船舶电站教案.docx
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船舶电站教案
第一章船舶电站综述
本章重点：
①船舶电力系统的基本组成
②船舶电站自动化基本内容
③运行工况分析
难点：
理解运行工况分析
1-1船舶电力系统
一、
船舶电力系统基本组成柴油机
①电源：
发电机←原动机废气透平机把一次能源变换为电能
汽轮机
电站②配电装置：
控制、监视、保护、测量等
③电网：
输送电能
④负载见图1-1
二、船舶电力系统的特点
1、电网容量小，单机容量小，电压低，电网短路，短路电流比较大，短路破坏性大
2、电压波动大，因为电动机容量与发电机容量相比拟，起动冲击电流大，U↓，为此，调速器动、静态特性好，自动保护装置、可靠灵敏。
3、工作环境恶劣
特点：
1、容量增大；
2、大功率，中压，中频参数
3、新器件，电子化，微机化
§1-2船舶电站自动化
船舶电站自动化的目的：
①提高电质量
②保证供电的安全可靠
③改善劳动强度和条件
④提高电站运行经济性
一、基本内容
1、原动机的控制：
①自动起动、停车
②自动频载调节（调速器来完成）
③轻、重柴油供给自动切换
④废气涡轮加热器循环自动控制
2、发电机的控制：
①自动调压
②ACB自动合、跳闸
3.电网运行控制：
①发电机组台数的控制（投入和解列顺序选择）
②自动并车
③重载询问
④自动调频调载
⑤自动卸载
4、报警和保护：
①发电机组故障自动切除和保护
②电站工况集中显示
③召唤系统
④故障和异常工况记录打印系统
图1-2自动电站流程图
实现框图：
P267《指南》图7-31
二、自动化船舶电站的控制方式
1、模拟量控制：
调压器、调速器、单元
2、程序控制：
自动起、停（继电、PLC）微机自动控制系统
3、管理控制：
（人工）
三、船舶电站机组控制
1、电站运行方式：
《指南》P268
①单机运行：
电网失电→投入先退后进
②并联运行：
严重故障（一级故障）跳闸、断电→投入备用机组
轻故障（二级故障）先并后退并车→解列故障机组
2、电站功率管理：
（并联运行方式电站功率管理）
①按功率原则：
起动备用机80%Pe
解列运行机40%Pe
②按电流原则：
起动备用机95%Ie
解列运行机40%Ie
电流原则可防止发电机过载，但船网功率因数变化不大，普遍使用功率原则，因为测功器与自动调频调载共用
图1-3是一台废气机组与柴油发电机组的投入和解列控制的负载运行图，要求GD与GT并联运行
要求柴油机组应达到40%Pe，再增加负开GT来承担，GT达到100%时，电网再增加ΔPNet由GD承担，当GD达到90%Pe时，再起动第二台柴油发电机组。
1、卸载过程：
先GD→40%Pe（10%Pe）→解列1台GD，电网P↓→GD→40%Pe，然后，再减少GT
2、废气了组G1或轴机GSh可单独运行
负载运行图见P279《指南》7-43
3、备用机组选择和暖缸、预润滑控制
投入顺序1→2→3或3→2→1
解列顺序：
与投入逆序，先投先退
4、故障停车
①超速（原动机失控）
②滑油压力低
③冷却水高
四、报警系统和运行工况监视
（1）监视和报警工况内容
表1-1
（2）监视方式
a:
长时间监视
图1-4P343KM-2机舱监视报警装置
b：
巡视检测图1-5
①采样周期
②无轻重，大家均等机会
c：
时间分割多路传输监视方式
图1-6
第二章船舶电站自动控制装置
本章重点：
①自动并车装置
②自动调压器
③Q的分配和并联运行稳定性
④自动调频调载装置
难点：
取决于学生掌握电子技术程度和同步发电机原理
§2-1船舶同步发电机组自动并车装置
一、为什么要并车运行
①船舶电力负荷变化比较大
小负荷单机机组负荷率高效率比较高
大负荷双机机组负荷率高效率比较高
②保证供电连续性便于检修
二、同步发电机并车操作方法
1、自同期法：
待并机拖到接近同步转速，先合上主开关，并立即给发电机加励磁依靠机组间自整步作用而拉入同步。
