船舶电气设备及系统-大连海事大学-第14章-同步发电机电压及无功功率自动调整.ppt

船舶电气设备及系统,*,课 件,轮机学院电气及自动化教研室,第,14,章 同步发电机电压及无功功率自动调整,14.1,自动电压调整的基础知识,14.2,不可控相复励自励恒压励磁系统,14.3,晶闸管自励恒压励磁系统,14.4,可控相复励自励恒压励磁系统,14.5,无刷发电机励磁系统,14.6,并联运行发电机组间无功功率分配,本章主要介绍船舶同步发电机的自动调压、以及无功功率的调节方法。,内 容 简 介,14.1,自动电压调整的基础知识,14.1.1,自励恒压装置的作用,自励起压,维护电力系统电压基本恒定,合理稳定地分配并联运行发电机间无功功率,强行励磁,14.1.2,自励恒压装置的基本要求,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,U,e,：,发电机的额定电压,(V),U,max,：,发电机在规定的负荷变化范围内端电压的稳态最大值,U,min,：,发电机在规定的负荷变化范围内端电压的稳态最小值,钢质海船建造及入级规范,规定：,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。,（,2,）动态特性,对动态电压调整的要求,U,max.s,：,发电机突加负荷或突减负荷时的最高电压值,U,min.s,：,发电机突加负荷或突减负荷时的最低电压值,t,h,:,电压恢复时间,(,调整时间,),钢质海船建造及入级规范,规定：,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,。,当电压突然下降很大时，要求自动调压装置能迅速把励磁电流升高至超过额定状态的最大值，即有足够的强行励磁能力，以提高电压的上升速度。,强行励磁能力，通常用强行励磁倍数和发电机电压上升速度来描述。,2,）强行励磁,K,P,：,强励倍数，,U,LP,：,强励时最高励磁电压,U,LE,：,发电机额定电压下励磁电压,K,P,一般为,2,左右，有时会更高。实船中，励磁电压达到,95%,顶峰电压的时间为,0.1-0.5S,。,钢质海船建造及入级规范,规定：,3,）合理分配发电机的无功功率,并联运行的交流发电机组，当负荷在额定功率的,20,100,范围内变化时，各发电机实际承担的无功功率与按发电机各自的容量比例计算值之差不应超过下列数值中的较小者：,（,1,）最大机组额定无功功率的,10,（,2,）最小机组额定无功功率的,25,4,）自励恒压装置的分类及调压原理,同步发电机励磁恒压装置的种类较多，其发展大致经历了带直流励磁机的励磁系统、不带励磁机的相复励恒压励磁系统、晶闸管励磁及具有同轴交流励磁机的无刷励磁系统等几个阶段。,目前同步发电机采用自励形式，其直流励磁电流由自身输出的交流电经过整流后获得的。,目前主要采用的类型有：,不可控相复励自励恒压励磁装置,可控相复励自励恒压励磁装置,晶闸管自励恒压励磁装置,无刷同步发电机励磁系统。,按照被检测量，自励恒压装置可分三大类：,（,1,）按发电机电压偏差,U,f,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,f,和功率因数,cos,调节,如果被测量是发电机的负荷电流,I,f,及功率因数,cos,。,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。,（,3,）按,I,f,和,cos,及,U,f,调节,这类复合调节是将上述两种调压方式结合在一起，它是在按负载调节的基础上采用自动电压调节器（,AVR,）。,静态和动态特性都比较好，是一种较理想的励磁调节装置。可控相复励自励恒压装置属于这种类型。,相复励自励恒压装置,具有优良的动态性能，并能在恶劣的环境下可靠地工作。,既反映电流的大小，也能反映电流的相位的线路称为相位复励线路，简称相复励线路。,相复励装置调节特性的规律是按电流的大小及相位进行补偿的。,14.2,不可控相复励自励恒压励磁系统,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,14.2.1,不可控相复励装置自励起压及恒压的基本原理,1),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,U,fo,f,（,I,L,）,;,曲线,2,为自励回路的理想励磁特性曲线,I,L,f,（,U,f,）。,由于磁滞现象，在转子磁极上留有剩磁。当柴油机拖动发电机的转子转动后，发电机定子绕组将产生感生剩磁电压,U,s,U,s,加在自励回路上，经过整流在发电机励磁绕组中产生励磁电流,I,L1,，,I,L1,在发电机定子绕组中感生电压,U,O1,，,U,O1,通过自励回路产生,I,L2,，,I,L2,又感生更高的电压,U,O2,，,如此循环，构成正反馈，逐渐提高发电机空载电压，最后达稳定的交点,A,，,此时发电机电压即为空载电压,U,fo,。,同步发电机自励起压过程：,由上述可知，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,U,s,，,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性有合适的交点；,（,3,）使自励系统成为正反馈系统，剩磁电压,U,s,所产生的励磁电流的磁化方向与剩磁方向相同。,T,A,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；,14.2.2,电流迭加相复励自励恒压装置,1),原理图,L,R,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,I,Lu,，,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,İ,L,整流成直流励磁电流,I,L,。,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,R,E,:,励磁回路等值电阻,K:T,A,之变比,Z,L,:L,R,之阻抗,移相电抗器,Z,L,的电抗值,X,L,R,L,（,L,R,的电阻值）,X,L,R,E,忽略,R,L,和,R,E,电压分量,I,Lu,：,在数值上,I,Lu,=,U,f,/X,L,，,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,I,Li,：,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。,发电机励磁电流,I,L,是由发电机端电压经移相电抗器提供的电压分量,I,Lu,与由电流互感器提供的电流分量,I,Li,所组成。