船船同步发电机的并联运行.docx

1、船船同步发电机的并联运行第三章 船船同步发电机的并联运行学习目标知识目标1能正确叙述和理解船舶同步发电机的并联运行条件；2能正确理解和掌握船舶同步发电机的并联运行方法；3能简单叙述同步发电机的无功功率的调整的基本原理；4能正确理解和掌握同步发电机的频率及有功功率的自动调整原理及工作特点。能力目标1会进行船舶同步发电机的手动和自动并车；2会进行船舶同步发电机的同步调整；3会进行船舶同步发电机的功率、频率调整。第一节 同步发电机并联运行的条件一、概述两台以上的发电机同时工作，通过共同的公共母线供电给全船的电力负荷称为并联运行。 (一)并联运行的优点 因为并联运行有如下两个优点，所以船舶电站的发电机

2、都采用并联运行的方式。 1船舶电力负荷随船舶工况的变动而经常变动，例如航行工况与停泊无装卸工况的负荷差别很大，我们知道，对发电机来说，一般都设计成在接近满负荷使用时具有最高的效率，因此，船舶电站总是设计成两台以上的发电机组成，在小负荷时，适宜于单机运行，而负荷大时，则采用两台或两台以上发电机并联运行，这样能保证在各种不同工况下，运行中的发电机都能在高效率下工作。 2为了保证供电的可靠性和连续性，船舶电站总设置有备用发电机组，当要检修运行中的发电机组时，先将备用机组起动并与电网并联后，再转移负载，将所检修的运行机组的负载转移在备用机组上后，再从电网解列，这样可以保证不停电的检修运行中的发电机组。

3、 (二)同步发电机并联运行的条件 为了使并联运行的交流同步发电机保持稳定地工作，每台并联运行的发电机必须满足如下的电气方面的条件: 1各发电机电压的相序应该一致 。 2各发电机的电压大小(有效值)应该相等。 3各发电机电压的相位应该一致。 4各发电机电压的频率应该一致。 由于船舶电站在建造时，三相相序已正确接好，各机组的三相相序已分别通过主开关与电网或汇流排的三相相序分别对应接好，只要不是人为的错误换接，那么船舶发电机并联时要求相序相同的条件，事实上已经得到满足，因此三相发电机的三相电流相序一旦接好后，不得改动。 下面对以上四个条件进行详细分析。二、三相相序条件的分析如果待并发电机的频率、相位

4、、电压三个条件均已满足运行发电机的要求，只有相序条件不满足，是绝对不能并联的。因为错相序后，相当于直流发电机并联时正负极性错位一样，变成两电源电压迭加，形成严重的短路现象。这时，两发电机间的短路负载为其各发电机的内部阻抗，此阻抗值极小，因此强行并联后，必将产生严重短路电流，在此电流的冲击下，电网电压迅速下降，主开关立即跳闸，造成全船电网失电。在测量相序时，可采取如下方法:三相相序相同时，各机间三相的对应电压为零伏。否则将产生400伏的线电压，因此，可以用万用表或交流电压表检测三相相序是否相同。图3.1.1表示待并机的、两相与汇流排相序不同的情况。由图3.1.1可见，用电压表“”应能测出与的电压

5、均为400伏，而的电压为0伏。说明相极性相同，但、两相反相，故不得并联合闸。 三、三相电压条件的分析如果待并机的相序、频率、相位均满足电网的要求，只有待并机的三相电压值与电网三相电压值不相等，也不能并联。为分析方便，设。ACB1ACB1ACB2ACB22IPHUU1II1UU1U图3.1.2 电压条件分析图(a)(b)(c)IPH-IPH 在两台发电机存在电压差时合上待并发电机的主开关ACB，此时在ACB两端将产生一差值电压,此电压差将在两机组间产生一环流。如图3.1.2(b)所示，因为环流流经的回路主要是感抗，故滞后约为90，矢量图如3.1.2(c)所示，这一环流对二台发电机均产生均压作用，

6、由于与的方向一致，对发电机来讲，相当于是输出一个滞后的无功电流，它产生的电枢反应是去磁的，将使的端电压比并联前有所下降，但对运行机来讲，与反方向，因而相当于是减少输出的滞后无功电流，其电枢反应的结果是减少了原来的去磁作用，这样将使的端电压比并车前的有所升高，结果使二台发电机并联运行于同一电压上。这是对并车有利的方面。由于发电机并车时，等值电抗很小，在电压差较大的情况下进行并车时，回路中阻抗主要为发电机的超瞬变电抗,它比稳定时发电机电抗小得多。这样，即便比较小的电压差都将在机组间产生很大的冲击电流。在并车时应予避免，因此一般要求，在并车操作中，电压差不得超过10%.四、三相相位条件的分析 如果待

