船舶电站知识点.doc

第一章 船舶电力系统概论

第一节 船舶电力系统

第二节 船舶电力系统基本参数

第三节 船舶电站

第四节 船舶电网

第五节 配电装置

第六节 船舶电力系统的可靠性及生命力概念

第一节 船舶电力系统

电力系统：
由发电、变配电、输电和用电四部分设备构成的统一整体。

船舶电力系统:分为船舶电站、船舶电网和用电设备。

船舶电站:由原动机、发电机和主配电装置组成。

船舶电网：全船电缆电线和配电装置以一定方式连接起来的组合体，是联系电能的生产者(各种电源)和电能的消费者(各种用电设备)的中间环节，担负分配和输送电能的任务。

分类：
动力电网
照明电网
应急电网
弱电电网

配电装置:定义
用来接收和分配电能，并对电力系统进行保护、监视、测量、指示、调整、变换和控制等工作的设备。

配电装置分类
船舶电站：主配电板(MSB)
船舶电网中间：分配电板(SSB)
应急电力系统：应急配电板(ESB)
蓄电池：充放电板(CDP)
分配电板：可分为动力配电板和照明配电板。

船舶用电设备分类:船舶各种机械的电力拖动
包括甲板机械、舱室机械、电力推进和工作船舶用的生产机械
船舶照明设备
船舶通讯和导航设备
舰船上生活所需的其它用电设备

船舶电力系统特点:船舶电站和电力系统容量较小；
船舶电气设备比较集中，电网较小。
舰船电气设备工作条件恶劣。

船舶电力系统的发展概况:舰船电力系统的发电功率逐年增大。
电力系统的设备性能和供电指标有了很大的提高。
电力系统实现集中控制和自动化。
在舰船电力系统中广泛采用各种新技术。

船舶电站自动化优点：维持船舶电力系统供电的连续性和可靠性，增强船舶运行的生命力。
提高船舶电站供电质量，使各用电负载处于良好的工作状态。
自动化技术的广泛应用充分发挥了电力设备的潜在功能，并使船员的操作量大大下降，劳动强度减轻。
减少船员，提高劳动生产率和船舶运行的经济指标。
自动化可以实现系统的最佳运行方式，提高设备运行的效率、经济性和安全性。

第二节 船舶电力系统基本参数

基本参数：
电流种类
电压等级
频率标准

功能
决定船舶电站工作的可靠性和电气设备的重量、价格和尺寸。

电流种类:分类：
直流和交流。

交流电站优点：
设备成本和维护保养方面的费用及工作量少；
交流动力网络与照明网络之间可通过变压器实现电气隔离；
交流电制有利于船舶电气化程度的提高和系统容量的增长。

二、电压等级:提高电压等级意义
可以减小电器元件的导电截面，节约有色金属。

例如：以电器在电压为127V时的重量为1，
则当电压为220V时重量为0.58；
380V时重量为0.33；
500V时重量为0.25。

我国发电设备的额定电压
230V（单相）
400V（三相）

船舶电站额定电压有向中压发展的趋势
国际电工委员会建议采用3.3kV电压；
英美等国在巨型船舶上采用3.3、6.6kV；
德国允许最高工作电源电压为11000V。

三、额定频率:船舶交流电力系统现行额定频率有工频和中频两种。
工频是船舶动力电气设备使用的频率，有50Hz和60Hz两种。
提高频率，可以提高自动化系统动作的快速性，降低电气设备的重量和尺寸。
近年来，国外有些军舰已开始采用400Hz频率供电，我国舰船规范也推荐优先采用400Hz频率。

电源采用中频400Hz的优点:减少电气设备重量。
用静止整流器对直流用电设备供电时，滤波要求低。
因短路电流近似与短路电路电抗成反比，电抗随着频率而增大，因此可限制短路电流。
动态性能好。
电动机在高频轻载时， 高。

