1、第四章 船舶同步發(fā)電機(jī)電壓及無功功率自動調(diào)整o第一節(jié) 概述o第二節(jié) 相復(fù)勵原理o第三節(jié) 可控硅勵磁裝置o第四節(jié) 可控相復(fù)勵原理o第五節(jié) 無刷勵磁o第六節(jié) 并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)之間無功功率 的分配與穩(wěn)定第一節(jié) 概述o 船舶電網(wǎng)電壓波動的原因-負(fù)載變動n 一是負(fù)載的功率因數(shù)不變，負(fù)載電流幅值變化;n 二是負(fù)載電流幅值不變，而功率因數(shù)變化。同步發(fā)電機(jī)矢量圖o 當(dāng)忽略發(fā)電機(jī)電樞電阻并考慮發(fā)電機(jī)為隱極型式時，電壓平衡方程式為 式中： 發(fā)電機(jī)端電壓； 發(fā)電機(jī)空載電勢； 發(fā)電機(jī)電樞電流； 發(fā)電機(jī)同步電抗。dXI jEUdXUEI幾點(diǎn)說明：o 當(dāng)E不變，而I的幅值或相位變化時，都將引起U的幅值變化。o 由 可

2、知，f和 的變化也將引起E的變化，從而使U變化。o 若勵磁電路中存在半導(dǎo)體元件，則環(huán)境溫度也最終會影響到發(fā)電機(jī)輸出電壓的大小。4.44mEnfmdXI jEU電壓變化率、電壓調(diào)整率o USM表示電壓穩(wěn)態(tài)極大值Usmax或極小值Usmin; UDM表示電壓動態(tài)極大值UDmax或極小值UDmin%100%SMNSNUUUU0%100%DMDNUUUU式中： 發(fā)電機(jī)額定電壓，V； 動態(tài)變化前的電壓，V。NU0U國標(biāo)規(guī)定-1o 1991年版中華人民共和國船舶檢驗(yàn)局內(nèi)河鋼船建造規(guī)范3. 2. 2條規(guī)定 交流發(fā)電機(jī)連同其調(diào)整裝置，在原動機(jī)正常速度特性情況下、當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載自空載至滿載之間的任一負(fù)載時，并使

3、功率因數(shù)保持額定值，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓變化率應(yīng)不超過額定電壓的 2. 5%。應(yīng)急發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓變化率應(yīng)不超過額定電壓的 5%，額定容量小于50kVA的交流發(fā)電機(jī)，其穩(wěn)態(tài)電壓變化率應(yīng)不超過額定電壓的 5% 。國標(biāo)規(guī)定-2o 1996年版中國船級社的鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范4. 1.7.2條規(guī)定n 由調(diào)速特性符合第3篇第7章或第8章或第9章要求的原動機(jī)驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)連其勵磁系統(tǒng)，應(yīng)能在負(fù)載自空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)，且其功率因數(shù)為額定值情況下，保持其穩(wěn)定電壓的變化率在額定電壓的 2. 5%以內(nèi)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)可允許為 3.5%以內(nèi)。國標(biāo)規(guī)定-3o 1996年版中國船級社的鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范4.1.7.

4、3條規(guī)定n 交流發(fā)電機(jī)在負(fù)載為空載，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，電壓接近額定值狀態(tài)下，突加和突卸60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4(滯后)的對稱負(fù)載時，當(dāng)電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%；當(dāng)電壓上升時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不超過額定電壓的120%，而電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差3%以內(nèi)所需的時間應(yīng)不超過1.5s。船用自動勵磁調(diào)整裝置的要求1.電壓變化率；2.有足夠的強(qiáng)勵能力；3.電磁兼容性 (electromagnetic compatibility)；4.自勵起壓性能。 交流同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)分類(1)(1)()碳阻式帶直流勵磁機(jī) (2)磁放大器式(3)相復(fù)勵他 勵同步勵磁機(jī)(帶旋轉(zhuǎn)整流器)帶

