淺談船舶發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)樊夏軍

1、淺談船舶發(fā)電機自動調(diào)壓系統(tǒng)樊夏軍摘要：從當前的發(fā)展的形勢看，調(diào)壓系統(tǒng)已經(jīng)成為交流同步發(fā)電機中最重要，最核心的組成部分之一，對于交流同步發(fā)電機的性能有著至關重要的作用。本文主要論述同步發(fā)電機系統(tǒng)調(diào)壓系統(tǒng)作用和工作原理及采用相復勵變壓器，PID控制器為調(diào)節(jié)裝置的勵磁調(diào)壓系統(tǒng)。同時分析了幾個典型調(diào)壓系統(tǒng)。關鍵詞：調(diào)差 電壓整定 AVR 相復勵裝置 帶AVR的相復勵裝置0 引言：船舶電網(wǎng)是一個有限量電網(wǎng)，一般只有一個或者兩個電站組成，故電站的容量就是電網(wǎng)的容量?？傮w而言，船舶電站一般由34臺發(fā)電機組成，所以每臺發(fā)電機就是能量的源泉。當船舶電力系統(tǒng)負荷發(fā)生變化而引起電網(wǎng)電壓波動時，就需要迅速改變發(fā)電機勵

2、磁以維持電壓在一定的精度內(nèi)。完成這一步驟的就是發(fā)電機的自動調(diào)壓系統(tǒng)。當然，發(fā)電機起動時也是靠自動調(diào)壓系統(tǒng)迅速達到額定電壓。因此，調(diào)壓系統(tǒng)對于船舶電網(wǎng)有著重大作用及意義。1 交流發(fā)電機需要電壓調(diào)節(jié)器必要性 交流發(fā)電機為什么需要電壓調(diào)節(jié)器呢？從外部原因來說：交流發(fā)電機需要自動電壓調(diào)節(jié)器的理由有兩點。首先，當大容量的電動機啟動時，會產(chǎn)生強大的啟動電流，由于船舶電網(wǎng)是一個有限量電網(wǎng)，從而會對電網(wǎng)造成巨大沖擊，并且電動機的啟動電流基本上都是無功電流，當這個無功電流流過發(fā)電機時，加強了發(fā)電機交軸去磁電樞反應，使得端電壓較大幅度的下降。其次，當外部電路發(fā)生短路時，為了使得短路點迅速脫離電網(wǎng)，保護系統(tǒng)需立即動

3、作，而要使保護系統(tǒng)在短路時迅速工作，發(fā)電機必須進行強勵磁以維持一定幅值的端電壓使保護系統(tǒng)投入工作。顯而易見靠手動調(diào)節(jié)勵磁，響應速度肯定不行。因此必須要有自動電壓調(diào)節(jié)器進行電壓控制。 從發(fā)電機內(nèi)部而言：當發(fā)電機在原動機的驅(qū)動下運轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子繞組流過電流，產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場的磁極方向在直軸上，見圖1-1。而當負載接通以后，就有電流流過定子電樞繞組，該電流產(chǎn)生電樞磁場。此時主磁場是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場和定子產(chǎn)生的電樞磁場的合成。而電樞磁場對主磁場必定產(chǎn)生影響，這種影響即電樞反應。同時電樞反應的結(jié)果是隨著負載的性質(zhì)不同而不同。當電樞電流與電壓同相（COS=1）即純電阻負載，此時電樞磁場的磁極方向在交軸

4、上，即交軸電樞反應。電樞反應的結(jié)果使得主磁場一側(cè)被增加，另外一側(cè)被削弱。如果磁路飽和的話，會減少主磁場，使得電壓有所下降，見圖1-2。當電樞電流滯后電壓90（COS=0）純電感負載，此時電樞磁場的磁極方向在直軸上，方向和氣隙磁場相反，即直軸去磁電樞反應。其結(jié)果使得主磁場大大削弱，導致電壓下降，見圖1-3。 當電樞電流超前電壓90時（COS=0）即純電容負載，此時電樞磁場的磁極方向在直軸上，方向和氣隙磁場相同，即直軸助磁電樞反應。其結(jié)果使得主磁場大大增加，導致電壓上升，見圖1-4。 船舶的負載是電阻性和電感性的綜合，功率因數(shù)永遠小于1，因此當發(fā)電機負載以后，總是使得發(fā)電機的端電壓下降。為了保證不

5、管在什么性質(zhì)的負載下船舶電網(wǎng)電壓的恒定，必須需要自動電壓調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，確保電壓在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。 圖1-1 無負載主磁場分布圖 圖1-2 純電阻負載主磁場分布圖圖1-3 電感性負載主磁場分布圖 圖1-4 電容性負載主磁場分布圖2 自動調(diào)壓器的工作原理自動電壓調(diào)壓器簡稱AVR（英語名稱的第一個字母縮寫 ），是按機端電壓偏差進行勵磁調(diào)節(jié)的裝置。其工作原理就是當同步發(fā)電機機端電壓出現(xiàn)偏差時，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流或者勵磁機的勵磁電流，消除偏差或者減小到允許范圍內(nèi)。圖2-1是自動電壓調(diào)壓器AVR與發(fā)電機的關系圖。如圖自動電壓調(diào)壓器AVR本身是一個可控的電源裝置，機端電壓的偏差U經(jīng)放