第三节 船舶电站

由原动机、发电机和主配电装置组成。
按原动机类型分类：
柴油发电机组
汽轮发电机组
燃气轮机发电机组
蒸汽发电机组
轴带发电机组
核能发电机组

主配电装置:定义：船舶电力系统的中枢，其作用是用来控制和监视主发电机的工作，并将主发电机送出的电能向全船电网进行分配。

军用船舶：布置在船舶防护较好的地方。

民用船舶：安装于机舱控制室内。

主配电装置:发电机控制屏
并车屏
负载屏
连接母线

发电机控制屏组成:
发电机主开关及其指示操作部分
发电机的保护
发电机的励磁控制与调节
发电机频率手动调节
测量部分

发电机并车屏组成:分段母线的隔离开关
手动及自动并车时的检查
测量仪表
转换开关

发电机负载屏组成:控制负载供电的自动开关
测量装置
报警装置

分类
动力负载屏
照明负载屏

连接母线:从连接母线(汇流排)的连接上能直接反映出全船的供、配电情况。
公共母线可为一整体，也可分两段，中间用隔离开关连接。
采用分段母线的方式，发电机组可以并联供电，也可单独分区供电。

第四节 船舶电网

船舶电网
船舶电缆、导线和配电装置，以一定的联接方式组成的整体；
联接电源和负载之间的桥梁。
基本要求
生命力强；
经济性好；
安装、使用和维护方便、灵活。

船舶电网的线制:直流电的船舶
双线绝缘系统

负极接地双线系统

直流电的船舶
以船体作为负极回路的单线系统

交流单相的船舶
双线绝缘系统
一线接地的双线系统

三相交流电的船舶
有:三线绝缘系统(三相三线系统)、
中点接地的四线系统(三相四线系统)
利用船体作为中性线回路的三线系统(中点接地的三线系统)。

供电网络和配电网络

供电网络
指主发电机与主配电板之间、应急发电机与应急配电板之间、主配电板之间，以及主配电板与应急配电板之间的电气联接网络。
配电网络
指主配电板及应急配电板到用电设备的网络。

主配电板与分配电板之间的网络为一次配电网络。
分配电板到各用电负载之间的网络为二次配网络。

供电网络:单主电站供电网络：多用于民用船舶

多主电站供电网络：多用于军用舰艇及大型客船

配电网络

动力电网：供电给电动机负载和600W以上的电热装置和1kW以上的探照灯。
正常照明电网：联接到主配电板变压器副边，供电给照明分配电箱。
应急电网：正常电网失电，能自动接通。
小应急电网：24V蓄电池。
弱电电网：向全船无线电通讯设备、助航设备、通讯设备、信号报警系统供电。

配电电网的结线方式:馈线式 干线式

混合式

配电系统图和电力系统图

配电系统图：用来表示各电源装置与各受电器之间的联系。
电力系统图：分一次网络系统图和二次网络系统图。
一次网络系统图：表示从电源、主配电板到各分配电箱(板)及从主配电板到由它直接供电的用电器间的联系。
二次网络系统图：表示从分配电箱到各用电器间的联系。

第五节 配电装置

船舶配电装置
用来接收和分配电能的电气装置，对电力系统进行控制、保护、测量和调整。
组成包括：
开关电器
保护及自动化设备
测量仪表
调节和信号装置
联接母线

船舶配电装置

功能：
正常运行时接通和开断电路。
电力系统发生不正常运行时，保护装置动作，进行报警或切断故障电路。
测量和显示运行中的各种参数。
调整某些电气参数或有关的其他参数。
信号指示正常和不正常工作状态。

配电装置的分类

按用途分类
(1)总配电板(主配电板)
(2)应急配电板
(3)充放电板
(4)岸电箱
(5)分配电板(分配电箱)

按结构型式分3类:
(1)防护式
(2)防滴式
(3)防水式

配电装置结构设计和布置的要求

配电装置的骨架和箱体应有足够强度，使用在振动和冲击下不发生有害变形。
配电装置应在保证电气性能的前提下，具有最小的尺寸和重量。
配电装置的电器布置应便于控制、观看、调整、检修和拆换。
主配电板应布置在防护较好的地点。
分配电板应安装在靠近其供电的负荷集中区域，以缩短线路，方便操作。

第六节 船舶电力系统的可靠性及生命力概念

可靠性：指研究对象在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
规定条件：指研究对象所处的环境、运行条件和工作方式。
环境：可分为气候、生化、机械和电磁等方面，如温度、湿度、震动、噪音等。
运行条件：指对象的工作电压、电流、应力等。
工作方式：指连续工作或断续工作，以及状态转换等。

可靠性分固有可靠性和使用可靠性两种。
可靠性用可靠度或故障率来衡量，均与概率有关。
可靠性研究不能脱离具体研究对象。
船舶电力系统的可靠性：在其所处的特定条件下，在船舶的生命期内，能保证不间断供电且保证一定的电能质量的能力。