5、交流勵磁機(jī)無刷勵磁(2)異步勵磁機(jī)交流同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)分類(1)( 2 )(3 )( 4 )(1)()(3 )(1)( 2 )(1)( 2 )(3 ) 電 流 迭 加電 抗 移 相電 壓 迭 加諧 振 式 不 可 控 相 復(fù) 勵電 磁 迭 加磁 分 路曲 折 聯(lián) 接可 控 電 流 互 感 器可 控 相 復(fù) 勵可 控 硅不 可 控 相 復(fù) 勵( 2 ) 控 制 勵 磁 電 流 交 流 側(cè) 分 流靜 止 自 勵飽 和 電 抗 器電 壓 校 正控 制 勵 磁 電 流 直 流 側(cè) 分 流無 電 流 復(fù) 合可 控 硅 勵 磁有 電 流 復(fù) 合基 本 型三 次 諧 波 勵 磁基 波三 次 諧 波 混 合

6、 勵 磁混 合 勵 磁電壓 校 正 器交流同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)分類(1)(2)(3)可控相復(fù)勵+無刷勵磁混 合三次諧波勵磁無刷勵磁無刷勵磁采用旋轉(zhuǎn)可控硅整流器第二節(jié) 相復(fù)勵原理o 自勵自勵：指從發(fā)電機(jī)電樞輸出端取出一部分電能，經(jīng)適當(dāng)變換后用于自身勵磁。o 根據(jù)負(fù)載電流的大小變化作出的調(diào)整作用叫復(fù)勵作用復(fù)勵作用；o 根據(jù)負(fù)載電流的相位變化作出的調(diào)整作用叫相位補(bǔ)償作用相位補(bǔ)償作用。o 綜合起來叫做相復(fù)勵作用相復(fù)勵作用。勵磁電流：o 設(shè)發(fā)電機(jī)磁路不飽和，令 ，則o 空載時I=0，為了維持空載電壓，發(fā)電機(jī)需要空載勵磁電流；負(fù)載時，為了保持端電壓U不變，勵磁電流必須增加第二部份，用來補(bǔ)償電樞反應(yīng)的作用。發(fā)

7、電機(jī)恒壓的勵磁電流規(guī)律fIKE1IKjXUKIdf111u 勵磁電流的第一部分與端電壓有關(guān)，叫電壓分量電壓分量。u 第二部分與負(fù)載電流有關(guān)，叫電流分量電流分量。 IKjXUKIdf111相復(fù)勵原理o 原理n 發(fā)電機(jī)恒壓的勵磁電流規(guī)律o 分類：n 一、電流相加相復(fù)勵n 二、電磁相加相復(fù)勵一、電流相加相復(fù)勵裝置交流側(cè)電流相加電流相加相復(fù)勵的等值電路o 條件n忽略電抗器LC的電阻，設(shè)其電抗值為XLc；n忽略電流互感器的損耗 ；n設(shè)原、副邊匝數(shù)比為Ki,則副邊電流I =KiI。nI的大小僅與I有關(guān)而與副邊回路阻抗無關(guān)，即TA副邊可看作一個電流源。勵磁電流求解先考慮電壓源作用，將電流源開路。 再考慮電流

8、源作用，將電壓源短路所以，總勵磁電流LCffujXRUIIKjXRjXIiLCfLCfiIKjXRjXjXRUIIIiLCfLCLCffifuf幾點(diǎn)討論：o 只要選擇 ，就可保證發(fā)電機(jī)端電壓恒定。o 的意義：代表整流器代表整流器UR交流側(cè)的勵磁電流交流側(cè)的勵磁電流； o 電抗器LC是實(shí)現(xiàn)復(fù)勵作用的必要條件，通常稱電抗器LC為“復(fù)勵阻抗復(fù)勵阻抗”。o XLC的大小一旦確定，就不希望它變化 ，因此在鐵心中保留有一段間隙，保證磁路不飽和，電抗值XLC是常數(shù)。因此，LC又叫“線性電抗器線性電抗器”。,fLCiidLCRjXK KXXIKjXRjXjXRUIIIiLCfLCLCffifuffI相復(fù)勵裝置