6、大，輸出控制電壓Uc，控制直流電源輸出，進行勵磁調(diào)節(jié)，最后通過勵磁機控制發(fā)電機勵磁繞組的電流。對于無勵磁機的調(diào)壓系統(tǒng)，則直接控制勵磁繞組的勵磁電流，從而調(diào)整發(fā)電機的輸出電壓。 圖 2-1 AVR與發(fā)電機的關系示意圖 1、AVR 的電源AVR的輸入電源一般有：采用發(fā)電機機端電壓（或抽頭）、附加定子繞組和永磁發(fā)電機等等。圖2.1-1是無刷發(fā)電機典型的三種供AVR電源的方式，其中圖(a)AVR由設在定子上的輔助繞組供電；圖(b)AVR由機端電壓經(jīng)變壓器供電；而圖(c)AVR由永磁發(fā)電機供電。圖(a)和圖(c)的AVR輸出的勵磁功率由原動機提供，發(fā)生短路不影響輔助繞組或永磁發(fā)電機的輸出，并可提供強勵。

7、圖(b)用機端電壓直接供電存在一定隱患，萬一發(fā)電機端發(fā)生短路，機端電壓驟降，甚至消失，則勵磁電流也將消失，不能提供強勵，需附加強行勵磁措施。(a)AVR由輔助繞組供電的無刷勵磁系統(tǒng)(b) AVR由機端供電的無刷勵磁系統(tǒng) (c) AVR由永磁發(fā)電機供電的無刷勵磁系統(tǒng)圖2-1經(jīng)典勵磁系統(tǒng)幾種供AVR方式2、電壓的檢測AVR的檢測量是機端電壓。機端電壓是直接接入還是經(jīng)變壓器間接接入，主要看該AVR的檢測端是否與發(fā)電機端電壓匹配。例如發(fā)電機電壓440V，AVR的檢測端為110V，則需要用變壓器降壓。3、調(diào)差 交流發(fā)電機并聯(lián)運行時需要解決無功分配和避免環(huán)流。參與并聯(lián)運行的發(fā)電機，要求它的無功負載特性應是

8、下降的，即負載電流越大、功率因數(shù)越低，電壓下降越多。而AVR的功能是力圖阻止電壓變化，并不具有反映無功負載變化的特性，所以需要采取反映無功負載的措施來改變AVR的調(diào)節(jié)特性。這種措施稱為“無功電流反饋”或“調(diào)差裝置”。圖2-1中的電流互感器CT就是用來反映無功電流的。要從視在電流中取出無功分量與電壓進行比較，CT設置的相位與電壓檢測的相位有關。輸入三相電壓檢測的AVR，若取一相電流反饋一般取中間相（V相），若取兩相電流一般取左右相（U和W相）；輸入單相電壓檢測的AVR，取與線電壓成90的相電流，例如電壓取UVW，則電流取IU。4、電壓整定 同時AVR提供遙控電壓整定電位器的接口，用于調(diào)整發(fā)電機機

9、端電壓。 另外，只按機端電壓偏差進行勵磁調(diào)節(jié)的AVR，是具有一定功率輸出的可空電源。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速低的時候，發(fā)電機端電壓低，此時AVR的任務是力圖調(diào)節(jié)使機端電壓到達額定電壓。由于此時AVR輸出電壓急劇增加，有可能出現(xiàn)輸出過載，所以這種勵磁系統(tǒng)的AVR必須具備低頻（轉(zhuǎn)速）保護，即低頻時使AVR退出工作。3 典型電路3.1 不可控的相復勵調(diào)壓器相復勵調(diào)壓器的工作原理：找到引起發(fā)電機電壓波動的主要原因（負載電流及相位變化）的規(guī)律，并且按照這個規(guī)律預先或提前調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，來使發(fā)電機電壓維持額定電壓或控制在允許范圍內(nèi)。在圖3.1-1(a)中可以看到，相復勵調(diào)壓器模仿了直流發(fā)電機的調(diào)壓方式:電壓繞組