保证可靠性的措施

组成系统的各元器件或设备应有足够的可靠性。
系统设计时保证供电量、运行安全和维护方便。
制订系统的操作和维护规章制度，尽可能减少或避免人为失误。
通过检测手段，在故障前兆时期及时报警，以避免故障发生。
把大系统划分成多个不同功能的子系统，各个系统保持相对独立性。
有必要的后备保障。

应急电力系统

应急电力系统
船舶电力系统(称为主系统) 的后备系统。
作用：在主系统发生故障时，替代主系统向重要负载供电。

应急电力系统分类
以柴油发电机组作为电源，叫大应急系统；
以蓄电池组及其充电设备作电源，叫临时应急系统或小应急系统。

船舶电力系统的生命力概念

舰艇电力系统的生命力：指其在战斗或事故中破损时，仍能保证不间断供电的能力。

采用措施:
电站：采用多主电站方案。
电网：除馈线式(辐射式)、混合式(馈线式+干线式)外，还有环形和网形结线方式。
分区供电方式反映了可靠性、生命力和经济性并重的思想。

第二章 电站参数选择

第一节 概述
第二节 三类负荷法
第三节 需要系数法

电力负荷计算方法

根据实船负荷情况作记录和统计
昼夜航行图表法
适用于小船或电力辅机不多的船舶。
概率论法
对设计同类型船舶适用。
负荷系数法
方法最简单，结果较准确，直观且便于检查。
计算机仿真计算
用算式计算船舶电力负荷
算式计算法结果通常偏大。

负荷系数法

又称负荷表格法。分类：
需要系数法
三类负荷法

三类负荷法把负荷分成
偶然短时使用
重复短时使用
长期使用三类

第二节 三类负荷法

一、船舶运行状态及用电设备的分类
二、负荷表的编制与计算

三类负荷法：基于电力负荷分类模型的一种电力负荷计算方法，考虑了舰船电力负荷的特点，将影响负荷变化的因素分别用各自的系数来表达，从而提高了计算精度。

一、船舶运行状态

民用船舶的运行状态：
航行状态；
进出港状态；
离靠码头状态；
停泊状态；
装卸货状态；
应急状态；
应急发电机工作状态。

水面舰艇的运行状态

停泊状态
指舰艇停泊或靠岸，包括停泊日常训练所需用电。
起锚防空状态
包括起锚完毕到主机起动的整个备航状态，同时要进行防空，使用对空武器。
经济航行状态
以经济航速在海区正常航行。
备战经济航行状态
备战经济航行状态是指编队经济航行并处于备战状态。
战斗状态
保证战斗活动的所有电气设备投入工作。

用电设备分类---按用途和系统分类

机舱辅机
包括为主机、锅炉服务的辅机，以及全船性服务的辅机。
甲板机械
包括舵机、起货机、锚机、绞盘机和舷梯起吊机等。
冷藏通风
包括冷藏货舱、伙食冷库的空调装置和通风机等。
机修机械
包括车床、钻床、刨床、电焊机及机舱起重行车等。

用电设备分类---按用途和系统分类

照明及生活设备
包括照明、航行信号灯、强光灯、电热器、电灶、空调等。
弱电设备
包括观察、通讯和导航设备。
其它特种船需要的设备和电力推进等
包括火炮、鱼雷、水雷、导弹等的操纵机械、发射机械、计算机指挥仪及消磁装置等。

用电设备分类---按负荷分类

(1)第一类负荷
指船舶在某一运行状态下连续使用的负荷。
(2)第二类负荷
指在某一运行状态下，短时或重复短时使用的负荷。
(3)第三类负荷
指船舶在某一运行状态下偶然短时使用的负荷，以及按操作规程可以避开电站尖峰负荷时间使用的负荷。

二、负荷表的编制与计算

1.确定各项负荷的已知条件和数据
负荷名称、用途、类别。
同种类负荷的数量m。
负荷的额定数据，即机械轴上最大功率 。
机械轴所配电动机额定功率 ，额定转速 、额定功率因数、额定效率 。
电动机利用系数

用电设备需要电网供给的最大功率

机械负荷系数

同时使用系数

K0I、K0II选择原则

在大的舰船上，由于负载数量多，同时工作的可能性小些。因此同时工作系数比负载少的舰船可取小些。
舰船活动愈紧张，同时工作系数就取得愈大，因为设备的同时工作可能性愈大。

