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第十四章船舶同步发电机电压和无功功率自动调整

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船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 第一节 概述 o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。 o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。 o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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * (2) 动态特性 对动态电压调整的要求 Umax.s:发电发电 机突加负负荷或突减负负荷时时的最高电压电压 值值 Umin.s:发电机突加负荷或突减负荷时的最低电压值 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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: 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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)。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 移相电抗器 ZL 的电抗值 XL > RL(LR的电阻值), XL > RE, 忽略 RL和 RE 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * (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 。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * (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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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( Automatic Voltage Regulator)。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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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; 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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%。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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) Q 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 1) 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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 (由电流互感器实现) 。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 3、电流稳定装置 o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。 o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。 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 返回 图14-31 电流稳定装置原理图 船舶电气设备与系统 课 件 轮机工程学院船电系 * 返回 14-32 实船两台发电机无功分配连接图
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