7、并机的相序，频率、电压均满足电网的要求，只有待并机的三相相位与电网不相同，也不能并联，设000。 如图3.1.3所示，尽管二电压的有效值相等，频率相同，但由于初相位不一致，合闸瞬间ACB2的动静触头之间仍然存在有电压差=-,其大小为: sin(0/2)当=180时，则,此时电压差最大，由于的存在，产生平衡电流，它滞后于为90，滞后于为/,而超前为0/2. 对发电机而言是与其输出电流的正方向相同，可分解为与同相的有功分量及与垂直的无功分量,对发电机而言，环流的负值与的输出电流的正方向相同，如图3.1.4所示，它也可分解为二个分量，即与反相的有功分量是及与垂直的无功分量。由于与同相，对发电机将增加

8、有功负荷，在轴上产生一个制动力矩，但对来说，与反相位，吸收有功功率，运行于电动状态，在轴上产生一个驱动力矩，两者作用的结果均有利于使二台机组拉入同步，即相位一致，同步发电机内部的这样作用称为“自整步”作用。U1U2UIPH0U2UU1IPH-IPHIPHPIPHqIPHP1IPHq1图3.1.3图3.1.4 在相位差很大的情况下进行并车时，过大的将产生很大的冲击电流，在发电机轴上将产生很大的冲击转矩。可能引起机组转子的振荡或失步而逆功率跳闸，甚至损坏机组。因此，一般要求并车瞬间，相位差不得超过15。五、频率条件的分析如果待并机的相序、电压、相位均满足电网的要求，只有待并机的频率与电网不相等，也

9、不能并联。设。 由图3.1.5可知，在合闸瞬间()两发电机组电压向量重合，但由于,经过后，将超前一个角度2(-)，同样会产生电压差，其结果与前面分析相同，即也将产生环流。若在并车瞬间，两机组的频率相差较小，依靠自整步作用可自行拉入同步；若频率差太大，因自整步作用不足以拉入同步，将造成机组失步而跳闸，严重时将造成全船失电。所以在并车时，希望频率差在05z以内。从上面分析可知，当发电机间并联运行时，必须同时满足上述四个条件。其中任何一个U2 f1 f2 U1 U2 U f2 f1 =2(f1-f2) t (a)(b)图3.1.5 频率条件分析图条件不满足时，将产生电压差，形成环流。这个环流可能是短

10、路环流，可能是无功环流，也可能是无功和有功环流，并包括动能。如果根据发电机的承受能力，限制环流变化范围，则能自动将各并联机组拉入同步运行。如果并联条件超过允许范围后(即e;15；e),过大的冲击电流和能量，可能导致并联失败或使电网电压突然下降而跳闸及损坏机组等事故，这都应该设法避免，以保证并联供电安全。第二节 同步发电机的并联方法 一、概述为了使待并机正确无误的并联成功，必须采取科学的方法进行并联操作。目前，船舶同步发电机组并联运行的方法可分为三类:准同步法、粗同步法和自同步法。 (一)准确同步法 准确同步法是将待并发电机组及运行发电机组的电压，频率及相位都调得十分接近，再合上待并发电机组的主

11、开关。此法在并车时引起的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，对系统的影响较小，是目前船舶上普遍采用的并车方法，但采用此法并车时，对操作者的素质要求较高，若因某种原因造成非同步并联时，将造成很大的冲击电流，最严重时其冲击电流与机端三相短路电流相同。目前，船舶上通常采用的手动并车、半自动并车及自动并车均属准同步并车法。(二)粗同步法粗同步法是指待并机基本满足电网所需的并联条件后，即可先行串联一个电抗器与电网并联，然后再合主开关的方法。 (三)自同期法 自同期法是将未经励磁的发电机的转速加速到接近同步转速，再将主开关合闸，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

12、统并联运行。 自同期原理与前述并联条件的分析相同，当待并机上网后再起压时，定子的磁场与转子的磁场必相互作用，产生同步力矩，如果待并机转子转速高于定子磁场转速时，产生阻力矩，相当工作在发电机状态，如果待并机转子转速低于定子磁场转速时，产生加速力矩，相当于工作在电动机状态。结果将待并机拉入同步运行。 这种并联方法的主要优点是操作简单，上网迅速，但由于定子在无压下并联，实际上是一个感性负载，因此合闸时的冲击电流和冲击转矩较大，电压下降过度，一般船舶电站的容量无法满足其要求，因此在船上极少采用。 二、同步发电机组的手动并联运行通过人工操作来调整待并发电机的电压和频率，使之满足并联运行的三大条件而进行合

