1、第14章 同步發電機電壓及無功功率自動調整14.1 自動電壓調整的基礎知識14.2 不可控相復勵自勵恒壓勵磁系統 14.3 晶閘管自勵恒壓勵磁系統 14.4 可控相復勵自勵恒壓勵磁系統 14.5 無刷發電機勵磁系統 14.6 并聯運行發電機組間無功功率分配 第1頁，共56頁。本章主要介紹船舶同步發電機的自動調壓、以及無功功率的調節方法。內 容 簡 介第2頁，共56頁。14.1 自動電壓調整的基礎知識14.1.1 自勵恒壓裝置的作用 自勵起壓 維護電力系統電壓基本恒定 合理穩定地分配并聯運行發電機間無功功率 強行勵磁 第3頁，共56頁。14.1.2 自勵恒壓裝置的基本要求 1）自動電壓調整器的靜

2、態和動態特性 （1） 靜態特性 對靜態電壓調整的要求 Ue：發電機的額定電壓(V)Umax：發電機在規定的負荷變化范圍內端電壓的穩態最大值Umin：發電機在規定的負荷變化范圍內端電壓的穩態最小值 第4頁，共56頁。鋼質海船建造及入級規范規定：發電機 從空載至滿載，功率因數保持為額定值,主發電機的靜態電壓變化率應在2.5% 以內,應急發電機的靜態電壓變化率應在3.5% 以內。第5頁，共56頁。（2） 動態特性 對動態電壓調整的要求 Umax.s：發電機突加負荷或突減負荷時的最高電壓值Umin.s：發電機突加負荷或突減負荷時的最低電壓值th : 電壓恢復時間(調整時間)第6頁，共56頁。鋼質海船建

3、造及入級規范規定：發電機突加或突減50額定電流及功率因數不超過0.4 (滯后)的對稱負荷時發電機的動態電壓變化率應在15以內電壓恢復時間不超過1.5s。 第7頁，共56頁。當電壓突然下降很大時，要求自動調壓裝置能迅速把勵磁電流升高至超過額定狀態的最大值，即有足夠的強行勵磁能力，以提高電壓的上升速度。強行勵磁能力，通常用強行勵磁倍數和發電機電壓上升速度來描述。2）強行勵磁KP：強勵倍數，ULP：強勵時最高勵磁電壓ULE：發電機額定電壓下勵磁電壓KP一般為2左右，有時會更高。實船中，勵磁電壓達到95%頂峰電壓的時間為0.1-0.5S。第8頁，共56頁。鋼質海船建造及入級規范規定： 3）合理分配發電

4、機的無功功率并聯運行的交流發電機組，當負荷在額定功率的20100范圍內變化時，各發電機實際承擔的無功功率與按發電機各自的容量比例計算值之差不應超過下列數值中的較小者：（1）最大機組額定無功功率的10 （2）最小機組額定無功功率的25 第9頁，共56頁。4）自勵恒壓裝置的分類及調壓原理 同步發電機勵磁恒壓裝置的種類較多，其發展大致經歷了帶直流勵磁機的勵磁系統、不帶勵磁機的相復勵恒壓勵磁系統、晶閘管勵磁及具有同軸交流勵磁機的無刷勵磁系統等幾個階段。 目前同步發電機采用自勵形式，其直流勵磁電流由自身輸出的交流電經過整流后獲得的。 第10頁，共56頁。目前主要采用的類型有：不可控相復勵自勵恒壓勵磁裝置

5、可控相復勵自勵恒壓勵磁裝置晶閘管自勵恒壓勵磁裝置無刷同步發電機勵磁系統。 第11頁，共56頁。按照被檢測量，自勵恒壓裝置可分三大類： （1）按發電機電壓偏差Uf調節 由于被檢測量和被調量都是發電機端電壓，恒壓裝置與發電機構成一個閉環調節系統，穩態特性比較好，靜態電壓調整率一般均在土1以內。晶閘管自勵恒壓裝置屬于這種類型。 第12頁，共56頁。（2）按負載電流If和功率因數cos調節 如果被測量是發電機的負荷電流If及功率因數cos。再經調壓器去調節勵磁電流來穩定發電機電壓。這時被測量和被調量不同，故構成一個開環調節系統，靜態特性比較差，但動態特性較好。不可控相復勵自勵恒壓裝置屬于這種類型。 第

