第十四章 同步发电.ppt

第十四章同步发电机电压及无功功率自动调整,14.1自动电压调整的基础知识14.2不可控相复励自励恒压励磁系统14.3晶闸管（可控硅）自励恒压励磁系统14.4可控相复励自励恒压励磁系统14.5无刷发电机励磁系统14.6并联运行发电机间无功功率分配,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。,14.1自动电压调整的基础知识,14.1.1自励恒压装置的作用,1）自励起压依靠剩磁可在发电机额定转速时，能建立额定空载电压。同步发电机转子励磁电流，是由三相输出电压经整流而形成，这就是自励；起励电流在二极管死区电压内不能导通，故转子要有剩磁外，还要有起压措施。,2）维持电力系统电压基本恒定当负载大小和负载性质变化时，能自动保持电压基本恒定。,影响电压因素电枢反应、内阻压降。所以需恒压装置来相应地调整发电机的励磁电流，使发电机的端电压基本恒定。,3）合理稳定地分配并联运行发电机间无功功率并联运行的机组，如果无功功率不按各自容量成比例分配，将造成发电机间的电势不等，就有无功环流产生。,返回,图14-1船舶电力系统电压暂态调整特性曲线,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。,14.1.2自励恒压装置的基本要求,14.1.2自励恒压装置的基本要求,1）静稳态和动态特性,⑴.静稳态电压调整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。静态电压调整率船规空载到满载，功率因数为额定值时，主发电机≤2.5；应急发电机≤3.5,⑵.动态电压调整要求大负荷突变时，能使电压在允许的范围内。瞬时电压调整率船规突加/减50额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）对称负载时，动态电压变化率应≤15，恢复时间≤1.5秒。,2）强行励磁,要求自动电压调整装置在电压突然大降时，使励磁电流升高至超过额定状态的最大值。目的⑴.保证系统运行；⑵.选择性保护装置准确动作。强行励磁能力用强行倍数表示,一般为2.,3）无功功率的合理分配,保证并联运行发电机能最大限度地发挥其功效（不会一台过载，另一台仍有很大的余量）。船规当负载在总额定功率20～100范围变化时，应能稳定运行。功率分配误差应符合实际承担无功功率与按额定功率分配比例的计算值之差，应不超过下列的较小者。（1）最大发电机额定无功功率的10。（2）最小发电机额定无功功率的25,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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。,4）自动恒压装置的分类及调压原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.按负载电流If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If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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分类方法通常3种①.按直流励磁电流获取方式分；②.按自动调压作用原理分；按励磁电流分1.直流励磁机他励；2.静止自励（不是旋转的，大功率半导体整流元件，有刷同步发电机）；3.交流励磁机他励（无刷同步发电机）。按调压作用分1.按电压偏差（负反馈）进行调节。静态精度高、动态特性差；2.按负载（扰动）进行调节。动态性能好、及时，静态精度较差、精度低；3.复合调节（按负载扰动为基础，同时采用AVR按电压偏差）。动静态性能都较好，结合两者优点。主要类型不可控相复励自励恒压励磁系统、晶闸管（可控硅）自励恒压励磁系统、可控相复励自励恒压励磁系统、无刷发电机励磁系统,4）自动恒压装置的分类及调压原理,相复励既反映电流的大小，也能反映电流相位的（同步发电机）励磁电路称为相位复励线路，简称相复励线路。发电机输出电压变化原因1.输出电流大小变化（电枢反应程度变化）；2.输出电流相位变化（电枢反应性质、或分量变化）。恒压的方法励磁电流根据输出电流的大小和相位的变化进行相应的调整、控制。特点①.动态性能优良，能在恶劣环境下可靠工作；②.静态精度较差（由于同步发电机的调节特性非线性，相复励线路不能完全准确按调节特性来调节励磁。∴相复励尤其是不可控相复励线路的静态精度较差）。类型较多，通常可归纳为三种方式①.按电流叠加；②.电磁叠加；③.按电势叠加。,相复励自励恒压装置,14.2不可控相复励自励恒压励磁系统,图14-4不可控相复励线路①.按电流叠加；②.电磁叠加；③.按电势叠加。,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14-2所示。自励同步发电机的自励起压特性曲线，如图14-3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,图14-2自励同步发电机自励回路的单相原理图图14-3自励起压特性曲线,过程发电机转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的数值上。条件1.有剩磁（若无，应可充磁）；2.接线正确（励磁与剩磁同向）；3.场阻线与空载特性有一个确定的交点（励磁电路电阻适当）。,1）自励起压基本原理,同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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2）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,返回,图14-5外特性曲线,图14-6复式励磁,返回,图14-7电流叠加相复励调压图14-8相复励矢量图,返回,图14-9电磁迭加相复励图14-10电势迭加相复励,14.2.2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,返回,图14-11电流叠加相复励装置原理图,返回,,,,,,图14-12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,14.2.3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1、发电机空载电压,可通过调节电压分量来调整。空载电压偏低时1）减少电抗器的匝数以降低电抗值；2）增大电抗器的气隙以减少电抗值。2、发电机带负载后电压,可通过调节电流分量来调整。1负载电压偏低时减少电流互感器副边匝数来增大变比K,,其磁势平衡方程式为,,,,,,图14-14电磁迭加相复励自励恒压装置,14.2.4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。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（使其在2.5之内）。,返回,,,,,,,图14-15带有电压曲折绕组相复励自励恒压装置的原理图,组成原理图12-2-1电流互感器CT测量输出电流大小，输出电压经电抗器x移相90后，再进行电流叠加，经过整流后得到直流励磁电流。,励磁电流大小分析复励线路单线图如图12-2-2。将励磁回路直流电阻等效到交流侧（用三相电阻代替实际直流电阻），可得一相等效电路（图12-2-3）。由电路定律，且∵Rx，∴励磁电流表达式（12-2-1/2）为,等效电路,原理分析,电流分量称为复励分量；电压分量称为空载分量。,,补偿原理,复励原理1.电流大小变化、相位（滞后）不变时，根据调节特性，滞后的电流增加，电枢反应的去磁作用增强，要保持电压不变，应增大励磁电流。由相量图分析可知，相复励线路满足这一要求。2.电流大小不变、相位更加滞后时，相复励线路也将使励磁电流增大。,∵电压分量移相90，才使总励磁电流适应无功电流变化。,