第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電壓與無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)一、自勵(lì)恒壓裝置的作用和基本要求為了維持同步發(fā)電機(jī)的端電壓恒定(額定電壓)及合理分配發(fā)電機(jī)間的無(wú)功功率，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流必須適時(shí)地做出相應(yīng)的調(diào)整。在船舶電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，為提高船舶電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定和某些保護(hù)繼電器動(dòng)作的可靠性，亦需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)適時(shí)地進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁。集大輪機(jī)自動(dòng)化綜上所述，勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)整裝置的任務(wù)可歸納為：(1)在船舶電力系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下，維持電網(wǎng)電壓在某一個(gè)容許范圍內(nèi)；(2)在船舶同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，合理分配發(fā)電機(jī)間的無(wú)功功率；(3)在船舶電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，有強(qiáng)行勵(lì)磁功能，加速短路后恢復(fù)速度，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和繼電器保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性。(一)勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)整裝置的技術(shù)指標(biāo)(1)發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓變化率。交流發(fā)電機(jī)連同其勵(lì)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)態(tài)電壓的變化值在額定電壓的±2.5%以內(nèi)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)可允許為±3.5%以內(nèi)。船舶電氣發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓變化率可按下式計(jì)算：船舶電氣(2)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)規(guī)定為：“交流發(fā)電機(jī)在負(fù)載為空載、轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速、電壓接近額定值的狀態(tài)下，突加或突卸60%額定電流及功率因數(shù)不超過(guò)0.4(滯后)的對(duì)稱負(fù)載時(shí)，當(dāng)電壓跌落時(shí)，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(shí)，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不超過(guò)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(shí)間，則不應(yīng)超過(guò)

1.5s。”發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)電壓變化率可按下式計(jì)算：船舶電氣

中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的各交流發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率的分配要求為：“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(shí)，各機(jī)組所承擔(dān)的無(wú)功負(fù)載與總無(wú)功負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差，應(yīng)不超過(guò)下列數(shù)值中的較小者：①最大機(jī)組額定無(wú)功功率的±10%；②最小機(jī)組額定無(wú)功功率的±25%?！?二)自動(dòng)調(diào)整裝置的分類船用同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)整裝置種類:不可控相復(fù)勵(lì)自勵(lì)裝置、可控相復(fù)勵(lì)自勵(lì)裝置、可控硅勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)整裝置、用于無(wú)刷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)整裝置、用于諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)整裝置。船舶電氣勵(lì)磁調(diào)整方法大都是按照電壓偏差(ΔU)、負(fù)載電流(I)、電流相位(φ)這三個(gè)原則來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依被檢測(cè)量的不同可分為：按電壓偏差調(diào)整；按負(fù)載電流大小及相位調(diào)整；按電壓偏差、電流大小及相位的復(fù)合調(diào)整。同步發(fā)電機(jī)是由直流電流勵(lì)磁建立磁場(chǎng)，需要提供直流勵(lì)磁電源。把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能的裝置稱為換能器。按換能器類型分類有：旋轉(zhuǎn)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。船舶電氣(三)勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理

勵(lì)磁機(jī)有兩種：直流勵(lì)磁機(jī)和交流勵(lì)磁機(jī)。目前，船舶大多采用交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源由發(fā)電機(jī)本身提供的勵(lì)磁系統(tǒng)提供，故又稱為自勵(lì)系統(tǒng)。這種勵(lì)磁系統(tǒng)主要由變壓器和整流器組成，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，稱為靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。按負(fù)載電流大小及相位進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膭?lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度較差，但動(dòng)態(tài)性能較好。僅按機(jī)端電壓偏差調(diào)節(jié)的勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能較差，一般都與相復(fù)勵(lì)裝置聯(lián)用構(gòu)成綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。船舶電氣1.勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性

假定原來(lái)的電壓為UN，由于電流變化到IN

引起電壓變化，這時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)。同步發(fā)電機(jī)端電壓隨無(wú)功電流變化的關(guān)系，稱為“發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性”，如圖3-51所示。船舶電氣被調(diào)量電壓U隨負(fù)載電流I的變化而變化的程度稱為調(diào)差系數(shù)或調(diào)差程度，用調(diào)節(jié)特性的斜率來(lái)表示：式中：UN是在I=0時(shí)的額定值；UG

