第2章+船舶同步发电机并联运行.ppt

1、第二章 船舶同步发电机并联运行,为了满足船舶供电的可靠性和经济性，船舶电站一般均装设有两台或两台以上的同步发电机组作为主电源。,规范亦要求至少设置两台船舶主发电机。,两台或两台以上的发电机通过公用母线向全船负荷供电，这就是通常所说的船舶发电机组的并联运行。或者说并联运行是指同时向同一负荷供电。,把船舶发电机组投入并联运行的操作过程称为并车。,通常有三种情况需要并车操作。,1）满足电网负荷的需求。当单机负荷达到80左右额定容量时，且负荷仍有可能增加，这时就要考虑并联另一台发电机；,2）当船舶处于进出港、靠离码头或进出狭窄水道等的机动航行状态时，为了航行的安全，需要两台或更多发电机并联运行；,3）

2、当准备用备用机组替换下运行供电的机组时，为了保证不中断供电，需要通过并车进行替换。,船舶同步发电机采用多机组并联运行的优点是：,1）提高了发电机组的工作效率,2）维护、检修发电机组方便,3）保证供电的高可靠性和连续性,同步发电机组的并车方式分为两大类：,自同步并车方式,准同步并车方式,自同步并车是一种简单的并车方式,由于船舶电力系统容量小，采用自同步并车不能保证电能质量，因此船舶电力系统一般不采用自同步并车方式，这种方式仅在陆地电力系统中使用。,自同步并车方式,它的操作过程是：原动机将未经励磁的待并发电机的转速带到接近同步转速时，将发电机主开关合闸，并立即给发电机加上励磁，依靠机组间自整步作用

3、而拉人同步，使待并发电机与电力系统并联运行。,准同步并车方式是目前船舶上普遍采用的一种并车方式，要求待并机组和运行机组两者的电压、频率和相位都调整到十分接近的时候，才允许合上待并发电机主开关。,准同步并车方式,采用这一方式进行并车引起的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，对船舶电力系统不会产生不利的影响。,采用此方法并车时，对操作者的素质要求较高，由于某种原因造成非同步并车时，则冲击电流很大，最严重时其冲击电流与机端三相短路电流相同，所以并车操作应严格而细心，这也是准同步并车方式的不足。,目前，船上采用的准同步并车方法主要有：,手动准同步并车,粗同步电抗器并车,半自动准同步并车,自动准同

4、步并车,第一节 船舶同步发电机准同步并车,1 理想的准同步并车条件,（1）待并发电机的电压与运行发电机（或电网）的电压大小相等；,（2）待并发电机的频率与运行发电机（或电网）的频率数值相等；,（3）待并发电机电压的初相位（初相角）与运行发电机（或电网）电压的初相位（初相角）一致。,（4）待并发电机的电压与电网(或运行机)电压的相序一致；,2 规范对准同步并车条件的规定,1）并车操作中电压差不得大于额定电压的10，即：U10Ue。在电网负载比较平稳的情况下，通常船舶发电机的调压器是能够满足这一条件的，因为一般船舶发电机的调压器静态电压调整率为2.5%，如果发电机调压器正常，完全可以满足并车操作电

5、压差不大于10Ue的要求。,2）并车操作时一般相位差在15以内。,3）并车操作时一般频差在1%额定频率值以内被认为是允许的，即要求：f1% fe。对于50HZ的船舶电站，则并车操作时一般频差在0.5HZ以内被认为是允许的。,如果不满足理想的准同步并车的三个条件而强行并车，会产生什么后果。,并车瞬间发动机等值电抗,假设电网电压低于待并发电机电压，即U1U2。在这种情况下投入G2时，主开关DW2两端存在电压差U。,1) 频率和初相位相同，电压有效值不相同,频率和初相位相同,电压有效值不相同,环流IPH滞后U2对G2去磁效应，环流IPH超前U1对G1增磁效应，最终使两机并联运行于同一电压。,频率和初