13、闸操作的过程称之为手动准同步并车。目前船上常用的手动准同步并车方法有:同步指手灯并车法和整步表并车法。(一)同步指示灯并车法用指示灯检测并车时是否符合并车条件有两种接线方式，一种叫做灯光明暗法，一种叫灯光旋转法。 1灯光明暗法图3.2.1画出了灯光明暗法的接线，实际上电网与待并机的电压都是经互感器降压后再与指示灯相连，这里为简化而将互感器省略了。将三个(也可以只用两个)指示灯1、的两端分别接在待并发电机与电网电压的对应相上，这样，每个指示灯两端的电压就是其对应相的电压差，在并车条件的讨论中已说明过当电压、频率和相位不一致时，在待并机与电网之间都会出现电压差，指示灯就会发亮。因为灯泡上所加电压的

14、大小是随相位差的不同而变化的，所以三个指示灯随相位差的变化而同时忽亮忽暗，并且频差越大，灯泡的亮、暗变化越快，当指示灯亮、暗变化较慢时(频差越小时)，并在指示灯完全熄灭的那一瞬间(相位差为零)就是我们在并车操作中要捕捉的合闸时刻。一般灯泡当电压降到3050%额定电压时已经熄灭，因此在观察过程中可以发现灯泡在熄灭的状态下要逗留一段时间。操作者要仔细地观察指示灯，以求掌握其亮、暗的规律，准确地捕捉住灯光熄灭过程中正中间的一瞬使待并机主开并恰好合上闸。 2灯光旋转法图3.2.2画出了灯光旋转法的接线图和矢量图接在待并机与电网的对应相相上，接在间，接在间，采用交叉接法。当待并机频率高于电网频率时，则两

15、个电压相对运动的角速度为2（）参看图.2.3(b)，若以电网电压为参考。则待并机电压矢量以2（）的角速度反时针方向（）或顺时针方向（时，三个灯泡将轮流熄灭，次序是；反之，当频差改变方向时（时，灯光旋转各灯泡上电压变化灯泡两端电压的相位差角灯泡上的电压灯泡上的电压灯泡上的电压60120180240300360 采用指示灯检测并车条件尽管简便易行，所有的交流船全都设置，但因观察灯泡亮暗变化及旋转易使人眼花缭乱，而不易准确掌握，所以几乎所有的交流船都采用整步表来检测并车条件，同步指示灯只是做为一种辅助并车指示。 (二)整步表并车法整步表是通过指针的转动情况,检测待并机与电网间的相位差和频率差。它又叫

16、同步表，其结构及原理示意图如图3.2.3所示，它的定子上绕有三相绕组，中间是转子励磁线圈，固定在底盘上，最中央是转轴，转轴上下各有一块同样大小的扇形铁片组成的形铁芯，转轴的上端有指针，转轴上无线圈，它的两头是通过宝石轴承加以固定，可以自由转动。整步表无游丝和导电片，因此，无反作用力矩，指针可以在360自由转动。在工作时，定子绕组接在待并发电机的A、B、C三相电压上，产生一个径向旋转磁场，其大小是固定的，为2，而为一相磁通的最大值，其方向是随着时间的推移按逆时针方向作旋转运动。转子铁芯的励磁线圈接在电网的相上。这样在铁芯励磁线圈中就通过由电网电压所产生的单相交流电，从而产生一个脉动磁场。其脉动频

17、率由电网频率决定的，脉动磁场的方向，原是沿着转轴的轴间磁场，但因扇形铁片的导磁系数很高，绝大部分磁力线都被改变为径向脉动磁场，如图3.2.4所示，这样，在整步表的空间就有一个铁芯励磁线圈产生的径向旋转磁场F，它们的频率分别为电网频率和待并发电机的频率f，此两磁场的合成磁场吸引着扇形铁片，使扇形铁片停留在合成磁场的最大位置上，决定着指针的位置，实际上整步表是一种电磁式仪表，与功率因数表相似。接发电机端转子绕组定子绕组接电网快慢转子扇形铁片转子励磁线圈定子三相绕组图3.2.3 整步表结构原理图（）（）指针UA1B1UAUA1UC1UB1UBUC指针扇形铁片径向磁通方向励磁线圈轴向磁通方向图3.2.

