船舶电气 及控制系统PPT-16 第16章 同步发电机电压及无功功率自动调整.ppt

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1、12 电压的恒定电压的恒定是供电质量的重要指标之一是供电质量的重要指标之一 船舶电站容量小，电压波动尤为严重，为船舶电站容量小，电压波动尤为严重，为保证供电质量，船舶同步发电机均带有自励保证供电质量，船舶同步发电机均带有自励恒压装置恒压装置 自励恒压装置也称为自动电压调整器自励恒压装置也称为自动电压调整器3U：端电压；：端电压；E0：发电机空载电势：发电机空载电势Ia ：发电机定子电流：发电机定子电流Xs：发电机同步电抗：发电机同步电抗1.同步发电机的电压波动同步发电机的电压波动 船舶用电设备多为感性负载，负载电流对交流同步发电机产生去磁作用，电流大小和功率因数的变化都会引起发电机端电压变化

2、1）同步发电机电压波动的原因）同步发电机电压波动的原因16.1 16.1 自动电压调整的基础知识自动电压调整的基础知识0aSUEjI XUaI0EaSjI X4 当船舶电站实际电压偏离额定值时，用电当船舶电站实际电压偏离额定值时，用电设备的效率就要降低，偏离额定值太大时，设备的效率就要降低，偏离额定值太大时，运行就要恶化，甚至会导致设备的损坏运行就要恶化，甚至会导致设备的损坏2）同步发电机电压波动的危害）同步发电机电压波动的危害5 当保持额定当保持额定转速转速不变、励不变、励磁电流不变，保持一定的负磁电流不变，保持一定的负载载功率因数功率因数不变时不变时, 发电机发电机的端电压与负载电流之间的

3、的端电压与负载电流之间的关系，关系，U=f(I), 称为外特性。称为外特性。1）外特性）外特性U=f(I)电压变化率电压变化率UUUUnn% 0100% 同步发电机在同步发电机在cos=0.8 (滞后滞后)的负载时的负载时, 其电压其电压变化率约为变化率约为2040, 一般不超过一般不超过50。3）发电机调整的基本措施）发电机调整的基本措施6 直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 ：电枢磁场电枢磁场 a与磁极与磁极磁磁场场 o在同一轴线上在同一轴线上, 但但方向相反方向相反, 起去磁效应起去磁效应使合成磁场使合成磁场 2）和发电机和发电机电压上升速度电压上升速度(0.1s0.5s)来描述。来描述。

4、2 2）强行励磁）强行励磁LeLppUUK ULe 发电机额定电压时的励磁电压发电机额定电压时的励磁电压ULp强励时提供的最高励磁电压强励时提供的最高励磁电压20钢质海船建造及入级规范钢质海船建造及入级规范规定：规定： 并联运行的交流发电机组，当负载在额并联运行的交流发电机组，当负载在额定功率的定功率的20%100%范围内变化时，各发范围内变化时，各发电机实际承担的无功功率与按发电机各自的电机实际承担的无功功率与按发电机各自的容量容量比例分配值比例分配值之差不应超过之差不应超过下列数值中的下列数值中的较小者：较小者：（1）最大机组额定无功功率的）最大机组额定无功功率的 10% 。（2）最小机组

5、额定无功功率的）最小机组额定无功功率的 25% 。3 3）无功功率的合理分配）无功功率的合理分配21 励磁电流是由与同步发电机组励磁电流是由与同步发电机组同轴同轴的直的直流励磁发电机提供。流励磁发电机提供。 由于直流励磁机有电刷和换向器，可靠由于直流励磁机有电刷和换向器，可靠性差，维护管理不便，不宜在船舶电站中性差，维护管理不便，不宜在船舶电站中使用。使用。（1）直流励磁机他励方式）直流励磁机他励方式1.按照按照直流励磁电流直流励磁电流的获得方式区分的获得方式区分4 4）自动调压装置的分类及调压原理）自动调压装置的分类及调压原理22（2）静止）静止自励自励方式方式 利用交流同步发电机发出的交流