6、相位相同,电压有效值不相同,两台发电机的电压不等所产生的无功性质环流，对两台发动机起均压作用， 因此，IPH称为平衡电流，由于发电机并车瞬间呈现出的等值电抗很小，因此在电压差较大情况下进行并车，合闸瞬间会差生很大的冲击电流。,频率和初相位相同,电压有效值不相同,并车操作时两台发电机组之间的电压差不能超过额定电压的10。,频率和初相位相同,电压有效值不相同,2) 频率和电压相同，相位不相同,假设待并发电机电压U2的相位超前于电网电压U1的角度为。两发电机间仍存在电压差U。合闸后在两机组之间产生环流。,2号机，输出有功功率，对原动机为阻力矩，减速。 1号机，吸收有功功率，对原动机驱动力矩，加速。

7、自整步力矩拉入同步。 去磁效应一致，电压仍相等,并车时要求相位差一般应在15之内。,合闸瞬间两台发电机电压和相位相同，只是频率不同，如果f2f1，则将超前角。,3) 并车时电压和相位相同，但频率不相同,电压和相位相同,频率不相同,电压和相位相同,频率不相同,电压和相位相同,频率不相同,若在t=0时合闸，将不会产生环流；在t0时合闸，将出现相位差，产生环流，若频差不大，最终通过自整步力矩拉入同步。若频差较大，难以拉入同步，且随着相位差的变化，产生较大环流和较大的冲击力矩，对发电机和船舶电力系统均不利。,并车时一般要求将两台发电机的频差控制在0.5Hz之内。,电压和相位相同,频率不相同,通过人工操

8、作来调整待并发电机的电压和频率，使之满足准同步并联运行的三个条件而进行合闸操作的过程称之为手动准同步并车。,3 手动准同步并车,当待并发电机起动并建压后，其电压是否与电网电压相等，可以通过配电板上的电压表来检测。通常无需特别调整，目前船用自励恒压发电机的调压器完全能够满足电压在允许偏差之内的要求。,手动准同步并车通常采用灯光法和整步表法来检测并车条件。,3.1 同步表法,同步表又叫整步表或同步指示器，目前实船采用指针式和发光二极管式同步表。,实船上主要采用同步表来指示待并机与电网的电压相位差、频率差及其方向。,3.1.1 指针式同步表,指针式同步表又叫电磁式同步表，是通过指针的转动情况，检测待

9、并机与电网间的相位差和频率差。,它的定子上绕有三相绕组，中间是转子励磁线圈，固定在底盘上，最中央是转轴，转轴上下各有一块同样大小的扇形铁片组成的Z形铁芯，转轴的上端有指针，转轴上无线圈，它的两头是通过宝石轴承加以固定，可以自由转动。同步表无游丝和导电片，因此，无反作用弹簧，不产生反作用力矩，指针可以在360自由转动。,同步表按短时工作制设计，一般持续工作时间不大于15min，间隔时间为30min，所以，并车操作过程不宜太长，并车成功后应及时切除。,合闸的时刻: 同步表向“快”的方向35秒旋转一周，在指针接近表盘的中点（同相位点）时合闸。,3.1.2 指示灯式同步表,指示灯式同步表是没有指针的同

10、步指示器，系采用发光二极管指示方式，同样用于指示待并发电机与运行发电机的频率差和相位差。,表盘圆圈均匀分布有36个指示灯，每灯代表10电角度。上方12点钟处指示灯是360，其中“SYNC”绿色指示灯与12点钟处指示灯同步。,并车时，必须首先合上运行发电机测量开关S1，此时表面36个指示灯为随机状态，然后合上待并发电机测量开关S2，同步表的指示灯开始旋转，其旋转速度和位置即表示两台发电机的频率差、相位差及方向，判断方法与上述指针式同步表判断两台发电机的频率差、相位差及方向的方法完全一致。,当运行发电机组与待并发电机组频差小于0.2HZ，且相位差在350360之间时，上方“SYNC”绿色指示灯亮，

