第十四章船舶同步发电机电压及无功功率自动调整

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：一、对船用自动励磁装置的要求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所示。

1）自动电压调整器的静态和动态特性

（1）静态特性

对静态电压调整的要求

Ue：发电机的额定电压(V)Umax：发电机在规定的负荷变化范围内端电压的稳态最大值Umin：发电机在规定的负荷变化范围内端电压的稳态最小值1.静态和动态特性的要求（2）动态特性

对动态电压调整的要求

Umax.s：发电机突加负荷或突减负荷时的最高电压值Umin.s：发电机突加负荷或突减负荷时的最低电压值动态指标：发电机突加或突减50％额定电流及功率因数不超过0.4(滞后)的对称负荷时发电机的动态电压变化率应在±15％以内电压恢复时间不超过1.5s。静态指标：发电机从空载至满载，功率因数保持为额定值,主发电机的静态电压变化率应在

2.5%以内,应急发电机的静态电压变化率应在

3.5%以内。《钢质海船建造及入级规范》规定：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。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。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。

自励起压基本原理

自励起压特性曲线，如图所示。其中曲线1为同步发电机空载特性曲线Ufo＝f（IL）;曲线2为自励回路的理想励磁特性曲线IL＝f（Uf）。

同步发电机要正常自励起压，必须满足三个条件：

（1）有足够的剩磁电压Us，以使自励回路导通；（2）适当整定励磁回路阻抗，使励磁特性与空载特；（3）使自励系统成为正反馈系统，剩磁电压Us所产生的励磁电流的磁化方向与剩磁方向相同。二、不可控相复励恒压的基本原理不可控相复励自励恒压装置。具有结构简单，管理方便，价格便宜，动态特性优良，并能在恶劣的环境下可靠工作等优点。

不可控相复励自励恒压装置,利用发电机本身的剩磁电压进行自励起压,根据负荷电流的大小进行复励及负荷电流与电压的相位关系进行相位复励，以调整励磁电流，稳定发电机端电压。根据这两个分量迭加方式的不同，又可分为：电流迭加型、电势迭加型和电磁迭加型三种形式。电流迭加电势迭加电磁迭加第三节电流迭加相复励自励恒压装置

1)原理图

TA为电流互感器:它反映发电机负载电流的大小和相位，以进行相复励调压；LR为移相电抗器:它将发电机电压产生的电流移相90°，作为电压分量ILu，以进行自励起压；VD为三相桥式硅整流器:它将交流侧迭加得到的励磁电流İL整流成直流励磁电流IL

。励磁系统中要设置人工触发起励线路，利用蓄电池向励磁系统提供电压。

设电路为三相对称，电流互感器不饱和。电流叠加相复励单线原理图2)等值电路分析电流叠加相复励等值电路RE:励磁回路等值电阻K:TA之变比ZL:LR之阻抗移相电抗器ZL

的电抗值XL

＞RL（LR的电阻值）,XL

＞RE,忽略RL和RE

滞后于电压的角度即为功率因数角

。是用来产生电流补偿和相位补偿的,当发电机的负载发生变化引起电压变化时,复励分量起着自动调节电压的作用。电压分量ILu

：在数值上ILu=Uf/XL，相位上滞后于电压90

角，是励磁电流的基本分量，由它来决定发电机的输出电压的大小。电流分量ILi

：发电机励磁电流IL是由发电机端电压经移相电抗器提供的电压分量ILu与由电流互感器提供的电流分量ILi所组成。

第四节电磁叠加的相复励自励恒压装置TE为三绕组相复励变压器，其原边有一个电压绕组N1,它与线性电抗器LR串联后,接到发电机端电压,构成自励回路。它引入电压分量并与N3配合实现相复励。N1称为电流绕组,串接在发电机主回路中,采样的是发电机负载电流If

，与N2构成复励回路。N2是输出绕组,它外接于三相桥式硅整流器VD。R、C阻容元件用作整流元件的过压保护。CQ是三相谐振起励电容，以外接三角形方式与LR相联接，其作用是在起压时与LR发生串联谐振、帮助起压。由上式可知电磁迭加相复励与电流迭加相复励在数值和相位关系上基本相同，但电磁迭加型可通过调整匝数比获得更好的相复励恒压特性。

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。

第五节电磁叠加带电压曲折绕组的相复励系统

绕组N4称为电压曲折绕组。N4与N3在同一个三相铁芯柱A,B,C上,N3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N3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。第六节晶闸管自励恒压励磁系统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闭环调节系统。

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。（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。（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。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。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，其原理图如图示。TYQ相复励调压装置；YJQ电压校正器；TA电流绕组；LR移相电抗器；TE

相复励变压器；Uf

发电机端电压；CL整流滤波电路；CF移相触发电路；VD全波桥式整流电路；L励磁电路；一、可控相复励变压器式可控相复励装置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。当发电机的电压偏离给定电压时，AVR的输出电流IT就有相应的改变，使得可控相复励变压器TE的饱和程度发生变化。在电流绕组N3和电压绕组N1的电流为某一值时，输出绕组N2所感应出的电流将作相应的变化。这样能按照电压偏差进一步调整发电机励磁电流的大小。

二、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。三、可控电抗器分流的调压器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。

四、交流侧晶闸管分流的调压器

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。五、直流侧晶闸管分流的调压器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。可控相复励自动调压装置是带有电压校正器的相复励装置，它具有调压精高，无功功率分配均匀，起励可靠，强励倍数高，动态性能好等特点，因而获得了广泛的应用。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。

后图为无刷同步发电机励磁系统返回主发电机G和励磁机LG都是三相同步发电机

TYQ相复励调压装置G:主发电机EX:励磁发电机CT:电流互感器X:电抗器F1:第一励磁绕组F2:第二励磁绕组（控制绕组）DCT:差动电流互感器CCR:电阻VR:可调电位器RT:电抗器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。返回《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，其功率分配的误差应符合下列要求：各发电机实际承担的无功功率与按发电机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功率的

10％。有差特性：两机的调压特性应尽可能一致,则两机的无功功率均分且稳定。发电机调压调整特性无差特性：并联运行时,若有外界干扰时,无确定的工作点不能稳定并联运行。Q两台发电机并联运行时，转移和分配两台发电机的无功功率是通过调节发电机组的励磁电流来实现的。两机并联运行无功功率分配（有差）

Q1)直流均压线

对容量相同的发电机并联运行,采用直流均压线联接。

当两台发电机并联运行时,两励磁绕组的励磁电压相等,保证了两台发电机励磁电流相等,实现了两台发电机的无功功率均匀分配。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。

两台发电机调压装置的移相电抗器通过均压线并联,该联接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（即空载电动势相等）；负载后，保持无功功率按比例均匀分配（由电