第章船舶同步发电机的并联运行.ppt

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1、,第二 章 船舶同步发电机的并联运行 一 概述 并联运行：两台或两台以上的发电机通过公用母线向全船负 荷供电，这就是通常所说的并联运行。 多机组并联优点： 1）船舶工况变化较多，因而用电量变化也很大，例如船舶在停 泊和装卸货两种不同工况工作时，用电量可能相差8倍甚至更多，采用两台以上较小容量的发电机用以根据负荷的大小改变运行方式，使发电机经常处于最佳运行状态（发电机在额定负载下运行具有最高的效率） 2）维护检修的方便 3）可靠性高,分类：准同步法和自同期法。 准确同期法（准同步法） 准确同期法是目前船舶上普遍采用的一种并车方法，要求待并机组和运行机组两者的电压、频率和相位都调整到十分接近的时候

2、，才允许合上待并发电机主开关。通常船上采用的手动并车、粗同步电抗器并车或自动并车都属于此种并车方法。 自同期法： 原动机将未经励磁的发电机的转速带到接近同步转速，即将发电机主开关合闸，并立即给发电机加上励磁，依靠机组间自整步作用而拉入同步，使发电机与电力系统并联运行。,二 船舶同步发电机的准同步并车 1 准同步并车条件 三相交流同步发电机准同步并车时，最理想的情况是满足如下三个条件： 1）侍并机组的电压与运行机组（或电力网）的电压大小相等： 2）待并机组的频率与运行机组（或电力网）的频率数值相等； 3）待并机组电压的初相位与运行机组（或电力网）电压的相位一致。 并车操作就是检测和调整待并发龟机

3、组的电压、频率、和相位，使之在满足上述三个条件的瞬间通过发电机主开关的合闸投入电网。这样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流。并且并列后能保持稳定的同步运行。 4）相序一致，安装已满足,下面我们就逐点来分析为什么要满足这三个条件？如果不满足，会有什么后果。 1 假设待并机组与运行机组频率相等，初相位相同， 但电压大小不等，并设待并机电压大于运行机组（电网）电压，因此 在DW开关动、静触头之间就有电压U，如果此时合闸，在两台发 电机之间就会产生环流IPH，对两台发电机将产生均压的作用。 IPH= U / j (X“1+X “2) IPH-相位滞后U 90 -为无功性质的电流 环流IPH对两台发电机

4、产生均压作用 (1) IPH与I2同相。由电枢反应的理论可知，发电机F2相当于增加了一个感性的负载电流，它产生去磁性质的电枢反应，使发电机的端电压减小。 (2) 对于运行发电机F1来说，IPH与I1反相，即一IPH与I1 同相，相当于使发电机F1增加了一个容性电流输出，其电枢反应的性质是增磁效应。因此将使F1的端电压增大，最后使两台发电机并联运行于同一电压U，而U1UU2。,综上所述，当频率相同、初相位相同、电压不等时，两台发电机并车将在两机组间产生一无功性质的环流、这一环流对两台发电机起均压的作用，所以又称平衡电流。 但是，由于发电机在并丰瞬间呈现的等值电抗很小，因此当电压差较大时进行并车操

5、作，在合闸瞬间会产生很大的冲击电流。它比稳定后的环流大得多。这是因为稳定后的环流基本上由两台发电机的同步电抗所确定，同步电抗比发电机在并车瞬间呈现的等值电抗大得多。 过大的冲击电流对于发电机和电力系统都是很不利的， IPH过大：（1）电磁力 IPH的平方，易损坏汇流排；（2）冲击扭矩太大；（3）跳闸（并车失败） 因此规范中一般规定，并车操作中电压差不得大于10。,2）假定待并机组与运行机组的电压相等，频率相 等但初相位角不同， 0不为零。 如果此时合闸，则在刀开关Dw的动静触头之间仍然会有一电压差U ，仍然会产生平衡电流IPH，但它与U1、 U2的夹角不再为90，而是/2，因此这一平衡电流IP