11、此时待并发电机组即可并车投入运行。,3.2 同步指示灯法：,用指示灯检测并车时是否符合理想准同步并车条件有两种接线方式，一种叫做灯光明暗法，一种叫灯光旋转法。,合闸时刻：当灯泡35秒明暗一次时,约在接近灯暗区间的中心时。,灯泡明暗的快慢取决于频差的大小,指示灯明暗一次所需的时间TS1/f称为频差周期。,1） 灯光明暗法,合闸时刻: 使灯光向“快”（顺时针）的方向旋转，当调节到35秒旋转一周后，当指示灯L1最暗而L2、L3同样亮时。,f2f1时，灯泡轮流熄灭的顺序为: L1L2L3 L1,f2f1时，灯泡轮流熄灭的顺序为: L1L3L2 L1,（2）灯光旋转法：,起动待并机组,先检查起动条件，包

12、括冷却水、滑油、燃油、起动气源或电源，这些均正常,然后起动。,起动后检查发电机的三相电压,检查是否建立额定电压，电压差是否在允许范围内，是否缺相。,3.2 手动准同步并车步骤,进行频率预调,通过调速开关调整待并发电机转速，使待并机与电网的频率接近。,观察同步表,接通同步表并将选择开关转向待并机，调整频差，使同步表指针旋转一周所需时间在3 s 5 s左右。,合闸操作,待指针向“快”的方向转到接近红色“同相点” （相当于手表“11点”与“12点”之间的位置）时，果断按下合闸按钮。,转移负载,同时向相反方向调整两机组的调速开关，使新投入机“加速”、原运行机“减速”，直到两机功率表读数相等（对同容量发

13、电机而言）。,最后断开同步表，并车完毕。,手动准同步并车操作几点注意事项,允许频差不能太大也不可太小,频差大，整步表指针旋转快，不易捕捉“同相点”，易造成较大电流冲击，使并车失败。但频差太小，指针转一周时间较长，拖延并车时间。频率完全相等，指针会静止不动，这种现象叫“呆滞” 现象，也影响正常并车。所以频差周期调节到3s5s为合适。,避免逆功率,一般要求调整待并机转速，使整步表指针向“快的方向转”，合闸后待并机就能立即分担一点负荷，不易造成逆功率跳闸。,按合闸按钮应有适当的提前时间或相角,比红色“同相点”提前一个角度（类似于时钟的11点与“12点”之间的位置）按下合闸按钮，减小合闸冲击电流。,禁

14、止180反相合闸,这时冲击电流最大，不仅造成合闸失败甚至全船失电,发生突然扰动时不应合闸,电网电压幅度或频率突然发生波动可能导致并车失败,并车完毕及时断开同步表,因为同步表为短时工作制（通电不允许超过15分钟）。,粗同步并车法是利用电抗器进行并车的一种方法,它是指待并机基本满足电网所需的并联条件后，即可先行串联一个电抗器与电网并联，然后再合主开关的方法。,粗同步并车又叫电抗器并车，它放宽了对准同步并车的条件，提高了并车的成功率。,4 粗同步并车法,当待并发电机G启动后，大致调节一下频率，观察一下电压差别不大，至于相位甚至可以不考虑，就可以接通接触器K，使发电机通过粗同步电抗器DK与电网并联。,

15、41 粗同步并车工作原理,这时尽管电压差、频率差和相位差比起准同步的三个条件都要相差较多，但由于DK阻抗很大，它限制了并车时由于三个条件不满足所产生的冲击电流，使冲击电流数值不会超过发电机额定电流的1.21.8倍，所以发电机不会进行保护动作。,当发电机G通过电抗器DK与电网并联后，由于机组间的自整步作用，很快就会被拉入同步。,观察同步表，当指针固定在“同步”标记的位置时，就可以合上主开关ACB，将电抗器短路，使发电机不再通过电抗器，而是直接与电网并联运行，因为机组此时已经与电网同步，所以合主开关时，不会产生冲击电流，然后再断开接触器K将电抗器切除，粗同步并车就完成了。,因为粗同步并车用电抗器是