6、电经利用交流同步发电机发出的交流电经晶闸管晶闸管整流整流提供给转子励磁绕组的自励方式获得了广提供给转子励磁绕组的自励方式获得了广泛的应用。泛的应用。 静止自励静止自励方式简单、可靠，特别适用于容量方式简单、可靠，特别适用于容量较小的船舶同步发电机。有优良的动态性能。较小的船舶同步发电机。有优良的动态性能。23（3）交流励磁机）交流励磁机他励他励方式方式 以交流励磁机他励的以交流励磁机他励的无刷励磁无刷励磁方式。由于方式。由于这种励磁方式使整个机组的旋转部分和静止这种励磁方式使整个机组的旋转部分和静止部分部分没有没有任何滑动电接触，去掉了电刷和滑任何滑动电接触，去掉了电刷和滑环，因此可靠性好，管

7、理方便。环，因此可靠性好，管理方便。24 当发电机的输出电压与给定电压出现偏差当发电机的输出电压与给定电压出现偏差（ U）时，调节器根据）时，调节器根据 U的大小和极性对励的大小和极性对励磁电流进行调节，以维持端电压恒定。磁电流进行调节，以维持端电压恒定。（1）按电压偏差）按电压偏差 U调节调节 特点特点:属于属于闭环闭环调节系统，调节系统，静态静态性能好，调压性能好，调压精度高。但动态特性差。精度高。但动态特性差。 2.按照自励恒压的按照自励恒压的作用原理作用原理（被检测量）区分（被检测量）区分被测量和被调量都是发电机端电压，故为闭环被测量和被调量都是发电机端电压，故为闭环25（2）按负载扰

8、动调节）按负载扰动调节I，cos 发电机端电压变化的是由于负载扰动引起发电机端电压变化的是由于负载扰动引起的，调节装置直接测量扰动量，根据的，调节装置直接测量扰动量，根据扰动扰动量的量的变化来进行调节，使发电机的端电压恒定。变化来进行调节，使发电机的端电压恒定。 特点特点:属于属于开环开环调节系统，具有结构简单，调节系统，具有结构简单，工作可靠，强励能力强，工作可靠，强励能力强，动态动态性能好等特点。性能好等特点。但静态性能较差，调压精度低。但静态性能较差，调压精度低。被测量和被调量不同，故为开环被测量和被调量不同，故为开环26 按负载和电压偏差的综合调节，在按负载调按负载和电压偏差的综合调节

9、，在按负载调节的基础上采用自动电压调节器（节的基础上采用自动电压调节器（AVR）一一种较理想的励磁调节器种较理想的励磁调节器，广泛用于船舶电站。，广泛用于船舶电站。 AVR类型：类型：不可控相复励自励恒压励磁装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、晶闸管置、可控相复励自励恒压励磁装置、晶闸管（可控硅）自励恒压励磁装置、无刷同步发（可控硅）自励恒压励磁装置、无刷同步发电机恒压励磁系统电机恒压励磁系统（3）复合调节）复合调节 U ， I ，cos271 1）自励起压基本原理）自励起压基本原理（1）足够的剩磁电压，以使足够的剩磁电压，以使自励回路导通；自励回路导通；（2）使励磁系

10、统正反馈，剩使励磁系统正反馈，剩磁电压产生的励磁电流磁化磁电压产生的励磁电流磁化方向与剩磁方向相同方向与剩磁方向相同（3）适当的适当的励磁回路阻抗励磁回路阻抗，使励磁特性曲线与空载特性使励磁特性曲线与空载特性曲线交于空载额定电压处；曲线交于空载额定电压处；2自励回路的自励回路的理想理想励磁特性曲线励磁特性曲线1同步发电机同步发电机空载空载特性曲线特性曲线3同步发电机同步发电机实际实际励磁曲线励磁曲线16.2 16.2 相复励原理相复励原理自励起压特性曲线自励起压特性曲线2829自励回路的阻抗构成自励回路的阻抗构成避开避开B B、C C点的方法：点的方法：（1 1）转子磁极加恒磁片）转子磁极加恒