6、13頁，共56頁。（3）按If和cos及Uf調節 這類復合調節是將上述兩種調壓方式結合在一起，它是在按負載調節的基礎上采用自動電壓調節器（AVR）。靜態和動態特性都比較好，是一種較理想的勵磁調節裝置。可控相復勵自勵恒壓裝置屬于這種類型。 第14頁，共56頁。相復勵自勵恒壓裝置具有優良的動態性能，并能在惡劣的環境下可靠地工作。 既反映電流的大小，也能反映電流的相位的線路稱為相位復勵線路，簡稱相復勵線路。 相復勵裝置調節特性的規律是按電流的大小及相位進行補償的。第15頁，共56頁。 14.2 不可控相復勵自勵恒壓勵磁系統不可控相復勵自勵恒壓裝置。具有結構簡單，管理方便，價格便宜，動態特性優良，并能

7、在惡劣的環境下可靠工作等優點。 不可控相復勵自勵恒壓裝置, 利用發電機本身的剩磁電壓進行自勵起壓, 根據負荷電流的大小進行復勵及負荷電流與電壓的相位關系進行相位復勵，以調整勵磁電流，穩定發電機端電壓。 第16頁，共56頁。根據這兩個分量迭加方式的不同，又可分為：電流迭加型、電勢迭加型和電磁迭加型三種形式。 電流迭加電勢迭加電磁迭加第17頁，共56頁。14.2.1 不可控相復勵裝置自勵起壓及恒壓的基本原理 1) 自勵起壓基本原理 自勵起壓特性曲線，如圖所示。其中曲線1為同步發電機空載特性曲線Ufof（IL）; 曲線2為自勵回路的理想勵磁特性曲線ILf（Uf）。 第18頁，共56頁。由于磁滯現象，

8、在轉子磁極上留有剩磁。當柴油機拖動發電機的轉子轉動后，發電機定子繞組將產生感生剩磁電壓Us , Us加在自勵回路上，經過整流在發電機勵磁繞組中產生勵磁電流IL1，IL1在發電機定子繞組中感生電壓UO1，UO1通過自勵回路產生IL2，IL2又感生更高的電壓UO2，如此循環，構成正反饋，逐漸提高發電機空載電壓，最后達穩定的交點A，此時發電機電壓即為空載電壓Ufo。 同步發電機自勵起壓過程：第19頁，共56頁。由上述可知，同步發電機要正常自勵起壓，必須滿足三個條件： （1）有足夠的剩磁電壓Us，以使自勵回路導通；（2）適當整定勵磁回路阻抗，使勵磁特性與空載特性有合適的交點；（3）使自勵系統成為正反饋

9、系統，剩磁電壓Us所產生的勵磁電流的磁化方向與剩磁方向相同。第20頁，共56頁。TA為電流互感器:它反映發電機負載電流的大小和相位，以進行相復勵調壓；14.2.2 電流迭加相復勵自勵恒壓裝置 1) 原理圖 LR為移相電抗器:它將發電機電壓產生的電流移相90，作為電壓分量ILu，以進行自勵起壓；VD為三相橋式硅整流器:它將交流側迭加得到的勵磁電流?L整流成直流勵磁電流IL 。 勵磁系統中要設置人工觸發起勵線路，利用蓄電池向勵磁系統提供電壓。 第21頁，共56頁。設電路為三相對稱，電流互感器不飽和。電流疊加相復勵單線原理圖2) 等值電路分析 第22頁，共56頁。電流疊加相復勵等值電路RE:勵磁回路

10、等值電阻K :TA之變比ZL:LR之阻抗 第23頁，共56頁。移相電抗器 ZL 的電抗值 XL RL（LR的電阻值）, XL RE, 忽略 RL和 RE 第24頁，共56頁。電壓分量ILu ：在數值上ILu = Uf/XL，相位上滯后于電壓90角，是勵磁電流的基本分量，由它來決定發電機的輸出電壓的大小。電流分量ILi ：滯后于電壓的角度即為功率因數角。是用來產生電流補償和相位補償的,當發電機的負載發生變化引起電壓變化時,復勵分量起著自動調節電壓的作用。發電機勵磁電流IL是由發電機端電壓經移相電抗器提供的電壓分量ILu與由電流互感器提供的電流分量ILi所組成。 第25頁，共56頁。第26頁，共5