特点：
①操作简单
②合闸瞬间冲击电流，冲击转矩大，造成电网U↓历害。
一般船上少用
2、准同步法：
1）并车条件：
当待并车与电网之间：
实际操作：
2）特点：
①冲击电流，冲击转矩小，对电力系统影响小
②并车条件要求严，只要有一个满足都会造成很大的冲击电流
3）并车装置：
灯光明暗法
灯光法灯光旋转法
a：
手动并车整步表法
粗同步法
半导体集成电路构成（模拟量）
b：
自动并车微机（数字式）
一般船上具有：
自动并车和手动并车，当自动并车装置出故障时，就采用手动并车
三、GAC-5C型船舶发电机组自动并车装置
（一）概况
特点：
①使用中央微处理器（CPU）和综合信号传输及软件处理技术达到简化硬件
②连续巡回监视、检测和自诊功能
③具有手动控制，而且手动控制优先于自动控制
④与保安系统独立
（二）系统结构
见图2-1三大部分
1、手动控制：
①主开关控制：
ACBBCS（BreakerControl-System）
②调速器控制：
GovernotControl-System）
③柴油机控制：
ECS（EngineControl-System）
独立于GAC-5C的操作控制电路
2、信号传输
它运行GAC-5C主单元与外部线路之间数据和控制信号的传输
它是采用传输线共享传输方法，这样可有效减少传输线
它采用两种类型：
1开关量的传输TM：
主开关位置，主开关控制，柴油机控制指令
2模拟量传输TMA：
U，I
见《指南》P272传输原理示意图2-2所示
工作原理：
它是采用软开关Sa和Sb，根据时钟脉冲进行同步切换，以致于不同输入传输到接收端的不同寄存器单元，然后由CPU来读取或输出
例如：
Sa在输入1位置，Sb也在寄存器输入1单元的1的位置，这样输入的信号就被传输到寄存器1，进行寄存，一直保持到下一次再输入。
由时钟脉冲控制Sa切换到输入2，同时，Sb也同步切换到寄存器输入2信号的单元，进行传输，寄存，然后再切换到3……，直到8个输入、传输一遍后，又从1号开始，就是这样周而复始扫描输入。
只要这个扫描的速度足够高于输入量的变化速度（即满足采样定理：
f采>2fmax）这种单线传输就相当于无开关的一一对应的多线并行传输效果。
这种软开关是采用高速电子开关。
本传输系统只有6根导线：
①时钟脉冲（2根：
CKP，CKN）
②信号传输线（2根：
SIGP，SIGN）
③电源线（2根：
+12V，com）
每8个输入为一组
发送器和接收器工作原理见《指南》P274
2、GAC-5C主控单元
图2-3
由工作电源，CPU处理器，输入、输出接口和自动整步控制等部分组成
①直流工作电源：
从船电24V直流电源通过有源滤波送到DC/DC变换电路进行稳压调节，获得稳压直流电源送给各个印刷板
②CPU和记忆单元：
它在EMW-1101A印刷电路板上，CPU是莫托劳拉的MC6802处理器，采用8位平行处理，EPROM有40K，RAM有16K
③输入、输出接口
a：
模拟量输入接口（TMA）（EMW-1301）
这个模块包含有TMA传输系统的基本功能，如时钟脉冲发生。
通过总线把模拟量通过本身的模数变换器变换的数字信号送到CPU处理板上，它有A/D，输入隔离电路等
b：
开关量输入接口（EMW-1501）
这块模块包含有TM传输系统的基本功能，并且两个TM传输系统是相互独立，二个TM的数字量传送给CPU板通道是电气隔离的
c：
并行输入/输出接口（EMW-1401A）
这块模块是直接连接GAC-5C主控部分的并行输入、输出与CPPU处理单元的接口，它平行输入给内部操作（EMW-1812）的报警器的开关信号，而平行输出调速器的上升或下降，主开关ACB合闸信号，当报警时，并行输出驱动报警发光二极管发光。
d：
报警板和内部操作板（EMW-1812）
通过内部操作面上的按钮，对它内部参数进行整定，操作方式的设定等操作，由平行输入、输出口（EMW-1401A）送来各种报警信号，如CPU不正常，TMA不正常，TM不正常，A/D不正常，自动整步单元不正常等