11、磁片（2 2）临时充磁）临时充磁（3 3）接入谐振电容）接入谐振电容自励回路单线原理图自励回路单线原理图自励起压特性曲线自励起压特性曲线30IU、同相同相 由定义，谐振时：由定义，谐振时：或：或：CLoo 1 0arctanRXXCL即即谐振条件：谐振条件：CLXX串联谐振电路串联谐振电路RLCRu+_Lu+_Cu+_u+_i复习复习31 阻抗随频率变化的关系。阻抗随频率变化的关系。 22 1 CLRZ Z0 RZ 0 Z0 LXZ0fCXLfXL 2fcXC 21容性容性)(0感性感性)(0f0R)( jCLXXRZ复习复习32利用谐振电容利用谐振电容C C，使，使LRLR和和C C组成的串

12、联谐振回路在接组成的串联谐振回路在接近近额定频率额定频率时发生谐振而减小励磁回路磁阻，总体时发生谐振而减小励磁回路磁阻，总体表现为表现为降低降低曲线曲线3 3来避开来避开B B和和C C点点自励起压特性曲线自励起压特性曲线332 相复励恒压原理相复励恒压原理 同步发电机的电压降与负载电流的大小和负载电流的功率因数有关U：端电压；E0：发电机空载电势Ia ：发电机定子电流Xs：发电机同步电抗0aSUEjI XUaI0EaSjI X340SaEUjX I0LSaKIEUjX I由电势平衡方程：由电势平衡方程：E0与励磁电流与励磁电流IL成正比：成正比：得到交流同步发电机的励磁电流：得到交流同步发电

13、机的励磁电流：SaLjX IUIKK按负载电流以及它们的相位关系按负载电流以及它们的相位关系来进行电压调整的自励磁方式称为来进行电压调整的自励磁方式称为相复励相复励35 电流互感器电流互感器被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N12.低压绕组连同铁低压绕组连同铁心一起，必须可靠心一起，必须可靠接地，以防在绝缘接地，以防在绝缘损坏时，在副边出损坏时，在副边出现过压。现过压。使用注意事项：使用注意事项：（被测电流）（被测电流）N1（匝数少（匝数少）N2（匝数多（匝数多）ARi1i2电流表1. 副边不能开路，副边不能开路，以以 防产生高电压；防产生高电压；复习复习3616.2.3 不可控相

14、复励自励恒压励磁系统不可控相复励自励恒压励磁系统性能优良，能在恶劣的环境下可靠地工作。性能优良，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既反映电流的大小，也能反映电流的相位的线路称为线路称为相位复式励磁相位复式励磁线路，简称线路，简称相复励相复励线路线路 相复励装置调节特性的规律是按电流的大小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。及相位进行补偿的。 通常可归纳为三种方式：通常可归纳为三种方式：按电流叠加的相复励按电流叠加的相复励按电磁叠加的相复励按电磁叠加的相复励按电势叠加的相复励按电势叠加的相复励37不可控相复励自励恒压装置单线原理图不可控相复励

15、自励恒压装置单线原理图38电流叠加相复励自励恒压装置电流叠加相复励自励恒压装置LRLR移相电抗器为三相移相电抗器为三相铁芯铁芯线圈线圈TATA电电流互流互感器感器392）恒压基本原理）恒压基本原理（1）复励原理：）复励原理：当负载的功率因数当负载的功率因数cos 不变，不变，而负载电流的幅度增加时。而负载电流的幅度增加时。2EII负载电流大小变化，功率因数不变负载电流大小变化，功率因数不变GU1EIIEUIE1I2EI励磁电流按比例增加励磁电流按比例增加2EI1EI40（2）相位补偿原理：）相位补偿原理：当负载的电流大小不变，设功率因数角由当负载的电流大小不变，设功率因数角由 变变化到化到（感

