机端电压是既定的。但是由于转速或温度变化等其他扰动引起的电压偏离，调节系统就无法响应，因此静态特性较差。这种不加以控制的励磁系统一般称为“不可控相复励”系统，或称为“开环调节”系统，它的动态过程是非周期性的，没有振荡过程，因此动态稳定性好。（3）按负载电流大小及相位进行调节原理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。（4）综合调节原理自励同步发电机要达到正常自励起压，必须满足三个条件：①必须要有足够大的剩磁电压

，以使自励回路导通；②必须适当整定自励回路阻抗，使励磁特性与空载特性配合恰当，正好相交在正常空载额定电压

；③使自励系统成为正反馈系统，剩磁电压所产生的励磁电流的磁化方向与剩磁方向相同。第三节自励起压原理抬高曲线1，就是保证要有足够大的剩磁电压。例如可采用在制造发电机时加恒磁插片或适当加大其气隙等办法来提高剩磁电压，但这将使发电机的尺寸加大。比较简易可行而常用的方法是，外接—充磁电源E。索引降低曲线3的常用方法是，接入谐振电容CQ。索引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。复式励磁，就是将发电机的定子电流整流后供给励磁，如图所示。其调压作用是借助电流互感器LH组成的复励回路来实现的。第四节不可控相复励自励恒压装置由于引起同步发电机

变化的原因，除了负载电流大小外，还和功率因数

的大小有很大关系，还需要调压器能补偿

变化引起的

的变化。这就需要进行所谓的相复励。电流合成矢量如图同步发电机的这种励磁系统，被称为相复励自励恒压励磁系统。这种系统，由于采用相复励，使调压和电压的变化几乎是同时进行的，故它的最大特点就是调压动作迅速，因而其动态特性是很好的。电磁叠加和电势叠加的相复励自励恒压装置TA----电流互感器：LC----移相电抗器，LC是一个具有气隙的三相铁心电抗器；ZL----三相桥式整流器SB----充磁按钮；E----蓄电池；R’----限流电阻2．电流叠加相复励自励恒压装置采用近似的办法简化问题

励磁电流的相量图4.2.2电势叠加型不可控相复励自励恒压装置如图4-12a）所示为电势叠加型不可控相复励电路原理图，图4-12b）为其单线图。为了说明其原理，还可绘制电势叠加型的一相等效电路如图4-12c）所示。4.2.3电磁叠加型不可控相复励自励恒压装置如图4-13a）所示为电磁叠加型不可控相复励电路原理图，图4-13b）为其单线图。图中，采用三绕组的变压器T作为不可控相复励的空载分量与复励分量的叠加元件。4.2.3电磁叠加型不可控相复励自励恒压装置为了改善不可控相复励自励恒压装置的静态性能，电磁叠加型不可控相复励还常采用带电压曲折绕组的四绕组变压器作为相复励的叠加元件，如图4-14所示。

可控相复励的构成：

可控相复励磁装置是以相复励为励磁装置主体，再加上根据电压偏差信号实现调节的自动调压器AVR构成的。负载电流变化时，首先是相复励调节，然后AVR补充调节。索引第五节晶闸管自励恒压装置为了进一步改进发电机提供的电能质量，可在不可控相复励自励调压装置的基础上加一个自动电压校正器，按照电压偏差对发电机端电压进一步调节，可控相复励变压器式自励恒压装置，采用在电磁叠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。第六节可控相复励自励恒压装置可控移相电抗器式调压器原理图如图所示。这种装置的基本励磁装置为电流叠加的相复励装置，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。2．可控移相电抗器式可控相复励装置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。3．可控电抗器分流的调压装置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。4．交流侧晶闸管分流的调压装置直流侧晶闸管分流的调压器单线原理图如图所示。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。5．直流侧晶闸管分流的调压装置6.3.1TZ-F型可控相复励调压器：

索引6.3可控相复励实例6.3.2CRB型可控相复励调压器：

索引6.3可控相复励实例

主要由晶闸管主电路、触发电路、控制电路三部分组成。控制电路则由比较、检测和调节电路组成。

自励发电机的励磁电源由发电机本身提供的励磁系统提供，这种励磁系统主要由变压器和整流器组成，无转动结构，称为静止励磁系统。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，出现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。

第七节无刷发电机励磁系统主发电机G和励磁机LG都是三相同步发电机。它们在结构上的区别在于：主发电机是旋转磁极式的，其定子G是三相交流电枢，转子L是直流励磁绕组；而励磁机则是旋转电枢式，其定子是直流励磁绕组，转子L是三相交流电枢，与主发电机同轴。励磁机是无刷同步发电机励磁系统的主要部分，其励磁饶组L由主发电机的电压调整器TYQ的输出来供电。励磁机发出的三相交流电经三相挢式旋转硅整流器VD整流后供给发电机励磁绕组。旋转硅整流器安装在同步发电机转轴上。由于整流器需承受离心力，因此对其制造和安装工艺有一定的要求。励磁机是放大系数很大的环节，调压器小而可靠,其缺点是发电机轴向尺寸因同轴励磁机而增加，励磁机具有较大电磁惯性，动态特性较差。——时间常数大，使端电压反应慢。

7.2.1旋转二极管无刷励磁系统

7.2.2带旋转变压器的旋转可控硅无刷励磁系统

7.4.1VZRAB型无刷励磁系统

7.4.3AVR部分（1）测量回路发电机的电压信号经由测量变压器T1、三相整流桥整流、阻容支路R1、C1滤波后变换为与之成比例的直流电压信号，该信号经由稳压管Z1和电阻等组成的单稳压管比较桥在Z1的阴极输出与电压偏差成比例的直流控制电压信号。

当两台并联运行发电机的电势不相等，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，其结果将使电势较高的发电机输出无功功率增大,而电势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。具体调节方法是：必须同时调节两台发电机的励磁电流，将功率因数低的发电机励磁电流减小，与此同时将功率因数高的发电机励磁电流增大，这样就可以使两台发电机功率因数趋于一致，即输出的无功功率相等。

索引第八节并联运行发电机组的无功功率分配

索引船舶并联运行同步发电机无功调整相量图发电机并联运行时，调压特性曲线应呈下倾特性。这样有利于稳定地并联工作。图3-74所示，由于两台机组的电压调整特性不一致,导致无功分配不均匀,特性曲线平坦的机组承担的无功变化大,特性曲线较陡的承担无功变化小,因此希望并联运行机组应有相同的电压调整特性。不可控相复励自励恒压同步发电机并联运行时，一般采用均压线连接方式。目前船舶中采用无刷同步发电机越来越多，它一般采用电流稳定装置来实现无功功率的均匀分配。

并联运行发电机组的无功功率分配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。1．直流均压线

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3-76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。2．交流均压线3．电流稳定装置

对于无刷同步发电机，一般采用电流稳定装置来实现无功功率的均匀分配。分配调差系数对于无刷同步发电机，差动电流互感器→无功功率自动调整装置的测量元件。（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，说明无功分配不均，需要进行调节或可能存在故障；（2）机组并联运行，两台发电机功率表（有功）指示基本相