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1、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,第一节 概述,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。 励磁控制系统是发电机的重
2、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。 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,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：,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
3、：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14-1所示。,一、对船用自动励磁装置的要求,1.静态和动态特性的要求 当负载在一定范围内变化时，在不同的负载下，调压器应保证稳定 状态时的电压在允许的范围内。这个静态指标，用静态电压调整率 UW 来衡量。,当较大负载突变时，瞬时电压变化很大，此瞬时电压也要在规定的允许范围之内，而且恢复的时间越快越好。这个动态指标，用瞬态电压调整率 和电压恢复时间 来衡量。,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
4、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。,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
5、 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。,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。,第二节 不可
6、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，如图14-2所示。,自励同步发电机的励磁电流，是由同步发电机本身的定子交流电，通过静止的整流元件供给自励同步发电机自励回路的单相原理图，如图14-3所示。自励同步发电机的自励起压特性曲线，如图14-4所示。,其中曲线1为同步发电机的空载特性曲线,曲线2为自励回路的理想励磁特性曲线,同
7、步发电机建立正常空载电压 后，在船舶主开关合闸带负载 时，由于电枢反应的去磁作用和内部阻抗压降，其端电压 必然 要降低，如图14-5发电机外特性中曲线1所示。因此，必须采用 恒压措施。既然是负载电流 变化引起了发电机端电压 的变化 ，因而也就可以利用 进行复式励磁的方法，以附加励磁电流来 调整 。,二、不可控相复励恒压的基本原理,图14-6复式励磁,图14-7 电流叠加相复励调压 图14-8 相复励矢量图,图14-9 电磁迭加相复励 图14-10 电势迭加相复励,第三节 电流叠加相复励自励恒压装置,返回,假设发电机磁路不饱和，发电机转速恒定，则相复励的控制规律就可用下式表示,图14-11是电流
8、叠加相复励装置原理图。,图14-12 为单相电流叠加相复励等值电路图,图14-13是励磁电流的相量图。,图14-13 励磁电流的相量图,第四节 电磁叠加的相复励自励恒压装置,图14-14所示为电磁叠加的相复励自励恒压装置。该装置 共有三套绕组，又称为三绕组相复励变压器。,返回,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。,第五节 带电压曲折绕组的相复励系统,有电压曲折绕组相复励自励恒压装置的原理接线图，如图14-15所示，该装置与前述三绕组相复励装置相比，该装置的TE 中又多了一套绕组N4，因此该装置又称为四绕组相复励变压器
9、。 绕组N4称为电压曲折绕组。N4与N1在同一个三相铁芯柱A、B、C上，N1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N1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。,返回,第六节 晶闸管自励恒压励磁系统,晶闸管自励恒压装置原理，如图14-16所示。,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。 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
10、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。,（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。图14-17为单相全波桥式整流、三相全波桥式整流、六相全波桥式整流电路图。为了得到平稳的直流电压需要滤波电路，滤波电路通常有T型滤波、双T型滤波和桥式滤波等几种。,（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
11、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。图14-18为双稳压管桥式比较电路及特性。,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。 （2）励磁主电路 励磁装置中的可控整流电路与一般的可控整流电路相同，如图14-19所示有单相半波、单相桥式、三相
12、桥式可控整流电路等几种。,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 14-20所示。,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。自动电压调节器AVR通过改变直流磁化绕组中的电流来改变变压器铁芯的磁化程度，从而控制相复励变压器的各交流励磁线圈的电抗，以控制相复
13、励变压器的输出电流，如图14-21所示。,一、可控相复励变压器式可控相复励装置,二、可控移相电抗器式可控相复励装置,可控移相电抗器式调压器原理图如图14-22所示。这种装置的基本励磁装置为电流相加的相复励装置，不同的是移相电抗器用饱和电抗器取代固定电抗器。AVR按电压偏差输出相应的直流来控制饱和电抗器的饱和程度，以调节相复励装置交流侧电流, 从而消除电压的偏差。,图14-23所示为可控电抗器分流的调压器的单相原理图。 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。,返回,三、可控
14、电抗器分流的调压器,图14-24所示为交流侧晶闸管分流的调压器单线原理图。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。,返回,四、交流侧晶闸管分流的调压器,直流侧晶闸管分流的调压器单线原理图如图14-25所示。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。,返回,五、直流侧晶闸管分流的调压器,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。 图14-26为无刷同步发电机励磁系统,返回,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