通常，K0I在0.8-1.0范围内，K0II在0.3-1.0范围内。

某状态需要发电机供给的总功率

总有功功率：

总无功功率：

式中： ——该状态下第Ⅰ、Ⅱ类负荷总有功功率；
——该状态下第Ⅰ、Ⅱ类负荷总无功功率。

在该状态下负荷的加权平均功率因数

在该状态下可能短时需要的最大负荷

式中： —该状态下第III类负荷总有功功率。

负荷表的编制过程

向轮机部门收集全船用电设备原始资料 ，包括 ，并据此从产品目录中找出 等数据。

确定运行状态，并将全部用电设备分类连同已知数据填入表中。

确定系数K1 、K2和K0，并计算各组负荷所需功率。
计算每一状态下各类负荷所需总功率。
根据总同时使用系数K01 、K02并计及电网损耗5%，确定各状态所需的电站功率。
根据上述计算结果，查对产品目录，选择发电机功率和数量，并核对各状态下发电机负荷百分率，最后用可能短时需要最大负荷校验发电机过载能力是否满足。

3.选择发电机的要求

必须保证各种运行状态下最大用电量并都有备用机组，备用机组容量应不小于运行机组中最大一台机组的容量。主发电机一旦故障，能立即投入供电。
每台机组运行负荷率为80%左右。
发电机的类型和功率应尽可能一致，以减少备品和增强发电机组之间的换性，并联运行也较方便。
舰船在停泊状态的用电量小于最小一台发电机的50%时，可安装停泊发电机。

发电机台数应尽量少，以使维护简单、管理方便，但也不能太少，发电机长期轻载运行，这样不经济。一般选用2-4台。
应急状态应单独选应急发电机，不设备用机。
对于舰艇，为了提高其生命力，应增加发电机台数和电站数，如大型舰艇为3-4个电站，中小垫舰艇(如护卫舰、驱逐舰)不少于2个，小艇1个。当一艘舰艇上有两个电站时，每一电站要安装两台发电机，实施分区供电以提高供电的生命力。

在知道发电机的单机容量后，可按配套产品目录选出原动机。

第三节 需要系数法

需要系数：用电设备实际所需要的功率与额定负载时所需的功率的比值

式中： ——用电设备实际所需功率；
——用电设备额定功率。

一、计算方法

计算各类负荷的额定所需功率Psn、照明设备和弱电设备的额定所需功率，即采用其安装总功率。
查表选择各类负荷的需要系数入Kc。
起货机负荷的需要系数。此系数随起货机电气控制方式和台数而不同，可根据起货机负荷曲线确定。
将各类负荷的额定所需功率乘以需要系数后总加，便得到全船所需总功率P

二、计算步骤

计算各电动机和其它电气设备的额定所需功率。
选择计算工况，并确定各工况下所需使用的电气设备。
估计各辅机和各电气设备实际使用功率，了解使用情况并确定需要系数。
计算各电气设备的所需功率，并计算总功率。
考虑5%的电网损失，计算所需总功率。
选择发电机组，计算各工况下发电机的负荷百分率。一般发电机组应有10%-20%的功率余量，因此发电机负荷度不超过80%-90%。

第三章 舰船同步发电机投入并联工作

第一节 概述
第二节 手动准同步方法
第三节 电抗同步方法
第四节 自动准同步原理

第一节 概述

通常船舶主电站由两台或两台以上型号、规格相同的发电机组成。

多台发电机并联运行状态的实现方法：
第一台发电机起动后无条件接入电网，
从第二台发电机起，依次起动，须经“投入并联”的操作接入电网。

“投入并联”也叫“并车”。

并车条件

待并发电机输出电压的幅值与电网电压幅值相等；
待并发电机输出电压的频率与电网频率相等；
待并发电机输出电压的相位与电网电压的相位相等。

简言之，要求两发电机的电压瞬时值完全相等。

并车条件

假设：
待并发电机的瞬时电压为：
电网的瞬时电压为：
条件

暂态过程

定义：待并发电机主开关闭合瞬间的电路状态。
电路变换过程
首先进入次暂态过程，电枢回路的阻抗从次暂态电抗 渐变为 ，进入暂态， 再渐变为 ，进入稳态。
当发电机转子无阻尼绕组时，无次暂态，仅从 渐变为 。