11、6頁。14.2.3 電磁疊加的相復勵自勵恒壓裝置 TE為三繞組相復勵變壓器，其原邊有一個電壓繞組N1, 它與線性電抗器LR串聯后, 接到發電機端電壓, 構成自勵回路。它引入電壓分量并與N3配合實現相復勵。N3稱為電流繞組, 串接在發電機主回路中, 采樣的是發電機負載電流If ，與N2構成復勵回路。N2是輸出繞組,它外接于三相橋式硅整流器VD。R、C阻容元件用作整流元件的過壓保護。CQ是三相諧振起勵電容，以外接三角形方式與LR相聯接，其作用是在起壓時與LR發生串聯諧振、幫助起壓。 第27頁，共56頁。由上式可知電磁迭加相復勵與電流迭加相復勵在數值和相位關系上基本相同，但電磁迭加型可通過調整匝數比

12、獲得更好的相復勵恒壓特性。 相復勵裝置的調試: 發電機空載電壓, 可通過調節電壓分量來調整；發電機帶負載后電壓, 可通過調節電流分量來調整。 第28頁，共56頁。14.2.3 電磁疊加帶電壓曲折繞組的相復勵系統 繞組N4稱為電壓曲折繞組。N4與N1在同一個三相鐵芯柱 A, B, C 上, N1的三相A, B, C 分別與N4的三相 B, C, A 反接串聯。它的聯接規律, 是N1總是與滯后相鐵芯柱上的N4反接串聯。電壓曲折繞組N4的作用是, 進一步加強功率因數變化時的相位補償, 以提高調壓器的靜態調整特性。 第29頁，共56頁。14.3 晶閘管自勵恒壓勵磁系統 該勵磁裝置是按發電機電壓偏差Uf

13、來進行自動調壓。 第30頁，共56頁。該勵磁系統在發電機自勵建壓過程中具有正反饋特性, 在發電機恒壓過程中, 具有負反饋特性。 晶閘管自勵恒壓裝置原理主要由三大環節組成:(1) 測量移相比較環節(2) 觸發控制環節(3) 勵磁主回路第31頁，共56頁。14.3.1 測量比較環節 測量比較環節中包括測量濾波及比較兩個回路 第32頁，共56頁。(a)直流測量電橋比較電路(b)雙穩壓管橋式比較電路及特性 當UDWUfDC2UDW時 當0UfDCUW 時 UKUfDC UK UDW(UfDC UDW )2UDWUfDC UK與UfDC成正比，勵磁系統呈正反饋特性。UK與UfDC成反比，勵磁系統呈負反饋

14、特性；具有使發電機輸出電壓保持恒定的作用。第33頁，共56頁。14.3.2 移相觸發環節及勵磁主回路 移相觸發環節 在勵磁調節裝置中，觸發器形式多樣，有單結晶體管觸發電路、單穩態觸發器、三極管開關電路和阻塞振蕩器等等。 勵磁主電路 單相半波、單相橋式、三相橋式可控整流電路等幾種。 第34頁，共56頁。第35頁，共56頁。第36頁，共56頁。14.4 可控相復勵自勵恒壓勵磁系統 TYQ 相復勵調壓裝置；YJQ 電壓校正器；TA 電流繞組；LR 移相電抗器；TE 相復勵變壓器；Uf 發電機端電壓；CL 整流濾波電路；CF 移相觸發電路；VD 全波橋式整流電路；L 勵磁電路；第37頁，共56頁。14

15、.4.1 可控相復勵變壓器式可控相復勵裝置 可控相復勵自勵恒壓裝置，采用在電磁迭加相復勵裝置的三繞組變壓器中加一個直流磁化繞組的方法。第38頁，共56頁。14.4.1 可控相復勵變壓器式可控相復勵裝置 當發電機的電壓偏離給定電壓時，AVR的輸出電流IT就有相應的改變，使得可控相復勵變壓器TE的飽和程度發生變化。在電流繞組N3和電壓繞組N1的電流為某一值時，輸出繞組N2所感應出的電流將作相應的變化。這樣能按照電壓偏差進一步調整發電機勵磁電流的大小。 第39頁，共56頁。14.4.2 可控移相電抗器式可控相復勵裝置 在整流器的交流側并聯一個三相飽和電抗器，進行交流側的分流控制。當出現電壓偏差時，A