④自动整步部分（EIH-221.222）
发电机的电压由选择开关通过电压互感器降压隔离之后，送到自动整步部分，同样电网电压也是通过电压互感器降压隔离后送到自动整步部分，进行自整控制。
（三）自动整步过程
1、同步条件检查（EIH-221）
电网和待并机的电压分别通过电压互感器PT降压隔离之后直接送到同步条件检查模块，进行检测两者，ΔU是在允许范围之内（一般整定3%），检查Δf是在允许范围之内（一般整为0.3Hz），若这些条件满足，插件面板上的合闸红色指示灯亮，合闸时捕获电路就在同相位提前一个时间（一般整定在130ms）（它是采用恒定越前时间原则），向输出接口模块（EIH-141）发出允许合闸信号。
2、频率预调（EIH-222）
同样，电网和待并机的电压通过互感器PT降压后直接送到频率预板（EIH-222），检查Δf，根据Δf产生一个调速控制信号，Δf<0，加速，Δf>0，Δf=f待-f网减速，调速脉冲周期可整定在5s（它根据频差的大小和调速器的特性进行整定），调速器控制脉冲也是通过输出接口模块送出，使调速器的伺服马达正转或反转调速，当发出加速或减速信号时，EIH-222插件面板上的对应的红色指示灯会发亮。
3、输出接口（EIC-141）
合闸调速控制信号都通过该模块送出，它是把EIH-221，EIH-222和并行输入，输出接口（EMW-1401A）送来的信号进行放大，然后以继电的形式输出，
其内部各个电路图如图7-45所示，同时相应的指示灯就亮。
§2-2船舶同步发电机的自动励磁装置
（自动调压器）
一、概述
大家知道同步发电机的电枢反枢：
①纯阻性负载：
电枢反应是交轴作用，内阻，U↓
②纯电感性负载：
电枢反应是去磁作用，有效磁通φ↓，U↓
③纯电容性负载：
电枢反应是增磁作用，有效磁通φ↑，U↑（船上负载一般都是电阻电枢负载）《船设》P48页
如果同步发电机保持励磁电流恒定，那么发电机从空载到满载（保持在额定功率因数时），其端电压可降到60%～70%UN，使大多数负载无法工作，同时，在并联运行的船舶电站，也需要合理分配无功功率Q
所以，要保持电网（发电机端）电压为恒定，就得使励磁电流随负载电流，负载性质变化而变化。
要保持电网（发电机）电压的频率恒定，就得保持原动机转速恒定（由调速器来完成），所以
f（
一定）
调节油门→输出功P（f一定）
二、励磁装置分类
根据励磁调节器工作原理，可分为三大类：
扰动型，偏差型和复合型。
1、扰动型
它是按负载电流
和负载功率因数cosφ的大小进行励磁调节的装置
由上述分析可见，发电机端电压的变化是由负载的扰动量引起，所以，就可利用这个扰动量直接控制励磁电流，使得端电压尽量保持在一定范围±3%以内，它就是利用扰动，补偿扰动引起的被控量偏差，简称为“利用扰动，补偿扰动”，从控制论角度分析，由于被控量和被测量不是同一个物理量，是属于开环系统。
从控制系统指标来分析，它是一个前馈控制，因为，它是利用扰动，来补偿扰动，还没有待到被控量4发生变化，它的补偿作用已经开始2，所以，它具有动态特性好特点，但属于开环系统，无法做到时时刻刻都能等量补偿，所以，静态特性就比较差。
正是由于这一点，以后，才发展可控硅偏差型-调节器。
这种扰动型也称为不可控相励装置，根据扰动量
引入方式不同，可分为：
电流迭加，电磁迭加谐振式（简称三绕组调压器）带有曲折绕阻电磁迭加谐振式（四绕组调压器）和电势迭加，一般电势迭加比较少用，三种不可控相复励自励恒压装置的单线简图如下图所示。
2、偏差型
它是按发电机实际电压值与给定电压值（额定电压）的差值即电压偏差信号ΔU的大小调节励磁电流的装置，可见，被测量和被控制是同一个物理量，属于闭环系统，而且按给定量与实际量的误差来调节，它是一个负反馈系统，所以这种系统具有系统稳定，静态误差小（即静态特性好）的特点。