并车条件分析---等值电路

实用的并车条件

电压幅值偏差在 10%以内，
频率偏差在 1%以内，
相位差在 15电角度以内。

并车方法分类

准(确)同步法
直接按上述三条件实现并车的方法。
可分为手动准同步法和自动准同步法两种。
电抗同步法或粗同步法
通过增加并车电抗器及相应附属电器使并车条件适当放宽，操作较为简捷的一种并车方法。
这是目前我国船舶广泛应用的一种并车方法。

第二节 手动准同步方法

定义：
由操作人员观察仪表、指示器并相应手动调整有关参数，使待并发电机满足准同步并车三条件，并在恰当时刻完成待并发电机接入电网(待并发电机的主开关闭合，也叫合闸)的操作，叫做手动准同步并车(操作) 。

手动准同步并车步骤是:

第一步，起动待并发电机，加上励磁，建立电压。
第二步，观察电压表。
电压表有两个，一个指示待并发电机输出电压，另一个指示电网(汇流排)电压。
判断两电压表指示的电压偏差是否在 10%以内，若两者偏差过大，则应手动调整待并发电机调压器的有关旋钮或手柄，使Ug接近Un。

第三步，观察频率表。
频率表有两个。
判断频率偏差是否在 1%以内。若偏差过大，则应手动调整待并发电机的原动机转速。
实船操作时，调整待并发电机的参数时，通常使Ug略大于Un，fg略大于fn 。

第四步，检测相位差。 检测相位差有两类指示器
一类为指示灯。即灯光明暗法和灯光旋转法。
另一类指示器是同步表，也叫整步表或同步指示器。

(1)灯光明暗法 ΔU=0，指示灯不发光。

(2)灯光旋转法 灯1灭，灯2和灯3亮度相同，表示δ=0。

(3)同步表法 δ=0，指针指示钟表12时位置上。 同步表法接线图

第五步，选择恰当时刻合闸。
开关固有动作时间
主开关从接受合闸指令到真正闭合电路有一个时间延滞ts。
大小约在0.1S这个数量级。
为了使合闸时刻δ=0，发合闸指令应取一定的时间或相位差提前量。

结论

并车操作包括观察仪表，调整(电压和频率)及选择恰当时刻合闸；
全过程能否快速、理想地完成，取决于操作人员的素质和经验；
为了降低操作难度，保证人工操作的安全性，产生了电抗器并车的方法(粗同步并车法)。

第三节 电抗同步方法

原理：
放宽了准同步并车的条件，其中电压条件不变，频率条件放宽到Δf在 3%以内，相位条件放宽到δ≠180 ，即δ几乎不受限制。
因此，又称为粗同步并车方法。

粗同步并车过程

当起动待并发电机G,并建立电压后，检测并车条件(放宽了的)，若满足条件，首先合上S2，使G通过并车电抗器LS接入电网。电抗器限制了并车冲击电流，保证了投入并联的安全性。经一定时间的整步作用，再合上Q，并且打开S2，完成整个并车操作。

二、并车电抗器

作用：
限制并车条件放宽后可能出现的过大的并车冲击电流。

要求：
在通过大电流的条件下，电抗值应能稳定不变。
电抗器必须有较大的电抗值；

电抗器值计算

忽略发电机电枢电阻及并车电抗器电阻；
设两发电机次暂态电抗相同，为 ；
开关S2闭合瞬间产生环流的直流分量仅持续几十毫秒，因此并车电抗器主要用来限制冲击电流的交流分量。

冲击电流的交流分量 为

考虑最恶劣的相角条件，即

几点说明：

尽管并车电杭器是根据δ=180°条件计算的，但我们已经知道δ角越大，自整步作用就越小，而有可能使发电机长时间不能达到同步。因此，实际粗同步操作时，限制δ在90°以内才能保证并车的成功。
并车电杭器有标准产品，系统设计时可按计算值选用。
不同类型、不同功率的发电机组并车时，应根据使用要求规定并车方向，考虑相应的措施。为安全起见，粗同步并车电抗器应按功率小的机组设计。

并车接触器的选择步骤：

(1)初步选定接触器型号，从相应产品目录或资料中查出接触器触头热容量值 ，单位为
(2)取并车电抗器工作时间top =(6~8)s，作为接触器的持续接通时间，求出接触器允许短时冲击电流值I1(单位kA)