,14.2.3,电磁叠加的相复励自励恒压装置,T,E,为三绕组相复励变压器，其原边有一个电压绕组,N,1,它与线性电抗器,L,R,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,N,3,配合实现相复励。,N,3,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,I,f,，与,N,2,构成复励回路。,N,2,是输出绕组,它外接于三相桥式硅整流器,V,D,。,R,、,C,阻容元件用作整流元件的过压保护。,C,Q,是三相谐振起励电容，以外接三角形方式与,L,R,相联接，其作用是在起压时与,L,R,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。,14.2.3,电磁叠加带电压曲折绕组的相复励系统,绕组,N,4,称为电压曲折绕组。,N,4,与,N,1,在同一个三相铁芯柱,A,B,C,上,N,1,的三相,A,B,C,分别与,N,4,的三相,B,C,A,反接串联。它的联接规律,是,N,1,总是与滞后相铁芯柱上的,N,4,反接串联。电压曲折绕组,N,4,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。,14.3,晶闸管自励恒压励磁系统,该励磁装置是按发电机电压偏差,U,f,来进行自动调压,。,该励磁系统在发电机自励建压过程中具有,正反馈特性,在发电机恒压过程中,具有,负反馈特性,。,晶闸管自励恒压装置原理主要由三大环节组成,:,(1),测量移相比较环节,(2),触发控制环节,(3),励磁主回路,14.3.1,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,(a),直流测量电桥比较电路,(b),双稳压管桥式比较电路及特性,当,U,DW,U,f,DC,2U,DW,时,当,0U,f,DC,U,W,时,U,K,U,f,DC,U,K,U,DW,(,U,f,DC,U,DW,),2U,DW,U,f,DC,U,K,与,U,f,DC,成正比，,励磁系统呈正反馈特性。,U,K,与,U,f,DC,成反比，,励磁系统呈负反馈特性；具有使发电机输出电压保持恒定的作用。,14.3.2,移相触发环节及励磁主回路,移相触发环节,在励磁调节装置中，触发器形式多样，有单结晶体管触发电路、单稳态触发器、三极管开关电路和阻塞振荡器等等。,励磁主电路,单相半波、单相桥式、三相桥式可控整流电路等几种。,14.4,可控相复励自励恒压励磁系统,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；,T,E,相复励变压器；,U,f,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；,14.4.1,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。,14.4.1,可控相复励变压器式可控相复励装置,当发电机的电压偏离给定电压时，,AVR,的输出电流,I,T,就有相应的改变，使得可控相复励变压器,T,E,的饱和程度发生变化。在电流绕组,N,3,和电压绕组,N,1,的电流为某一值时，输出绕组,N,2,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。,14.4.2,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,I,T,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。,14.4.3,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,I,T,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。,14.4.4,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。,14.4.5,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。,14.5,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,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,恒压原理,AVR,框图,基本电路为电流叠加相复励装置，,其产生的直流励磁电流供给第一励磁绕组。,AVR,根据电压偏差的大小和方向输出的电流流过第二励磁绕组（控制绕组），以实现发电机电压的细调，,稳定发电机的电压，从而消除电压偏差。,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,。,钢质海船建造及入级规范,规定,:,14.6,并联运行发电机组间无功功率分配,无功负荷的分配和转移,实质上是通过调节发电机的励磁电流来调整发电机的电势实现的,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。,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。,发电机调压特性,两机并联运行无功功率分配（有差）,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。,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。,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,以保持无功功率均匀分配。,3),电流稳定装置,在按电压偏差进行调压的励磁系统中，调差系数,K,C,一般是很小的，甚至几乎接近是无差的。,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,K,C,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,电流稳定装置原理图,14-32,实船两台发电机无功分配连接图,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,(,cos,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。,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。,