与扰动型比较，它不直接测量扰动量，而扰动量是通过电压变化反应出来，所以，它是“测量偏差，消除偏差”而与引起偏差的原因无关，它可把诸多的扰动量引起的偏差包括在内，比如说，整流二极管的温度效应等等，因此，偏差型具有很好静态特性，它调节精度1%以上，但它的动态特性差，特别是误差出现之后，未消除误差，所以，它按自动调节过程，应有测量比较环节，触发移相环节，可控硅SCR主电路等组成。
3、复合型
它具有扰动型和偏差型的两种功能，综合了扰动型和偏差型的特点，这种也称为可控复励自励恒压装置，它是在不可控相复励的基础上+电压校正器（AVR）根据AVR加入的方式不同，可分为：
交流侧分流、直流侧分流和改变不可控相复励装置元件参数三种方式。
三、不可控相复励自励恒压装置
电流叠加和三绕组的在《船舶电气设备及系统》讲述，不再得述，这里介绍具有曲折绕组的电磁叠加相复励自励恒压装置。
（一）工作原理
注意其接线：
每相铁心柱上的W1绕组总是与其滞后相上的绕组反向串联，这样就使得每相铁心柱上的两个电压绕组（W1和W4）由两个不同的相电压供电，使得自励分量比三绕组偏移了一个小角度，下以A相为例，分析其输出励磁电流复励作用。
1、自励作用
当发电机起动达到额定转速，由于发电机的剩磁电压作用，使得发电机电压达到空载额定电压UN，这个电压经移相电抗器XDK移相90º得到一个滞后于电压UA90º的电压分量IA在W1线圈就产生磁势FA并与IA1同相位，而UC同样经XDK移相90º，得到的滞后于电压UC90º的电压分量IC1，在W4线圈就产生磁势FC4并于IC1同相位。
而且在制造时，W4匝数比W1小得多，所以|FA1|《|FC4|，由于这时空载I3=0，这样，我们就可作出自励分量磁势：
FU=FA１＋（－FC4）在输出绕组W2就有励磁电流Ie输出。
2、复励作用
①电流复励作用
当负载电流量不变时，即cosφ不变，电流由IG增加到IG’那么在W3绕组产生的磁势由F3增加到F3’，那么合成磁势F2也增加到F2’，可见|F2|<|F2ˊ|励磁电流Ie增加，补偿了电流增加引起端电压下降，所以，它具有电流复励作用。
②相位复励作用
当负载电流大小不变，而相位发生变化，由φ0增加到φ′，同样我们也可以作出它们的相量图，可见，|F2′|>|F2|，由于相位增加，直轴应加强（即去磁作用加强），这时，变压器输出的励磁电流增加，补偿了去磁作用，保持了端电压恒定，所以，它具有相位复励作用，我们可以作出
φ＝0φ＝90º的励磁磁势的变化规律，如图2轨迹所示，由于三绕组没有曲折绕组W4，只有W1。
所以，两者之间的自励分量FU就相差一个角度α，即四绕组滞后于三绕组一个α角度。
所以，在相同自励分量大小下，三绕组的相位复励变化轨迹如图1轨迹所示。
可见，在cosφ＝1,|F2三|>|F2四|产生过激，造成端电压高于额定值，而在cosφ＝0时,|F2三|<|F2四|，四绕组克服了在低功率因数欠激的不足，我们在设计时，总是使四绕组相对于三绕组适当地减少其自励分量IA1（或减少W1匝数），增大其复励分量（增多W3匝数），使在cosφ＝0.8时,两种装置输出励磁电流相等，这样就可实现cosφ＝1,|F2四|<|F2四三|而在cosφ＝0时，|F2四|>|F2三|使合成的磁势F2轨迹更接近于椭圆形，励磁装置的输出特性更接近于发电机的调整特性，一般静态电压调整率可提到±2%。
其缺点：
①在高功率因数，小负载时，会出现欠励区，|F2ˊ|<|FU|，可见α↑→欠励区越大，α＝5º～15º
②线路复杂，用铜量大，调试困难；
③接线与转向（相序）关系密切。
（二）装置的安装、调试及日常维护
1、安装
应使W1绕组与滞后相铁心柱上的W4绕组反向串联。
2、调试
①空载电压调整DK匝数↓
UGOUGO>UGN反之说明自励分量太大
②负载调整
UG>UGN减少W3→F3↓→F2↓→UG↓
UGcosφ＝1UG>UGN增加W4→α↑，增大曲折分量，增加
cosφ＝0UG反之→W4↓→α↓
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