(3)按 原则，确定接触器额定容量。

自动准同步原理

自动准同步并车装置的功能
检测准同步并车的条件是否满足。
条件满足时，允许发合闸指令，应含有适当提前量。
当频率条件不满足时，应能根据频率差的方向及大小向待并发电机组发出调整信号。
当电压条件不满足时，由发电机自动电压调整装置进行自动调整。
相角条件是动态条件，不满足要求时不必调整，只需等待一段时间。

并车方法

模拟量并车方法：根据交流电压的模拟信号来检测并车条件，实现自动并车操作的方法。
数字量并车方法：利用计算机技术，根据数字信号实现的自动并车方法。

模拟量方法

待并发电机电压瞬时值为
电网电压瞬时值为
差频电压
差频电压瞬时值

锯齿波差频电压

用差频锯齿波鉴别差频符号

两相位鉴别法

移相鉴别原理和波形图

并车合闸指令的提前量

提前量由主开关固有动作时间决定。
有两种使提前量等于主开关固有动作时间的方法：恒定提前时间法和恒定提前相角法。

恒定提前相角的实现

恒定提前相角电路原理及波形

恒定提前时间法

自动准同步并车装置原理框图

数字量方法

频率差检测

数字量方法

频率调整
相位差检测与合闸控制

相位差检测流程图

第四章 船舶同步发电机电压及无功功率自动调整

第一节 概述
第二节 相复励原理
第三节 可控硅励磁装置
第四节 可控相复励原理
第五节 无刷励磁
第六节 并联运行的同步发电机之间无功功率 的分配与稳定

第一节 概述

船舶电网电压波动的原因---负载变动
一是负载的功率因数不变，负载电流幅值变化;
二是负载电流幅值不变，而功率因数变化。

同步发电机矢量图

当忽略发电机电枢电阻并考虑发电机为隐极型式时，电压平衡方程式为

式中： ——发电机端电压；
——发电机空载电势；
——发电机电枢电流；
——发电机同步电抗。

当E不变，而I的幅值或相位变化时，都将引起U的幅值变化。
由 可知，f和 的变化也将引起E的变化，从而使U变化。
若励磁电路中存在半导体元件，则环境温度也最终会影响到发电机输出电压的大小。

电压变化率、电压调整率

USM表示电压稳态极大值Usmax或极小值Usmin; UDM表示电压动态极大值UDmax或极小值UDmin

国标规定--1

1991年版中华人民共和国船舶检验局《内河钢船建造规范》3. 2. 2条规定
交流发电机连同其调整装置，在原动机正常速度特性情况下、当发电机的负载自空载至满载之间的任一负载时，并使功率因数保持额定值，发电机的稳态电压变化率应不超过额定电压的 2. 5%。应急发电机的稳态电压变率应不超过额定电压的 5%，额定容量小于50kVA的交流发电机，其稳态电压变化率应不超过额定电压的 5% 。

国标规定--2;1996年版中国船级社的《钢质海船入级与建造规范》4. 1.7.2条规定
由调速特性符合第3篇第7章或第8章或第9章要求的原动机驱动的交流发电机连其励磁系统，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，保持其稳定电压的变化率在额定电压的 2. 5%以内。应急发电机可允许为 3.5%以内。

国标规定--3 1996年版中国船级社的《钢质海船入级与建造规范》4.1.7.3条规定
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%以内所需的时间应不超过1.5s。

船用自动励磁调整装置的要求

电压变化率；
有足够的强励能力；
电磁兼容性 (electromagnetic compatibility)；
自励起压性能。

交流同步发电机励磁系统分类

第二节 相复励原理

自励：指从发电机电枢输出端取出一部分电能，经适当变换后用于自身励磁。
根据负载电流的大小变化作出的调整作用叫复励作用；
根据负载电流的相位变化作出的调整作用叫相位补偿作用。
综合起来叫做相复励作用。