9、勵磁電流矢量圖相復(fù)勵的作用o 1.復(fù)勵作用o 2.相位補(bǔ)償作用相復(fù)勵的作用二、電磁相加相復(fù)勵裝置電磁相加相復(fù)勵裝置單相電路單相等值電路發(fā)電機(jī)自勵起壓過程特性曲線第三節(jié) 可控硅勵磁裝置o 可控硅勵磁裝置單相原理圖基本原理n 取發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)變壓器降壓或直接作為可控硅主電路電源；同時發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)降壓、整流、濾波后轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓，該電壓與端電壓大小成比例、通過與給定電壓作比較，取得兩者的偏差值，再用來控制可控硅的移相觸發(fā)電路，調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角大小，從而實(shí)現(xiàn)對可控硅輸出的勵磁電流的調(diào)節(jié)。 控制系統(tǒng)方塊圖應(yīng)用受到限制的原因o 1)這種自勵型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的自激起壓能力差自激起壓能力差，因此必須附加

10、發(fā)電機(jī)起壓輔助環(huán)節(jié)。o (2)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路、電壓大幅度跌落時，可控硅勵磁裝置無法提供必要的勵磁電流無法提供必要的勵磁電流，更談不上強(qiáng)勵能力了。o (3)可控硅提供的勵磁電流直接由發(fā)電機(jī)供給，在可控硅觸發(fā)導(dǎo)通瞬間導(dǎo)通瞬間會造成發(fā)電機(jī)端電壓波形變形端電壓波形變形;其提供的勵磁電流中也含有豐富的諧波豐富的諧波成分，又會造成發(fā)電機(jī)端電壓全周期內(nèi)的變形。o (4)雖然可控硅勵磁裝置體積小、重量輕，但元件多。若某一元件不可靠，必將影響整個裝置的可靠性。第四節(jié) 可控相復(fù)勵原理o 結(jié)構(gòu)n 以相復(fù)勵為勵磁裝置主體，加上根據(jù)電壓偏差信號實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的電壓校正器(AVR )部分組成。o 功能n 相復(fù)勵部分保證了發(fā)電機(jī)

11、的自激起壓及強(qiáng)勵性能，而且動態(tài)性能好，但相復(fù)勵調(diào)節(jié)精度不太高。n 由AVR進(jìn)一步提高調(diào)壓精度。比較橋路及其特性曲線 ABCRRWWDUiUWUW2UWUU+UOOi-UoUUo(a)(b)基本原理o 當(dāng)UiUw時，穩(wěn)壓管兩端電壓為Uw，可得到電壓平衡 ， 即 。WDCWABUUUUABWCDUUU 2可控相復(fù)勵種類 可控移相電抗器形式可控相復(fù)勵種類 可控電流互感器形式可控相復(fù)勵種類 可控飽和電抗器分流形式可控相復(fù)勵種類 可控硅分流形式第五節(jié) 無刷勵磁勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)(轉(zhuǎn)子)(定子)1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(磁場)；2旋轉(zhuǎn)整流器；3勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子(電樞)；4發(fā)電機(jī)定子(電樞)；5勵磁機(jī)定子(磁場)；6自動電壓調(diào)整器

12、(AVR)無刷勵磁o 基本思路：把常規(guī)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的電的聯(lián)系改為磁的聯(lián)系。o 結(jié)構(gòu)：發(fā)電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)磁場式，其轉(zhuǎn)子為勵磁繞組；交流勵磁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)電樞式、其定子為勵磁繞組。發(fā)電機(jī)的勵磁繞組和勵磁機(jī)的電樞繞組固定于同一轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸上還有整流器，稱為旋轉(zhuǎn)整流器。勵磁機(jī)的勵磁電流則由發(fā)電機(jī)通過勵磁調(diào)節(jié)裝置提供。 改善動態(tài)性能的措施o (1)電機(jī)采用隱極轉(zhuǎn)子，減小轉(zhuǎn)子漏抗，從而減小暫態(tài)電抗Xd，電壓恢復(fù)時問較短。o (2)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝完全的阻尼繞組，使次暫態(tài)電抗Xd減小。o (3)適當(dāng)提高交流勵磁機(jī)的頻率，以減小其時間常數(shù)。o (4)采用強(qiáng)勵性能好的勵磁裝置。o (5)改旋轉(zhuǎn)整流器為旋轉(zhuǎn)可控硅。