18、4 整步表转子磁通图图3.2. 整步表的矢量图wF 当待并发电机的频率与电网的频率相等，相位也相同时，则最大值合成磁场的位置总是固定在某一空间位置上，这一位置即为A1B1的向量位置，如图3.2.5所示，由图可知，这一位置在相绕组轴线前30处，也即滞后为90。因为每当F旋转磁场转至此位置时，w脉动磁场出现最大值，合成磁场最强，扇形铁片及指针也就停留在此位置，刻度上指示为零。 当频率相同，但待并机电压的相位滞后时，设待并机的电压AB在相位上滞后电网电压AB的角度为，作用于形铁片的交变磁场出现最大值与旋转场相遇的时间将提前，这时指针的位置与同步点时相比，向逆时针方向移动了角度，也即慢了角度。 同理，

19、当频率相同，但待并机电压的相位超前时，设超前角为，则此时指针的位置与同步点时相比，将向顺时针方向移动角度，也即快了角度。 当待并机的频率F低于电网频率w时，相当于旋转磁场的旋转速度低于脉动磁场的变化速度。所以脉动磁场达到最大时，铁片与旋转磁场相遇的地点将不断沿着逆时针方向移动，即整步表指针将不断地向“慢”的方向转动。 同理，当等并机的频率F高于电网频率W时，相当于旋转磁场的旋转速度高于脉振磁场的变化速度，因而电网的脉动磁场达到最大值时，铁片与旋转磁场相遇的位置将不断沿顺时针方向移动，即整步表指针将不断地向“快”的方向转动。 在整步表接线中，其转子励磁线圈一定要接电网的相，如果接错，整步表的指示

20、将不正确。即使fw=fF，且相位一致，指针也不指示零点，而是固定偏转某一角度。 由于整步表为指示仪表，按理说频差越大，指针的转动速度也越快，但频差过大时，由于可动部分的惯性影响，指针将不旋转，或只作一定幅度的摆动；而当频差过小时，由于可动部分摩擦力矩的影响，指针将停止转动。设计时要求频差在0.125Hz时，指针应能不停地转动。 (三)手动准同步并车操作 并车操作就是要测量和调整待并发电机的电压大小，相位与频率，使其与电网上已运行的机组基本相同，合上主开关，使发电机拉入同步。 主配电板上的电压表、频率表、同步指示器就是检测并车条件的工具，电压表的数值可以指示待并发电机电压是否与电网电压一致。目前

21、船用自励恒压发电机一般均能满足电压在允许偏差之内。如各发电机电压相差太大，则要根据具体情况或排除故障，或对电压校正器的参数进行适当调整以使电压差满足要求。频率是否一致，可以通过频率表进行检测，若相差太大，则可通过伺服马达调节发电机组中原动机的调速器，从而改变原动机的转速，即调整了频率。同步指示器和同步指示灯则用来测量相位的频差的大小，若频差太大，同样要调节原动机的转速，使频差减小到允许范围之内。当电压差与频率差基本调整完毕后，就应合整步表转换开关，将其转换到待并发电机位置。见图3.2.6所示，若整步表的指针沿着“快”的方向旋转，则说明待并发电机转速（频率）快了。则要通过伺服马达控制柴油机的调速

22、器，使待并发电机的转速下降，等调节到指针旋转比较缓慢时(一般总是使指针沿快的方向旋转，这样并车后就可分担少量负载，对并车成功有利)，当指针快到中点即相位差为零时立即合闸。(考虑到主开关有一定的动作时间，故要适当提前一个角度)，待并发电机依靠自整步作用被拉入同步，观察整步表将固定在“整步”位置不再转动，然后再进行负载转移。并车完毕后，应立即通过整步表转换开关将整步表从电路中切除。三、船舶同步发电机组的粗同步并联运行粗同步并车又叫电抗并车，它放宽了对准同步并车的条件，提高了并车的成功率，因而深受船员欢迎。图3.2.7画出了粗同步原理接线。当待并发电机G1起动后，大致调节一下频率，观察一下电压差别不

23、大，至于相位甚至可以不考虑,就可以接通接触器JC，使发电机通过电抗器DK与电网并联。这时尽管电压差、频率差和相位差比起准同步的三个条件都要宽得多，但由于DK的阻抗很大，它限制了并车时由于三个条件不满足所产生的冲击电流，使这个电流数值不会超过发电机额定电流的1.8倍，所以电机不会损坏。当发电机G1通过电抗器DK与电网并联后，由于机组间的自整步作用，很快就会被拉入同步。观察整步表，当指针固定在“整步”标记的位置时，就可以合上SYNHLHLCSE6774(LW95-15E6774/6)45045901号发电机 电 压2号发电机 电 压3号发电机 电 压汇流排 电 压整步号发电机号发电机号发电机零11