6、H不再是纯无功性质。 对待并发电机F2而言，我们可以将IPH分解成两个分量（有功分量IPHP、无功分量IPHq） IPHP与U2同相，表明该有功分量使对待并发电机输出有功功率（发电机作用），转速下降； 对于运行发电机F1而言，一IPH与I1 同相，我们可以将 -IPH分解成两个分量（有功分量IPHP 、无功分量IPHq）， IPHP 与U1反相，有功分量使发电机F1吸收有功功率（电动机作用），转速上升，最终并联机组达到相位一致进入同步运行，称“牵人同步”过程，此作用叫做自整步作用。,无功分量IPHq 、IPHq所引起的电枢反应性质是去磁效应（均滞后各自电压90，相当于增加了一个感性负载），使电

7、网电压稍小一些，由于这两个无功电流大小相等，作用的结果不会造成两台发电机电压差别。 同理，相位差不应太大（ IPH 0） 规范规定，一般相位差在15 以内。 3）假定待并机组与运行机组的电压相等，初相位相 同，但频率不等。 同2）将产生自整步作用，力图克服两机转速的 差异，但能否拉入同步？ （1） 若频差不太大，自整步作用能在180以内使 WS=0，则经若干次衰减振荡后可拉入同步 （2） 若频差太大，自整步作用不足以在180 以内 使WS=0，失步。 规范规定，一般频差在1%以内被认为是允许的。,二 步发电机并车步骤与检测手段 1 手动准同步并车步骤（流程图） （同步表的使用） 2 检测频差、

8、相位差的方法： 同步指示灯法 用指示灯检查相位是否一致，由于指示灯的不同连 接方式，又可分为灯光明暗法和灯光旋转法。,1）灯光明暗法： 将三个（也可以只用两个）指示灯L1、L2、L3、在开关的两端分别接在发电机和电网的对应相上。每个指示灯两端的电压就是每一对应相之间的电压差U，在并车条件的讨论中己说明过，当存在电压差、频率差和相位差时，在发电机主开关两端都会出现电压差，三个指示灯都会发亮。因为灯泡上所加电压的大小是随相位差而变的，所以三个指示灯随着相位 差的变化而同时忽亮忽暗。频差越大，灯泡亮、暗变化越快：频差较小时，灯泡亮、暗变 化变慢。 同步标志： 当灯光亮、暗变化较慢，并且灯泡完全熄灭时

9、，恰好是相位完全一致的时候，也就是并车操作中需要捕捉的合闸时刻。,2）灯光旋转法： 将指示灯按图(b)接线。 当待并发电机的频率f1高于电网频率fw时，它们之间相对 运动的角速度为2（f1一fw ）。如图(c)所示，若令电网电 压矢量静止，则待并发电机电压矢量以频差角速度 ws 2（f1一fw ）。反时针方向旋转。 三个灯泡的熄灭顺序为：L1-L2-L3-L1 反之，当待并发电机的频率f1低于电网频率fw时，三个灯泡的熄灭顺序则为：L1-L3-L2-L1 频差大，灯光旋转快 频差改变方向，灯光旋转方向也改变。 根据灯光旋转的方向和快慢，辨别频差的方向和大小，进行频率预调。 同步标志：灯光停止旋

10、转，L1灯完全熄灭，L2、L3亮度相同。 （灯光明暗法只能辨别大小）,3） 同步表进行准同步并车： 同步指示灯只是做为一种辅助并车指示，实船上主要采用整步表来指示待并机与电网的电压相位差、频率差及其方向。,粗同步并车法： 采用电抗器限制冲击电流，保证拉入同步的一种并车法。（条件放宽） 并车电抗器：功能：限流，按 =180时并车，将IPH限制在Ie(1.2-1.8Ie) （因为粗同步电抗器也是按短时工作制设计的，所以并车完成后，一定要切除，否则电抗器就可能被烧毁。） 粗同步并车实际接线分析,第三节 船舶同步发电机准同步 自动并车原理 一、对自动并车装置的功能及组成 功能：（1）频差方向鉴别，检测