是在I=IN

時(shí)被調(diào)量的實(shí)際值；Kc

是調(diào)差系數(shù)。百分比來(lái)表示：船舶電氣2.按機(jī)端電壓偏差調(diào)節(jié)原理船舶電氣

按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)作用只與機(jī)端電壓的偏差有關(guān)，而與產(chǎn)生擾動(dòng)的原因無(wú)關(guān)，其靜態(tài)特性即調(diào)整精度較好；而動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)周期性的振蕩過(guò)程，動(dòng)態(tài)特性較差。3.按負(fù)載電流大小及相位進(jìn)行調(diào)節(jié)原理由于引起電壓變化的主要原因是負(fù)載電流大小及相位的變化，只要預(yù)先找出機(jī)端電壓隨負(fù)載電流大小及相位變化的規(guī)律，并按此規(guī)律調(diào)節(jié)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁電流，就可以維持機(jī)端電壓在一定水平上。圖3-53是按負(fù)載電流大小及相位調(diào)節(jié)原理方框圖。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是由發(fā)電機(jī)的電壓和負(fù)載電流兩個(gè)分量相量疊加合成的，故稱為“相復(fù)勵(lì)”系統(tǒng)。船舶電氣4.綜合調(diào)節(jié)原理圖3-54是綜合調(diào)節(jié)的原理方框圖。圖3-53所述的相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的信號(hào)變換輸出是不可控的，現(xiàn)在由電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)部分控制，使相復(fù)勵(lì)的裝置輸出“可控”，用這種原理構(gòu)成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置稱為“可控相復(fù)勵(lì)”裝置。這種類型的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能由相復(fù)勵(lì)部分實(shí)現(xiàn)；靜態(tài)性能的不足則由電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)部分校正。船舶電氣二、不可控相復(fù)勵(lì)自勵(lì)恒壓裝置同步發(fā)電機(jī)按其勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，是由同步發(fā)電機(jī)本身的定子交流電，通過(guò)靜止的整流元件供給。如圖3-55所示為自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)回路的單相原理圖。船舶電氣(一)不可控相復(fù)勵(lì)恒壓的基本原理船舶電氣復(fù)式勵(lì)磁，就是將發(fā)電機(jī)的定子電流整流后供給勵(lì)磁，如圖3-57所示。其調(diào)壓作用是借助電流互感器LH組成的復(fù)勵(lì)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)I增加引起U下降時(shí)I通過(guò)LH也使勵(lì)磁電流I1增大，以提高U，從而達(dá)到以補(bǔ)償方式進(jìn)行調(diào)壓的目的，如圖3-56中曲線3所示。在圖3-57中，通過(guò)LH反映隨I而變化的分量Ii

，稱為電流分量；通過(guò)DH自勵(lì)回路的分量

Iu

，稱為電壓分量。電壓分量和電流分量是在直流側(cè)相加，所以僅是代數(shù)和。因此，這種調(diào)壓原理僅是電流復(fù)勵(lì)。船舶電氣由于引起同步發(fā)電機(jī)U變化的原因，除了負(fù)載電流大小外，還和功率因數(shù)cosφ的大小有很大關(guān)系，還需要調(diào)壓器能補(bǔ)償cosφ變化引起U的變化。這就需要進(jìn)行所謂的相復(fù)勵(lì)，如圖3-58所示。船舶電氣

船舶電氣船舶電氣

船舶電氣船舶電氣

船舶電氣

船舶電氣(三)無(wú)刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置

船舶電氣主發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)磁極式的，其定子G是三相交流電樞，轉(zhuǎn)子