16、VR的電流IT控制飽和電抗器的飽和程度，從而改變分流，以達到調壓的目的。 第40頁，共56頁。14.4.3 可控電抗器分流的調壓器 它在整流器的交流側并聯一個三相飽和電抗器，進行交流側的分流控制。當出現電壓偏差時，AVR的電流IT控制飽和電抗器的飽和程度，從而改變分流，以達到調壓的目的。 第41頁，共56頁。14.4.4 交流側晶閘管分流的調壓器 晶閘管并聯在相復勵裝置的交流側實現交流側的分流。當電壓出現偏差時，AVR輸出與電壓偏差相應的觸發電流, 改變晶閘管的導通角進行分流。通常在晶閘管電路中串聯一適當的阻抗，以限制晶閘管導通時的分流電流,。與飽和電抗器交流側分流的電路相比, 晶閘管分流是斷

17、續的, 而飽和電抗器交流側分流是連續的。 第42頁，共56頁。14.4.5 直流側晶閘管分流的調壓器 它與交流側晶閘管分流的可控相復勵裝置不同的是晶閘管并聯在直流側，工作原理大致相同。 第43頁，共56頁。可控相復勵自動調壓裝置是帶有電壓校正器的相復勵裝置，它具有調壓精高，無功功率分配均勻，起勵可靠，強勵倍數高，動態性能好等特點，因而獲得了廣泛的應用。 第44頁，共56頁。14.5 無刷發電機勵磁系統 主發電機G和勵磁機LG都是三相同步發電機 TYQ 相復勵調壓裝置第45頁，共56頁。G:主發電機EX:勵磁發電機CT:電流互感器X:電抗器F1:第一勵磁繞組F2:第二勵磁繞組（控制繞組）DCT:

18、差動電流互感器CCR:電阻VR:可調電位器RT:電抗器第46頁，共56頁。恒壓原理AVR 框圖基本電路為電流疊加相復勵裝置，其產生的直流勵磁電流供給第一勵磁繞組。AVR根據電壓偏差的大小和方向輸出的電流流過第二勵磁繞組（控制繞組），以實現發電機電壓的細調，穩定發電機的電壓，從而消除電壓偏差。第47頁，共56頁。并聯運行的交流發電機組，當負載在總額定功率的20100范圍內變化時，應能穩定運行，其功率分配的誤差應符合下列要求：各發電機實際承擔的無功功率與按發電機額定功率分配比例的計算值之差，應不超過最大發電機額定無功功率的10。鋼質海船建造及入級規范規定:14.6 并聯運行發電機組間無功功率分配

19、無功負荷的分配和轉移, 實質上是通過調節發電機的勵磁電流來調整發電機的電勢實現的 第48頁，共56頁。兩臺發電機并聯運行時，轉移和分配兩臺發電機的無功功率是通過調節發電機組的勵磁電流來實現的。有差特性：兩機的調壓特性應盡可能一致,則兩機的無功功率均分且穩定。發電機調壓特性兩機并聯運行無功功率分配（有差） 無差特性：并聯運行時,若有外界干擾時, 無 確定的 工作點不能穩定并聯運行。第49頁，共56頁。1) 直流均壓線 對容量相同的發電機并聯運行, 采用直流均壓線聯接。 當兩臺發電機并聯運行時, 兩勵磁繞組的勵磁電壓相等, 保證了兩臺發電機勵磁電流相等, 實現了兩臺發電機的無功功率均勻分配。 第50頁，共56頁。2) 交流均壓線 對容量不同的同步發電機并聯運行, 可采用交流均壓線。 兩臺發電機調壓裝置的移相電抗器通過均壓線并聯,該聯接在三相整流器之前的交流側。當兩臺發電機電勢不相等時, 通過交流均壓線的聯接可使發電機輸出電壓均衡, 以保持無功功率均勻分配。 第51頁，共56頁。3)電流穩定裝置在按電壓偏差進行調壓的