11、待并发电机与电网电压的频率差，并根据频差方向自动地对待并机组发出增速或减速信号。使待并机组的频率接近电网频率，创造会闸条件。（频率予调） （2）鉴别合闸条件，设置一个合闸与门，检 测三个条件 （3）捕捉合闸时刻，要考虑主开关固有动作 时间，相应地提前发指令。 组成：见框图,二 脉动电压及其与自动并车 条件的关系 1 脉动电压的形成 所谓脉动电压指待并发电机电压频率与电网电压频率不一致但相差不大，并发电机电压与电网电压幅值相等，这样的两个交流电压之差。 设待并发电机和电网电压分别是 u1=Um sinw1t u2=Um sinw2t 则脉动电压的瞬时值为 Usu1-u2=Um (sinw1t-s

12、inw2t) =2Um sin(w1-w2)t/2 cos(w1+w2)t/2 它是脉动电压的数学表达式。脉动电压的瞬时值波形为实线部分，虚线表示脉动电压振幅变化的曲线。,在自动并车装置中，最有实际意义的是 脉动电压振幅变化的规律。 通过对Us整流（取正半波）、滤波（滤掉(w1+w2)的谐波部分）后，由1、2两端获得的电压波形就是脉动电压振幅变化曲线的正半波部分。其数学表达式为 Us2Um sin(w1-w2)t/2=2Um sinwst/2=2Um sin/2 = ws t+ 0 (为相位角， 0为初相位角） 2脉动电压的性质 若脉动电压的周期为TS 则：TS ws =2 TS = 2 /

13、ws = 2 / 2 (f1-f2) =1 / f 可见，脉动周期与频差成反比，频差越小，则脉动周期越长。,脉动电压与并车三个条件的关系： 1）脉动电压过零，说明待并发电机电压与电网电压同 相且幅值 相等。因此，脉动电压过零时，主开关应闭合。 2）脉动周期TS要足够长，说明频差在允许范围内。 （准同步并车三个条件可由以上两个条件代替）,三 准同步自动并车装置分类 自动准同步并车装置可分为两类 1 恒定越前时间的自动并车装置 这一类装置保证在给定的越前时间下发出合闸脉冲。 2 恒定越前相角的自动并车装置 这类装置在给定的越前相角下发出合闸脉冲。这时 越前时间并不是一个确定的数值，而决定于并车时

14、的角频差。这种装置在原理上就不能保证完全准确 地实现准同步并车的条件。 在发电机主开关合闸时间不大的情况下，较为简单 的恒定越前相角的并丰装置，得到很成功的运用。 但是，当合闸时间很长时，不再允许采用恒定越前 相角的并车装置。,四 自动准同步并车装置典型环节 技术方案及原理分析 1 差频三角波电压的形成 自动并车装置主要是通过对脉动电压进行各种检测和调整，以实现对并车三个条件的要求，因此如何获得理想的脉动电压是搞好自动并车装置的重要环节。 正弦形脉动电压的形成，只有当发电机电压和电网电压数值相等，频率相近时，正弦形脉动电压才有过零点。否则，当两个电压数值不等时，脉动电压将不过零，原来过零的电压

15、被抬高了一个电平，这将影响自动井车装置的可靠工作。 实际上大都采用脉动三角波电压提供给检测环节 脉动三角波电压与正弦形脉动电压同频，脉压US与相位角成线性关系，不受电压差和波形失真的限制。 电路及分析： 特点：1）三角波的周期与正弦形脉动电压相同 2）待并机电压与电网电压同相时，对应于三角波的 零点，待并机电压与电网电压反相时，对应于三角波的顶点,相敏电路原理 差频三角波电压一般由相敏电路获得，相敏电路的基本功能是将两个频率不同的电压信号，变换成一个仅与它们之间的相位差有关的直流电压。相敏电路的输出电压就是差频三角波电压。 a)原理图 b)输出波形图 c)各点波形图,2 频差符号鉴别及频率予调