L是直流勵(lì)磁繞組；而勵(lì)磁機(jī)則是旋轉(zhuǎn)電樞式，其定子是直流勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子L是三相交流電樞，與主發(fā)電機(jī)同軸。三、并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)組間無(wú)功功率分配并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率分配的關(guān)系，主要由電壓調(diào)整特性曲線所決定。同步發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率的分配，實(shí)際是通過(guò)電壓調(diào)整器調(diào)整勵(lì)磁電流，以調(diào)整發(fā)電機(jī)電勢(shì)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，電壓調(diào)整器不僅擔(dān)負(fù)著調(diào)整電壓的任務(wù)，同時(shí)，還擔(dān)負(fù)著調(diào)整和分配無(wú)功功率的任務(wù)。調(diào)節(jié)方法是：必須同時(shí)調(diào)節(jié)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，將功率因數(shù)低的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減小，與此同時(shí)將功率因數(shù)高的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增大，這樣就可以使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)趨于一致，即輸出的無(wú)功功率相等。船舶電氣船舶電氣(一)直流均壓線直流均壓連接法又稱轉(zhuǎn)子均壓連接法。只適用于同容量同型號(hào)發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行。將并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組用兩根均壓線并聯(lián)起來(lái)。均壓線的接通和斷開與發(fā)電機(jī)主開關(guān)相互聯(lián)鎖。船舶電氣(二)交流均壓線

不同容量的同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，可采用交流均壓線，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)調(diào)壓裝置的移相電抗器通過(guò)均壓線并聯(lián)，該連接處在三相整流器之前的交流側(cè)。當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)電勢(shì)不相等時(shí)，通過(guò)交流均壓線的連接可使發(fā)電機(jī)輸出電壓均衡，以保持無(wú)功功率均勻分配。船舶電氣(三)電流穩(wěn)定裝置為了使調(diào)壓特性曲線為具有足夠傾斜度的有差調(diào)整特性，且KC

相同，穩(wěn)定并平均的分配無(wú)功功率，在調(diào)壓器上加裝了可以改變調(diào)差系數(shù)的裝置，原理就是利用電流信號(hào)，通過(guò)調(diào)壓器作用，使無(wú)功電流的分配穩(wěn)定，故稱作“電流穩(wěn)定裝置”。船舶電氣(四)判斷兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的無(wú)功功率分配是否均勻的方法(1)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率表(有功)指示基本相同而電流表指示相差太大時(shí)，說(shuō)明無(wú)功分配不均，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)或可能存在故障。(2)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率表(有功)指示基本相同而功率因數(shù)表(cosφ表)指示相差較大時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)或可能存在故障。在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其無(wú)功功率的分配是由自動(dòng)電壓調(diào)整器來(lái)自動(dòng)完成的。但是如果電氣元件出現(xiàn)故障，也會(huì)使無(wú)功分配裝置出現(xiàn)故障。船舶電氣以均壓線連接為例來(lái)分析故障排除的方法，重點(diǎn)檢查均壓接觸器：(1)檢查接觸器是否通電動(dòng)作，檢查線圈本身、發(fā)電機(jī)主開關(guān)常開輔助觸點(diǎn)、熔斷器、導(dǎo)線及相應(yīng)接線柱等，或修復(fù)或更新。(2)檢查接觸器觸點(diǎn)是否可靠閉合，或打磨修理或更新。如果觸頭接觸不良，會(huì)使均壓線斷路，并車時(shí)不易并上，即使空氣開關(guān)能合閘，發(fā)電機(jī)也不能穩(wěn)定地并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電流可能同時(shí)急劇上升，直至發(fā)電機(jī)的主開關(guān)保護(hù)動(dòng)作而跳閘。船舶電氣(五)同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)恒壓裝置與發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率分配手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法(1)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率表(有功)指示基本相同而功率因數(shù)表(cosφ表)指示相差較大時(shí)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方法假設(shè)電網(wǎng)上有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，電網(wǎng)電壓為Ue

，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率分配不均勻，假設(shè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率表(有功)指示基本相同而功率因數(shù)表(cosφ表)指示相差較大，說(shuō)明發(fā)電機(jī)負(fù)載電流功率因數(shù)低的無(wú)功功率大；功率因數(shù)高的則無(wú)功功率小?，F(xiàn)需要由手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過(guò)程：為保持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，在調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)向相反方向調(diào)節(jié)兩臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)旋鈕，增大功率因數(shù)高的發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電流，同時(shí)減少功率因數(shù)低的發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電流，使兩臺(tái)機(jī)組各自分擔(dān)的無(wú)功功率基本一致。船舶電氣(2)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率表(有功)指示基本相同而電流表指示相差太大時(shí)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方法假設(shè)電網(wǎng)上有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)