励磁电流：

设发电机磁路不饱和，令 ，则

空载时I=0，为了维持空载电压，发电机需要空载励磁电流；负载时，为了保持端电压U不变，励磁电流必须增加第二部份，用来补偿电枢反应的作用。

励磁电流的第一部分与端电压有关，叫电压分量。
第二部分与负载电流有关，叫电流分量。

相复励原理

原理
发电机恒压的励磁电流规律

分类：
一、电流相加相复励
二、电磁相加相复励

一、电流相加相复励装置

电流相加相复励的等值电路

条件
忽略电抗器LC的电阻，设其电抗值为XLc；
忽略电流互感器的损耗 ；
设原、副边匝数比为Ki,则副边电流I’ =KiI。
I’的大小仅与I有关而与副边回路阻抗无关，即TA副边可看作一个电流源。

励磁电流求解

先考虑电压源作用，将电流源开路。

再考虑电流源作用，将电压源短路

所以，总励磁电流

几点讨论：

只要选择 ，就可保证发电机端电压恒定。
的意义：代表整流器UR交流侧的励磁电流；
电抗器LC是实现复励作用的必要条件，通常称电抗器LC为“复励阻抗”。
XLC的大小一旦确定，就不希望它变化 ，因此在铁心中保留有一段间隙，保证磁路不饱和，电抗值XLC是常数。因此，LC又叫“线性电抗器”。

相复励装置励磁电流矢量图

相复励的作用

1.复励作用

相复励的作用

2.相位补偿作用

二、电磁相加相复励装置

电磁相加相复励装置单相电路

单相等值电路

发电机自励起压过程特性曲线

第三节 可控硅励磁装置

可控硅励磁装置单相原理图

基本原理

取发电机端电压经变压器降压或直接作为可控硅主电路电源；同时发电机端电压经降压、整流、滤波后转换成平滑的直流电压，该电压与端电压大小成比例、通过与给定电压作比较，取得两者的偏差值，再用来控制可控硅的移相触发电路，调节可控角的导通角大小，从而实现对可控硅输出的励磁电流的调节。

控制系统方块图

应用受到限制的原因

1)这种自励型发电机系统的自激起压能力差，因此必须附加发电机起压辅助环节。
(2)当电网发生短路、电压大幅度跌落时，可控硅励磁装置无法提供必要的励磁电流，更谈不上强励能力了。
(3)可控硅提供的励磁电流直接由发电机供给，在可控硅触发导通瞬间会造成发电机端电压波形变形;其提供的励磁电流中也含有丰富的谐波成分，又会造成发电机端电压全周期内的变形。
(4)虽然可控硅励磁装置体积小、重量轻，但元件多。若某一元件不可靠，必将影响整个装置的可靠性。

第四节 可控相复励原理

结构
以相复励为励磁装置主体，加上根据电压偏差信号实现调节的电压校正器(AVR )部分组成。

功能
相复励部分保证了发电机的自激起压及强励性能，而且动态性能好，但相复励调节精度不太高。
由AVR进一步提高调压精度。

比较桥路及其特性曲线

基本原理

当Ui<Uw时，两条支路上均无电流流过
UCD=UAB；
当Ui>Uw时，稳压管两端电压为Uw，可得到电压平衡 ，
即 。

可控相复励种类

可控移相电抗器形式

可控相复励种类

可控电流互感器形式

可控相复励种类

可控饱和电抗器分流形式

可控相复励种类

可控硅分流形式

第五节 无刷励磁

无刷励磁

基本思路：把常规发电机定、转子间的电的联系改为磁的联系。
结构：发电机采用旋转磁场式，其转子为励磁绕组；交流励磁机采用旋转电枢式、其定子为励磁绕组。发电机的励磁绕组和励磁机的电枢绕组固定于同一转轴上，转轴上还有整流器，称为旋转整流器。励磁机的励磁电流则由发电机通过励磁调节装置提供。

改善动态性能的措施

(1)电机采用隐极转子，减小转子漏抗，从而减小暂态电抗Xd’，电压恢复时问较短。
(2)在发电机转子上安装完全的阻尼绕组，使次暂态电抗Xd"减小。
(3)适当提高交流励磁机的频率，以减小其时间常数。
(4)采用强励性能好的励磁装置。
(5)改旋转整流器为旋转可控硅。

采用旋转可控硅的无刷励磁

有辅助励磁机的无刷励磁系统

1FC5型无刷励磁装置原理图

第六节 并联运行的同步发动机#之间功功率的分配与稳定

发电机并联运行与单机运行
首先，电网电压(用汇流排电压表示)与各发电机端电压相等，因此每一台发电机的励磁电流的变化将影响整个电网的电压变化。
另外，当负载要求的总无功功率不变时，还产生了各台发电机承担多少无功功率的问题。
(1)怎样分配才是合理的或是最佳的；
(2)分配不符合要求时，怎样转移各台发电机承担的无功，使之趋于合理；
(3)达到合理分配状态时，能否保持下去，即分配是否稳定。