16、按短时工作制设计的，只在并车时使用，并车完毕后，一定要从电网上将其切除，否则电抗器就可能被烧毁。,下图是目前广泛采用的一种自动切除电抗器的粗同步并车控制线路。,假设G1为待并发电机，G2为运行发电机，待G1建压正常后，调整它的调速开关，使其频率接近运行发电机G2的频率，按下SB1按钮，并车接触器K1得电动作，其常开辅助触点闭合自保，主触点闭合使G1通过DK与电网并联，同时时间继电器KT1也得电开始计时，经一定延时（延时时间应能保证在此期间内，待并发电机G1可被拉入同步，一般整定在68 S），KT1常开辅助触点闭合，接通待并发电机主开关ACB1的合闸线圈，ACB1立即合闸，合闸后ACB1常闭辅助

17、触点断开，K1失电，DK电抗器自动切除，时间继电器KT1也失电复位，粗同步并车过程结束。,42 粗同步并车条件分析,粗同步并车时的单相等值电路图如图,U1为运行发电机G1的端电压，,U2为待并发电机G2的端电压，,并车接触器K2动、静触点两端的电压为,环流,是粗同步电抗器的电抗值,当待并发电机G2与运行发电机G1由于相位差或频差的存在，在并车过程中将产生自整步作用，在各自发电机轴上产生自整步力矩。,随着并车时相位差角的增大，U增大，而环流IPH亦将增大，而拉入同步的作用却并不与相位差角成正比，相反的在相位差角大于一定角度后，拉入同步的作用反而会减小，甚至为零。,43 粗同步并车电抗器参数计算,

18、粗同步并车电抗器是根据限制发电机冲击电流并保证能拉入同步的要求设计的。,因要求其电抗大，其磁路不易饱和，为了减小铁芯损耗以及防止短路时因铁芯的饱和而使感抗降低，粗同步并车电抗器一般采用空心式结构，不加铁芯。,通常粗同步并车电抗器应能保证在最差条件下并车，其瞬时冲击电流也不会超过发电机额定电流的1.21.8倍，按此条件计算粗同步并车电抗器电抗值。,并车时冲击电流为,发电机的超瞬变电抗的标幺值,粗同步并车电抗器电抗的标幺值,上式考虑了合闸最严重条件，即相角差为180，且按限制瞬时冲击电流的周期分量在1.2倍发电机额定电流的条件来计算粗同步并车电抗器的电抗值，因此：,最后将求得的粗同步并车电抗器的电

19、抗标么值再化为电抗欧姆值：,发电机额定相阻抗值，单位,发电机额定线电压，单位V,发电机额定线电流， 单位A,5 半自动并车装置介绍,半自动并车装置是介于手动并车装置与自动并车装置之间的一种装置。,如F 9 6SM型带并车指令的同步指示器，一般当并车条件满足时，需手动按下并车按钮，F 9 6SM型带并车指令的同步指示器会自动发出同步合闸脉冲，实现并车。,圆盘均匀分布有36个红色相位差发光二极管指示灯，正中12点钟处红色指示灯表示相位差为一55，其它按次序每灯间隔为10。,在表盘12点钟处亦设有“SYNC”绿色合闸指示灯，在待并发电机与电网之间频差小于某一设定值且相位差为0之前的某一瞬间，合闸指示