24、 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24图3.2.6 三台发电机并车用整步表接线原理图主开关，将电抗器短路，使发电机不再通过电抗器，而是直接与电网并联运行，因为机组此时已经与电网同步，所以合主开关时，不会产生冲击电流，然后再断开接触器将电抗器切除，粗同步并车就完成了。因为粗同步并车用电抗器是按短时工作制设计的，只在并车时使用，并车完毕后，一定要从电网上将其切除，否则电抗器就可能被烧毁。 图3.2.8是目前广泛采用的自动切除电抗器的粗同步并车线路。其工作过程如下: 调整待并发电机G1的伺服马达调速旋钮，使其电压和频率都接近运行发电机G2，合上整步表转换开关G1并车位置，

25、观察整步表指针旋转较慢并在指针转到“整步”位置前一个角度时按SB1按钮，JC1通电，JC1的副触头自保持，主触头闭合，G1通过DK与G2并联，同时SJ1开始计时，经一定延时(68秒)这段时间应保证G1已被拉入同步，SJ1延时闭合， JC3有电，接通G1的主开关ZK1的合闸线圈，ZK1立即合闸，合闸后ZK1常闭辅助触头断开，JC1失电，电抗器自动切除，SJ1也失电复拉。然后再切除整步表及转移负载。 并车用电抗器是根据限制发电机冲击电流并保证能拉入同步的要求而进行设计的。为了减小铁芯损耗及防止短路时因铁芯的饱和而使感抗降低，并车用电抗器均采用空芯式结构。四、船舶同步发电机组的自动并联运行能够完成手

26、动准同步并车操作的全部逻辑程序的自动装置就叫自动并车装置。 自动并车装置具有下列功能: (一)检测待并发电机与电网电压的电压差、频率差和相位差，当任何一个条件不符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令； (二)检测待并发电机与电网的频率差，并根据频差的大小与方向自动地对待并机组发出调频信号，进行频率预调，减小频差，创造合闸条件； (三)当电压差、频率差在允许范围内时，要能计及发电机自动空气开关的固有动作时间，相应地提前发出合闸指令，实现自动准同步。自动并车装置通常由三部分组成，即调压、调频和合闸三部分，其原理框图如图3.2.9所示。因为船用自励恒压发电机的电压都能保证在并车的允许范围内，故

27、一般均省去调压部分，只剩电压闭锁环节，由于篇幅所限,在此不详细介绍。第三节 同步发电机间无功功率调整前已叙述待并发电机满足并联运行条件以后，即可合闸进入并联运行状态。但此时操作过程尚未结束，还要进行无功功率的调整。并联运行的同步发电机，除各机组所承担的有功功率应按机组额定容量成比例分配以外，它们所承担的无功功率也应按机组容量成比例分配。这一要求是基于下述理由而提出来的。第一，无功电流不按比例分配，会造成部分机组电流偏大，部分机组电流偏小。这样会使总的定子铜损加大，使效率降低。第二，并联机组所承担的无功电流不按比例分配，会造成某些机组电流过载，另一些机组可能转化为输入滞后无功电流的运行状态。电流

28、过载将导致保护电器动作，发生不应有的停电事故。为此，海船规范对并联机组的无功分配提出了一定的要求。我国钢质海船建造规范规定:“并联运行的交流发电机组，当负载在总额定功率的范围内变化时，应能稳定运行，其功率与按发电机额定功率分配比例的计算值之差，应不超过最大发电机额定无功功率的”。一、无功功率分配的基本原理(一)无功功率分配原理并联运行的同步发电机组无功电流的分配与各发电机的电势及同步电抗的数值有关也与有功功率的分配有关。这里我们假设两机的容量相等，型号一样，总的输出电流、电压、功率因数、有功功率和无功功率在调整前后均不发生变化。两机的有功功率已均匀分配，机组的同步电抗相同，其等值电路如图3.3.1(a)所示。若，其它参数相等。由图(b)可知，由于有功功率相等，即。当不相等时，将导致两机组间无功电流也大。由上分析可见，要使同步发电机组间无功功率均匀分配，可以调整同步发电机的电势即调整同步发电机的励磁电流。在调整时应注意，在增加电势小的机组的励磁电流的同时，要减小电势大的机组的励磁电流。如果我们只改变一台发电机的励磁电流，另一台的励磁电流不变，这样将使发电机总的无功功率与负载的无功功率失去平衡，结果引起电网电压的波动。 (二)无功功率的分配 由于发电机间的无功功率的分配可以通过调节励磁电流来实现。