16、 频差方向鉴别环节 功能：辨别频差的正负，控制频率予调（脉冲/ 连续） （频率予调） A 两脉压信号比较法 B 三脉压鉴别法 （三脉压过零次序不同，判断频差方向） C 模拟量比较法 uA = R2 /R1 (u2-u1) = R2 /R1 K(fF-fw) = R2 / R1 K f,允许合闸频差的检测（依据 f =1 / TS ） A 微分法 原理：对us微分，检测瞬时频差 频差三角波在（0）区间的直线方程为： us = 2 umt / Ts ud =d us / dt= 2 um / Ts= umws / ws = k ud 只要 ud 某一标准电平 （反映最大允许合闸频差） 则频差就被限

17、制在允许范围内,B 全脉冲周期检测法 C 取样检测法 D tq 和 q 信号重合法,3 恒定越前相角的获得与整定 方法：对脉动电压进行鉴幅，从而获得恒定越前相角的信号。 脉动电压Us2Um sinwst/2=2Um sin/2 由上式可知，任一Us值总是对应于一定大小的角，因此要想获得恒定越前相角 q，只要检测出对应于 q的脉动电压值就可以了。 由鉴幅器实现检测 在同一个脉动电压瞬时值Us 时，有两个与之对应的 角（ q和 q ），其中只有 q才是越前于重合时刻的相角，符合要求。 因此，在设计电路时应考虑在鉴幅器的输出电路后一级加一个单向微分电路，使之只能检出单向的脉冲，也就是越前相角信号，只

18、有负脉冲（即恒定越前相角信号）得以输出去触发合闸控制回路。,2） 恒定越前相角的整定： 要使主开关的动、静触头恰好在待并机与电网电压相位重合时闭合，恒定越前相角 q 的大小必须满足： q = Wsy t Kd 式中： Wsy允许频差角频率； tKd 主开关合闸固有动作时间。 换算成频率差表达式： q = 2 fy tKd（用弧度表示） = 360 fy tKd （用角度表示） 例如，允许频差整定为025Hz，开关的固有动作时间为01s，则恒定越前相角 q 360 025 0 19。 或 q 2 025 0 10 05 （弧度） 。 由此可知，根据发电机主开关的合闸动作时间和允许频差的数值就可以

19、整定 q。,4 恒定越前时间的获得 恒定越前时间的获得大都采用比例一微分电路，它是由电阻、电容井联组成的比例-微分环节和工作在检零伏态的电平检测器构成的。 条件：电平检测器的等值阻抗RC并联阻抗，所以为分析简便起见，我们将其忽略 当输入信号为正弦形脉动电压时，可得如下关系式 iR=Us / R = 2Um / R Sin Ws / 2 t ic = c dUs / dt = cUm Ws cos ws/2 t 输入到检零器中电流 i =iR+ic =2Um / R Sin Ws / 2 t + cUm Ws cos ws/2 t (1) 可以看出，它由“正”变化到“零”的时刻比脉动电压到“零”

20、提前一时间间隔tq,下面就分析证明这一段时间间隔tq并不随频差而变，而是由电路参数所确定的，从而该装置可以获得恒定越前时间。 电流i过零的时刻为t 0 代入式(1)则得： tg ws/2 t0 = -RC/2 ws 而 t0 =Ts tq =2/ ws tq代入 得：tg ws/2 tq = RC/2 ws 因为ws/2 很小 tg ws/2 tq = ws/2 tq ws/2 tq = RC/2 ws tq = RC（秒） 因此我们就有可能根自动空气断路器的固有动作时间tKd来选择RC的大小，使得提前时间tq = RC= tKd 这样就获得了恒定越前时间。,第四节 TZT一1型交流发电机通用