13、采用旋轉(zhuǎn)可控硅的無刷勵磁 勵磁調(diào)節(jié)裝置GE轉(zhuǎn)子圖9-46 有輔助勵磁機(jī)的無刷勵磁系統(tǒng)SNEPE電源信號G勵磁調(diào)節(jié)裝置有輔助勵磁機(jī)的無刷勵磁系統(tǒng) 1FC5型無刷勵磁裝置原理圖第六節(jié) 并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)之間無功功率的分配與穩(wěn)定o 發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行與單機(jī)運(yùn)行n 首先，電網(wǎng)電壓(用匯流排電壓表示)與各發(fā)電機(jī)端電壓相等，因此每一臺發(fā)電機(jī)的勵磁電流的變化將影響整個電網(wǎng)的電壓變化。n 另外，當(dāng)負(fù)載要求的總無功功率不變時，還產(chǎn)生了各臺發(fā)電機(jī)承擔(dān)多少無功功率的問題。o (1)怎樣分配才是合理的或是最佳的；o (2)分配不符合要求時，怎樣轉(zhuǎn)移各臺發(fā)電機(jī)承擔(dān)的無功，使之趨于合理；o (3)達(dá)到合理分配狀態(tài)時，能否保

14、持下去，即分配是否穩(wěn)定。無功功率的合理分配o 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范4.1.7.6條規(guī)定，n 并聯(lián)運(yùn)行的各交流發(fā)電機(jī)組均應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行，且當(dāng)負(fù)載在總額定負(fù)載的20%-100%范圍內(nèi)變化時，各發(fā)電機(jī)組所承擔(dān)的無功功率與總無功負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差，應(yīng)不超過下列數(shù)值中的較小者: o 最大機(jī)組額定無功功率的10%；o 最小機(jī)組額定無功功率的25%。o 我國內(nèi)河鋼船建造規(guī)范中也有類似的要求。 o 總之，規(guī)范要求無功功率按發(fā)電機(jī)額定功率比例進(jìn)行分配。認(rèn)為這樣的分配是合理的。發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作時的環(huán)流 并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)之間的矢量關(guān)系二、無功功率轉(zhuǎn)移o 電勢不等，無功分配不均；電勢相等，無功也就均勻分配，因此

15、要使無功功率均勻分配必須調(diào)整電勢。o 調(diào)整電勢的方法就是調(diào)節(jié)勵磁電流。o 調(diào)勵磁電流不希望改變電網(wǎng)電壓，因此在減少一臺發(fā)電機(jī)勵磁電流的同時，必須相應(yīng)地增加另一臺發(fā)電機(jī)的勵磁電流。o 因電網(wǎng)電壓不變，自動勵磁調(diào)節(jié)裝置是不會進(jìn)行自動調(diào)整的，所以，轉(zhuǎn)移無功的勵磁調(diào)節(jié)是人為的調(diào)節(jié)或附加裝置的自動調(diào)節(jié)。 三、無功功率分配的穩(wěn)定性討論o 1.發(fā)電機(jī)的調(diào)壓特性UIQUONUo 2.無差特性 無差特性是呈水平直線的調(diào)壓特性，即當(dāng)無功電流IQ變化時，端電壓變化U=0的特性。當(dāng)IQ變化時，去磁的電樞反應(yīng)變化，必定引起端電壓的變化(單機(jī)運(yùn)行時)，但U=0說明自動勵磁調(diào)整裝置AVR在起作用，調(diào)節(jié)屬可控類型。o 3.有差特性 有差特性是指當(dāng)IQ增大時，U也增大的調(diào)壓特性。由于自動勵磁調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)作用，U的變化雖存在，但比發(fā)電機(jī)的外特性上U的變化要小得多。簡化看，可認(rèn)為有差特性是一根略向右傾斜的直線。o 4.調(diào)差系數(shù)Kc Kc是指調(diào)壓特性下傾角的正切值，定義值不小于0 當(dāng)把特性看作一根直線，且U和IQ采用標(biāo)么值時,Kc表示發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的靜態(tài)電壓調(diào)整率cQUKIminmintan0NNNcQNNQNUUUUUKI