16、性）。（感性）。励磁电流按比例增加励磁电流按比例增加2EIE1I2EI负载电流大小不变，功率因数变化负载电流大小不变，功率因数变化GU1EIIEUIE1I2EII41电流迭加相复励自励恒压装置原理图电流迭加相复励自励恒压装置原理图422）等值电路分析）等值电路分析 ZLRE ， XLRL ZL=RL+jXL上式可近似成：上式可近似成：LGGEEUEIELELKIZUIIIRZRZGLGGGEEUEILLLUKIjXUIIIKIjXjXjX电流迭加相复励自励恒压装置原理图电流迭加相复励自励恒压装置原理图IEUIEI43移相电抗器频率补偿作用：移相电抗器频率补偿作用： （f Uf ） fXLIEU

17、 IE Uf GLGGGEEUEILLLUKIjXUIIIKIjXjXjX44 257如图所示，为电流叠加相复励自励调压装置的单线原理图。若发电机空载电压偏低，原因是_。 A分量iv偏大 B分量iv偏小 C分量ii偏大 D分量ii偏小45 285 如图所示，为电流叠加相复励自励调压装置的单线原理图。若发电机带载后，当保持发电机输出电流大小不变，功率因数降低时，则_。 AIf不变 BIf增大 CIf减小 DIf增大或减小46 291如图所示，为电流叠加相复励自励调压装置的单线原理图。若空载分量iv适度，但复励分量ii太弱，则_。 A空载电压偏高 B发电机外特性上翘 C发电机外特性下斜 D空载电压

18、偏低47电磁叠加相复励自励恒压装置电磁叠加相复励自励恒压装置LR相复励电抗器相复励电抗器N1电压绕组电压绕组N3电流绕组电流绕组N2输出绕组输出绕组Nf励磁绕组励磁绕组VD 二极管三相整二极管三相整流器流器4849调整：调整： 1.1.空载调整空载调整：调节移相电抗器的气隙或匝：调节移相电抗器的气隙或匝数（电压偏低数（电压偏低减少匝数或增大气隙）减少匝数或增大气隙） 2.2.负载调整：负载调整：调节电流互感器副边匝数。调节电流互感器副边匝数。（电压偏低（电压偏低减少副边匝数）减少副边匝数）磁势平衡方程：磁势平衡方程：2.3.1.NININIfiuiufINNINNI.23.21.50 电磁叠加

19、带电压曲折绕组的相复励系统电磁叠加带电压曲折绕组的相复励系统与前述电磁叠加相与前述电磁叠加相比多了一套绕组比多了一套绕组又称：四绕组相复又称：四绕组相复励变压器励变压器N4与与N1反接串联，进一步反接串联，进一步加强功率因数变化的相位补加强功率因数变化的相位补偿，提高偿，提高静态静态调整特性调整特性51 自动电压调节器（AVR）是一种密封电子装置，通过控制低功率的励磁机磁场，调节励磁机电枢的整流输出功率，从而达到控制励磁电流，稳定发电机输出电压要求。 AVR (Auto Voltage Regulator) 自动电压调节器5216.3 可控相复励自励恒压励磁系统可控相复励自励恒压励磁系统 为了