21、 自动并车装置 一 概 述 TZT一1型自动并车装置是按粗同步并车的程序设计的，但是为减少合闸时的冲击申流，按满足准同步井车的条件考虑，所以也可用于准同步自动并车。它是粗同步与自动准同步的结合。 自动并车装置由以下几个主要基本环节所组成： 1）烦率预调：由继电器J1、J1和J2动作来实现； 2）电抗器接通控制：当满足准同步并车条件时，由 继电器J3动作来实现； 3）主开关合闸控制；当待并机组通过电抗器已整步 后，即可接通继电器J4，接通主开关合闸控制电路； 4 ) 并车电抗器切除控制：主开关合闸成功，通过J5切除电抗器,直流工作电源分两级：一个是继电器电源，由变压器B2的次级绕组2N4上的交流

22、电压经ZL2整流，C8滤波后输出；另一个是电子线路工作电源，由继电器的直流工作电源经稳压管WG5稳压而得，R44为调整电阻，如图所示。 二 频率预调工作原理： 1频差方向的鉴别 继电器J1-加速继电器 继电器J1-减速继电器 加在继电器J1的脉动电压us = uAB- uab 加在继电器J1的脉动电压us = uAB-( uab- ubc) 设计时，我们令变压器的副边绕组匝数有如下关系： 1N2 3N23N3 =3 1N33 2N3 这样， uab uAB uAB 3 uab 3 ubc,uAB- uAB 1） uab与( uab- ubc)的相位关系： uab- ubc 1/3 ( uab-

23、 ubc) 而uab超前( uab- ubc) 30，且幅值为1/3 倍 因此， uab与( uab- ubc)的相位相差30，最大值相等 us = uAB- uab us = uAB-( uab- ubc) 可以证明， us与us 相差15 2）继电器J1和J1各自承受的脉动电压关系 若 ff fw 则 us 超前us 15,2）调速脉冲宽度控制 调速脉冲的宽度的控制则由继电器J2来实现。 (1) 继电器J1、J1不动作，稳压管WG1截止，BG1截止， BG2导通， J2有电吸合，但由于J1（J1）未动作，其常开触头并未闭合，所以由J1（J1）和J2组成的调速脉冲支路无调速脉冲输出。 （2）

24、若继电器J1动作，立即输出减速信号。同时， J1常闭触头断开，C2开始充电，达到WG1的击穿电压时， BG1导通， BG2截止， J2断电，调速脉冲消失。 （3）脉冲宽度的调节 改变电容充电时间常数便可，RC越小，脉宽越窄。 加速脉宽调节：调W1 减速脉宽调节：R4较小，固定不在调。 本装置一旦固定，脉宽便固定。如果频差越大（脉动周期越短） 则调速脉冲的频率越高，调速的频率与脉动周期有关。,三 电抗器按通控制电路 由继电器J3动作来实现 J3获电，Z14、Z15、Z16均截止， Z14、Z15、Z16组成三端负与门。 1） 合闸总监的实现 Z14截止条件：频差、电压差、相位差均较小 2） 恒定超前相角的获得 对脉动电压进行鉴幅，从而获得恒定越前相角的信号 Z15截止条件：恒定超前相角到来的时刻 改变电位器W4 ，US1幅值变化，可调节恒定越前相角,3） 允许合闸频差的检测和控制 采用取样检测法检测频差 Z16截止条件：频差小于允许合闸频差 改变电位器W5 ，C14充电时间常数改变，可调节允许合闸频差 四 主开关合闸控制及电抗器的自动切除 1 主开关合闸控制：继电器J4实现主开关合闸控制 2 电抗器自动切除：继电器J5实现切除电抗器,