20、灯“SYNC”亮，并同时发出并车指令，控制主开关合闸，实现待并发电机与运行发电机之间的自动同步。,这种带并车指令的同步指示器设有合闸超前时间设定开关SWl和频差设定开关SW2以及校验按钮SAl。,SAl则用来检验合闸超前时间与频差设定值是否正确。,SWl、 SW2均可设置16种状态，分别对应16种整定值。合闸指令超前时间可在50500ms内整定，频差可在00505Hz内整定。,设G2为待并发电机，并车操作步骤如下：,（l）当需要自动并车时，将转换开关转至“”位置，触点1与触点2闭合，触点3与触点4闭合，F 9 6SM装置得电，电源指示灯亮。同时，触点21与触点22闭合，触点23与触点24闭合，

21、待并发电机G2的电压信号也送进F 9 6SM装置，此时F 9 6SM装置的3 6个发光二极管指示灯旋转点亮。,（2）当待并机G2与运行机Gl的频差未满足设定要求时，可手动调节待并发电机G2的转速，直至满足并车条件，“SYNC”绿色合闸指示灯点亮的同时，合闸脉冲也同时输出，这时即可按下合闸按钮SBl，实现半自动并车。,（3）将转换开关转至中间“”位置，使同步指示器退出工作。,如果并车系统设计为手动，应将转换开关转至于手动位置，此时，转换开关的触点 5 16均断开，则F 9 6SM装置不能发出合闸脉冲，F 9 6SM装置只能作普通的同步表使用，应采用常规手动合闸线路进行合闸。,采用带并车指令的同步

22、指示器并车要求发电机输出电压波形好，转速稳定，否则 F 9 6SM指示灯运转将不稳定，有时甚至不输出合闸脉冲信号。另外，采用本装置时，主配电盘上尚应备有手动并车同步指示灯（如灯光旋转法），做手动并车的备用。,第二节 船舶同步发电机准同步自动并车原理,能够完成手动准同步并车操作全部逻辑程序的自动装置就叫做自动并车装置。,通常自动并车装置的控制方案有两类，即模拟控制和数字控制。,目前数字控制式自动并车装置已有产品应用,1 自动并车装置的功能及组成,11 自动并车装置的基本功能,（1）频差方向鉴别，检测待并发电机与电网电压的频率差，并根据频差的大小与方向自动地对待并发电机发出增速或减速信号，进行频率

23、预调，使待并发电机的频率接近电网频率，创造合闸条件。,（3）要能计及发电机主开关的固有动作时间，相应地在同步点之前提前发出合闸指令，实现自动准同步。,（2）鉴别合闸条件，设置一个合闸与门，检测待并发电机与电网的电压差、频率差和相位差这三个条件，当任何一个条件不符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令。,12 自动并车装置的组成,通常自动并车装置应由调压、调速和合闸三部分组成。,船舶自动并车装置大多由脉动电压形成环节、频差方向鉴别及调速脉冲控制电路、获取恒定超前相角或超前时间信号的环节、允许合闸频差检测环节、允许电压差检测及合闸“与”门环节等构成。,小f表示小扰动环节 f表示频率预调环节 u

24、允表示允许电压差检测环节 f允表示允许频率差检测环节 q / t q表示恒定超前相角或恒定超前时间检测环节,二 准同步自动并车装置的分类,考虑从发出合闸脉冲指令到待并发电机主开关的动、静触头闭合为止需要经过一段时间，准同步自动并车装置应能够在两台发电机同步点之前提前发出合闸指令。,这段时间等于合闸线圈的启动时间（很短，一般均忽略）和主开关的固有动作时间之和，基本上由主开关的固有动作时间决定。,一般我们将从发出合闸脉冲指令到待并发电机的电压相位与电网电压相位重合时的这段时间称为超前时间，从发出合闸脉冲指令时对应的待并发电机电压相位与电网电压相位的相角差称为超前相角。,自动准同步并车装置可分为两类