10、充當并激磁場，建立空載電壓，串聯(lián)在發(fā)電機三相繞組中的電流繞組來補償電壓的下降；接入電抗器使得電流落后于電壓90，實現(xiàn)相位的補償。圖3.1-1(b)描述了AVR的工作流程：輸入的測量單元是發(fā)電機電壓和負載電流，由電壓和電流測量出相位，然后輸出If，再經(jīng)信號變換后去調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流來維持電壓。但是這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒有反饋，不能組成“閉環(huán)”系統(tǒng)。所以這不是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？偠灾鄰蛣钫{(diào)壓器調(diào)節(jié)對象是電壓，被測量是負載電流和相位，每一個負載電流和相位都對應一個輸出控制信號。這個信號由調(diào)節(jié)裝置本身設計和第一次試驗調(diào)整所確定的。所以這種調(diào)節(jié)方式只能在某些條件不變的情況下，才能保證電壓的基本恒定。對于原

11、動機的轉(zhuǎn)速或調(diào)壓器的溫度等因素引起的電壓偏移，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就無法響應。因此，這種系統(tǒng)的靜態(tài)特性較差，但由于其動態(tài)過程是非周期性的，沒有振蕩過程，故其動態(tài)性能較好。所以相復勵調(diào)壓系統(tǒng)不加其他調(diào)節(jié)措施的我們就可以稱之為“不可控相復勵”系統(tǒng)，其示意圖如圖3.1-2所示。(a）(b)圖3.1-1相復勵調(diào)壓器原理圖及方框圖圖3.1-2經(jīng)典的不可控相復勵調(diào)節(jié)器3.2 帶AVR的相復勵自動調(diào)壓器（分流型） 為了解決相復勵調(diào)壓器靜態(tài)特性較差，提高其調(diào)壓精度，就引入了AVR自動調(diào)壓器，其結(jié)構(gòu)圖見圖3.2-1。圖3.2-2是可控直流電源AVR的原理示意圖電路，發(fā)電機輸入電壓通過可控硅整流橋輸出至勵磁繞組，可控硅整流橋

12、的輸出由比較放大器控制。輸入電壓通過信號變換單元，向電位器R1提供固定的電壓。電位器R1的設定電壓U1與輸出取樣電壓U2在比較放大器中比較，誤差放大后輸出控制可控硅的導通角度，改變通過勵磁繞組的勵磁電流調(diào)整發(fā)電機電壓。在此AVR實際上是一個自動的可控分流裝置，見圖3.2-2。AVR根據(jù)靈敏度調(diào)節(jié)要求，分掉一部分由電流互感器和電壓互感器經(jīng)電抗產(chǎn)生的電流，將其消耗掉，達到控制通過勵磁繞組的電流，提高AVR調(diào)壓精度。由于船用發(fā)電機最大的容量不過幾千到上萬千瓦，而且又都使用了無刷發(fā)電機，一般勵磁電壓上僅為一百伏左右，勵磁電流幾個到幾十安培，勵磁功率很小，可控電源的獨立板子可以做得很小，并且線路電壓電流

13、較小，故板子一般就安裝在主配電板里。圖3.2-1帶AVR的相復勵調(diào)壓器圖3.2-2是可控直流電源AVR的原理圖圖3.2-3帶AVR的相復勵調(diào)壓器AVR等效圖3.3 只有AVR的調(diào)壓電路發(fā)電機機端電壓既作為AVR的工作電壓又作為檢測電壓，調(diào)整好內(nèi)部和外部的電壓設定電位器，AVR根據(jù)檢測的電壓和電流的變化按設定程序輸出勵磁電壓，控制機端電壓。結(jié)構(gòu)圖見圖3.3-1。圖3.3-1 只有AVR的調(diào)壓電路4 DAHATSU發(fā)電機AVR分析圖4-1和圖4-2分別是DAHATSU發(fā)電機調(diào)壓器方框圖和原理圖。從圖4-1可以看出這就是上面所論的可控分流型（電阻型）的一個具體應用。圖中前半部分是相復勵調(diào)壓裝置，后半

14、部分的AVR根據(jù)機端電壓與給定值的偏差分流部分相復勵的輸出，目的使機端電壓維持一定精度。圖4-1 DAHATSU發(fā)電機調(diào)壓器方框圖 圖4-2 是DAHATSU發(fā)電機調(diào)壓器原理圖。圖中發(fā)電機電壓發(fā)生變化后，機端電壓通過變壓器，再經(jīng)過變壓、整流、濾波后產(chǎn)生一個較低的直流電壓作用在Q1上，Q1通過與給定電壓(內(nèi)部電位器由R1和外部電位器VR設定)比較,積分與微分輸出信號導通Q3和Q5輸出脈沖信號（如可控硅G1、G2導通電源與觸發(fā)信號不同步，則由Q2導通Q4，不讓Q5發(fā)出脈沖）。當E、F輸出電源，可控硅G1、G2導通即將用于調(diào)整的控制電壓輸出到發(fā)電機的勵磁繞組。則 輸出的勵磁電流即馬上調(diào)整發(fā)電機電壓，使其穩(wěn)定于一定范圍內(nèi)。由此可見自于脈沖發(fā)生器控硅的觸發(fā)脈沖可以控制發(fā)電機勵磁電流，維持端電壓在某個數(shù)值上。圖4