20、提高电压的调节精度，广泛采用在相复励为了提高电压的调节精度，广泛采用在相复励自励恒压装置的基础上，再加一个按发电机端电自励恒压装置的基础上，再加一个按发电机端电压偏差压偏差 U来进行校正的复合式励磁装置（可控来进行校正的复合式励磁装置（可控相复励自动调压装置）。相复励自动调压装置）。所谓可控，指有电压偏差的校正所谓可控，指有电压偏差的校正 对于对于不可控不可控相复励恒压励磁系统，按相复励恒压励磁系统，按负载扰动负载扰动IaIa，coscos来进行调节来进行调节53可控相复励自励恒压励磁系统可控相复励自励恒压励磁系统 该调压器包括两大部分该调压器包括两大部分-相复励自励恒压装置相复励自励恒压装置

21、和晶体管分流的电压调整器和晶体管分流的电压调整器541 可控相复励变压器式可控相复励装置可控相复励变压器式可控相复励装置直流磁化绕组直流磁化绕组电磁叠加相复励的电磁叠加相复励的三绕组三绕组直流磁化直流磁化绕组。绕组。通过改变该绕组的通过改变该绕组的电流电流改变铁心的改变铁心的磁化程度磁化程度控制各控制各线圈的电抗线圈的电抗控制控制相复励变压器输出相复励变压器输出的的励磁电流励磁电流电流绕组电流绕组电压绕组电压绕组输出绕组输出绕组552 可控移相电抗器式可控相复励装置可控移相电抗器式可控相复励装置用饱和电抗器取代固用饱和电抗器取代固定的移相电抗器。定的移相电抗器。电流叠加；电流叠加；AVR输出输

22、出直流直流控制移相电抗器控制移相电抗器饱和程度饱和程度，改变电抗，改变电抗值。调节相复励装置值。调节相复励装置交流侧交流侧电流电流，消除偏，消除偏差。差。563 可控电抗器分流的调压器可控电抗器分流的调压器 电流叠加；电流叠加；AVR控控制制交流侧交流侧分流，分流，控控制移相电抗器制移相电抗器饱和饱和程度，从而改变饱程度，从而改变饱和电抗器的电抗值和电抗器的电抗值来控制来控制分流分流的大小的大小可控电抗器分流的调压器可控电抗器分流的调压器574 交流侧交流侧晶闸管晶闸管分流分流的调压器的调压器 晶闸管并联在相复晶闸管并联在相复励装置的励装置的交流侧交流侧实现实现交流侧的分流（断续）交流侧的分流

23、（断续）作用。作用。AVR输出与电压偏差输出与电压偏差相应的相应的触发电流触发电流，改，改变晶闸管的导通角进变晶闸管的导通角进行行分流。分流。交流侧晶闸管分流的调压器交流侧晶闸管分流的调压器585 直流侧晶闸管分流的调压器直流侧晶闸管分流的调压器 晶闸管并联在晶闸管并联在直流侧直流侧。由由AVR的输出信号去控制的输出信号去控制并励在励磁绕组两端的晶并励在励磁绕组两端的晶闸管。闸管。5916.4 无刷发电机励磁系统无刷发电机励磁系统60旋转磁极式同步电机旋转磁极式同步电机 旋转电枢式同步电机图旋转电枢式同步电机图以转子绕组形式分类以转子绕组形式分类61两台同步发电机同轴安装：两台同步发电机同轴安

24、装： 一台一台主发电机主发电机为旋转磁极式，为旋转磁极式，G G为三相电枢、转为三相电枢、转子子L L为直流励磁为直流励磁 一台一台励磁机励磁机为旋转电枢式。定子为旋转电枢式。定子LLLL为直流励磁绕为直流励磁绕组、转子组、转子LGLG为三相电枢为三相电枢无刷同步电机励磁系统无刷同步电机励磁系统62 286 具有AVR调节器的可控相复励调压装置，从控制规律上看，属于_调节励磁，从而是恒压的。 A按发电机端口电压偏差及负载电流大小变化 B按负载电流大小变化及相位变化 C按发电机端口电压偏差及负载扰动 D仅按负载电流大小变化6316.5 并联运行发电机组间无功功率分配并联运行发电机组间无功功率分配