无功功率的合理分配

《钢质海船入级与建造规范》4.1.7.6条规定，
并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的20%-100%范围内变化时，各发电机组所承担的无功功率与总无功负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者:
最大机组额定无功功率的±10%；
最小机组额定无功功率的±25%。
我国《内河钢船建造规范》中也有类似的要求。
总之，规范要求无功功率按发电机额定功率比例进行分配。认为这样的分配是合理的。

发电机并联工作时的环流

并联运行发电机之间的矢量关系

二、无功功率转移

电势不等，无功分配不均；电势相等，无功也就均匀分配，因此要使无功功率均匀分配必须调整电势。
调整电势的方法就是调节励磁电流。
调励磁电流不希望改变电网电压，因此在减少一台发电机励磁电流的同时，必须相应地增加另一台发电机的励磁电流。
因电网电压不变，自动励磁调节装置是不会进行自动调整的，所以，转移无功的励磁调节是人为的调节或附加装置的自动调节。

三、无功功率分配的稳定性讨论

1.发电机的调压特性

2.无差特性
无差特性是呈水平直线的调压特性，即当无功电流IQ变化时，端电压变化ΔU=0的特性。当IQ变化时，去磁的电枢反应变化，必定引起端电压的变化(单机运行时)，但ΔU=0说明自动励磁调整装置AVR在起作用，调节属可控类型。

3.有差特性
有差特性是指当IQ增大时，ΔU也增大的调压特性。由于自动励磁调节装置的调节作用，ΔU的变化虽存在，但比发电机的外特性上ΔU的变化要小得多。简化看，可认为有差特性是一根略向右倾斜的直线。

4.调差系数Kc
Kc是指调压特性下倾角的正切值，定义值不小于0

当把特性看作一根直线，且U和IQ采用标么值时,Kc表示发电机系统的静态电压调整率

从公式可看出，无差特性的 =0，有差特性的 >0。

四、调差环节原理

单相测量变压器的调差电路

调差电路的矢量关系

五、差动环流补偿电路原理

差动环流补偿电路的等值电路

六、均压线

第五章 船舶同步发电机#频率及有功功率自动调整

第一节 概述
第二节 调速器作用原理和特性
第三节 并联运行的同步发电机之间有功功率的分配
第四节 自动频载调节装置原理

第一节 概述

船舶电站负载发生变化，使原动机的驱动功率与发电机组负载功率的平衡关系被破坏，引起发电机组转速的变化，而使电网频率发生变化（f=Pn/60）。
当电网频率降低时，由于异步电动机的转速下降，轴上输出功率和效率降低。在电动机电压不变的情况下，磁化电流增加会引起铁芯和绕组发热；当频率高于额定值时，电动机转速升高，其输出功率增加，使电动机过载。

国标规定---1

《钢质海船入级与建造规范》第3篇9.7.3.1条
带动发电机的原动机(包括柴油机和汽轮机)须装有调速器，其调速特性应符合下列规定:当突然卸去额定负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%,稳定调速率不大于额定转速的5%，稳定时间(即转速恢复到波动率为±1%范围的时间)不超过5s。

动态调速特性

国标规定---2

《钢质海船入级与建造规范》第4篇第4.1.7.6条
并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的20%~100%范围内变化时，各机组所承担的有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者:
(1)最大机组额定有功功率的±15%。
(2)各个机组额定有功功率的±25%。

一次调节与二次调节

频率的一次调节
当柴油发电机组输出功率变化时,依靠柴油机调速器的固有特性自动改变油门的开度，实现频率与机组间功率的分配及平衡的过程。
频率的二次调节
通过手动或自动频载调节器，控制伺服电动机的正反转，改变调速器弹簧的压力，使调速特性上下平移.实现频率和机组功率的分配的调节过程。

第二节 调速器作用原理和特性

柴油机调速系统原理图

电子调速器框图

调速特性

调速特性

有差调速特性
在新的稳定平衡状态下，柴油机承担负荷增大，进油量也增加，但转速却下降。

无差调速特性
转速(或频率)与输出功率大小无关。

调差系数Kc