25、,1） 恒定超前时间的自动并车装置,这一类装置保证在给定的超前时间下发出合闸脉冲,2） 恒定超前相角的自动并车装置,这类装置在给定的超前相角下发出合闸脉冲 q =s tq tq = q /s,3 脉动电压及其与自动并车条件的关系,能反映并车三个条件的信号，这个信号在自动并车装置中就是脉动电压信号。,自动并车装置通过对脉动电压的检测，间接反映了并车的三个条件，从而决定了待并发电机与电网是否满足并车三个条件。,所谓脉动电压指的是当两个电压的频率不一样而差数很小以及电压的数值相等或接近相等时，这两个交流电压的差值信号。,31 脉动电压的形成,最简单的脉动电压波形是直接合成的脉动正弦波。,习惯上也将脉

26、动电压称为频差电压。,32 脉动电压的性质,(1)脉动电压的瞬时值随时间而按正弦规律变化,(2) 脉动周期与频差成反比，当频差减小时，频差周期将随之增大。,采用脉动电压作为检测并车是否满足要求的信号，则准同期的三个条件可以用下面两个条件代替，即自动装置只要检测脉动周期足够大，并在脉动电压为零时接通主开关，就满足了并车的三个条件。,目前，各种自动并车装置都是直接或间接的利用脉动电压实现自动并车控制的。,4 自动准同步并车装置典型环节技术方案及原理分析,41 差频三角波电压的形成,脉动三角波电压与正弦形脉动电压同频，脉动三角波电压与相位角成线性关系，不受电压差和波形失真的限制，从而避免了正弦形脉动

27、电压的缺陷。,42 频差方向鉴别环节,频差方向鉴别环节的功能是辨别频差的方向，及正频差还是负频差，根据频差的方向，发出“加”速或“减”速指令，进行频率予调。,1）两脉压信号比较法,两脉压信号比较法原理图,两脉压信号比较法首先形成三个电压向量。,分别是发电机电压向量UFA、超前UFA向量a角（锐角）的发电机电压向量UFA和电网电压向量UWA，且三个电压向量的幅值相等。,两个脉动电压，分别是US1和US2。,两个脉动电压US1和US2分别和继电器J1、J2相连。,继电器J1和J2的常闭辅助触点分别和继电器J1和J2的线圈回路串联，形成联锁保护。因此，继电器J1和J2不会同时动作。,两脉压信号比较法

28、原理图,当 fffw时，在每一个脉动周期中总会有US1先达到最大值，因此减速继电器J1也先达到动作值，J1动作发出减速信号；,当fffw时，在每一个脉动周期中总会有US2先达到最大值，因此加速继电器J2也先达到动作值，J2动作发出加速信号；,两脉压信号比较法原理图,两脉压信号比较法特点：,每一个脉动周期中只发出一次调速脉冲信号，由于加速继电器和减速继电器通过各自的辅触点进行了电气联锁，每一个脉动周期中只会发出一次加速或减速调速脉冲信号，加速、减速调速脉冲信号不会同时发出。,另外，两脉压信号比较法的不足之处是，初始投入工作时，第一个调速信号可能是错误的，这要看电网电压向量UWA和发电机电压向量U

29、FA（UFA）的初始相对位置。,2）三脉压信号鉴别法,三脉压鉴别法原理图,通过检测三个脉动电压过零次序的不同，来判断频差的方向。,三个脉动电压分别是US1、US2 和US3，它们是由发电机电压向量UFA分别和电网电压向量UWC、-UWA和UWB的差值所形成。,三脉压信号鉴别法工作原理：,如果将电网的各个电压向量UWC、-UWA和UWB看做静止不动，则当待并发电机的频率ff电网的频率fw时，待并发电机电压向量UFA相对电网的各个电压向量逆时针旋转，当待并发电机的频率ff电网的频率fw时，待并发电机电压向量UFA相对电网的各个电压向量顺时针旋转。,三脉压鉴别法原理图,fffw时，紧接着US1过零后是US2过零，然后才是US3过零。因此，三个脉动电压过零