25、 并联运行的交流发电机组，当负载在总额并联运行的交流发电机组，当负载在总额定功率的定功率的20100范围内变化时，应能范围内变化时，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钢质海船建造及入级规范规定规定:64 两台发电机并联运行时，转移和分配两台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发电机的

26、无功功率是通过调节发电机组的励励磁电流磁电流来实现的来实现的无功功率分配的基本原理无功功率分配的基本原理 由电枢反应可知：电压不等，产生无功由电枢反应可知：电压不等，产生无功性质的性质的环流环流，其结果使电压较高的发电机，其结果使电压较高的发电机输出无功功率增大，使电压较低的发电机输出无功功率增大，使电压较低的发电机输出的无功功率减小输出的无功功率减小电压不相等电压不相等 - - 环流环流 -电压高的（电流为流出）电压高的（电流为流出）电压低的（电流为流进）电压低的（电流为流进）65 具体的做法是：同时调节两台发电机的具体的做法是：同时调节两台发电机的励磁电流，即将功率因数低的发电机励磁励磁电

27、流，即将功率因数低的发电机励磁电流减小，同时将功率因数高的发电机励电流减小，同时将功率因数高的发电机励磁电流增大。磁电流增大。 并联运行发电机间的无功功率分配关系，并联运行发电机间的无功功率分配关系，主要由电压调整特性曲线所决定，即同步发主要由电压调整特性曲线所决定，即同步发电机间无功功率的自动分配，实际是通过电机间无功功率的自动分配，实际是通过自自动电压调整器动电压调整器自动调整励磁电流，以调整发自动调整励磁电流，以调整发电机电压的办法来实现的电机电压的办法来实现的66 UIQ发电机的端电压随无功电流的变化规律发电机的端电压随无功电流的变化规律电压调整特性曲线电压调整特性曲线Uf0UfQeU

28、fIQIfQe被调量被调量U Uf随随I IQ而变化的程度叫做电压调差系数而变化的程度叫做电压调差系数KcKc00ffQeCfUUKU0fU ：发电机空载电压相对值Qf eU：在额定无功负荷时 发电机电压相对值67 UIQ电压调整特性曲线电压调整特性曲线Uf0UfQeUfIQIfQeUf0QffefQeIUUUI0fffUUU000ffQeeCffUUUKUUUe00000(1)QQQeffefffCfQefQeffQeIIIUUUUUUUKIIUI68并联运行无功功率分配并联运行无功功率分配机组应有相同的电压调整特性机组应有相同的电压调整特性69P：发电机发出有功功率：发电机发出有功功率m

29、：相数：相数E0：发电机电动势发电机电动势UW：电网电压电网电压Xt：发电机同步电抗发电机同步电抗： E0与与UW的夹角，即功角的夹角，即功角发电机电磁功率的近似公式：发电机电磁功率的近似公式：U：端电压；：端电压；E0：发电机空载电势：发电机空载电势Ia ：发电机定子电流：发电机定子电流Xs：发电机同步电抗：发电机同步电抗0aSUEjI XUaI0EaSjI X70设一号发电机为设一号发电机为原运行发电机，原运行发电机，运行在运行在E01、IG1的的情况，带有功和情况，带有功和无功功率；无功功率；二号发电机为新二号发电机为新并入网的发电机，并入网的发电机，运行在运行在E02、IG2的的情况，只带上了情况，只带上了有功负荷。有功负荷。现在要把一号发现在要把一号发电机上的无功负电机上的无功负荷转移和平均分荷转移和平均分配到二号发电机配到二号发电机上上711） 直流均压线直流均压线直流分压线法直流分压线法722）交流均压线）交流均压线交流分压线法交流分压线法73不可控相复励恒压 均压线同型号同型号同容量同容量容量容量不同不同直流均压线交流均压线可控相复励自励恒压电流稳定装置（调差装置）无刷同步发电机设有差动电流互感器的无功补偿装置