（轮机工程专业论文）船舶交流电站自动调频调载的研究与设计.pdf

一 i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g z h a n g h u a m a 血ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u h a o j u n j u n e2 0 1 1 、 i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文竺监魑童逋电堂自麴逦麴迥夔的婴塞皇遮进2 。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“一) 论文作者签名： 名皇f 葛嗡 导师签名酮i u v 日期：扣t 】年石月刁日 ) 中文摘要 摘要 船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分。船舶电站运行的可靠性、经济性 对保证船舶的安全营运具有重要意义。由于计算机网络技术的发展及其在现代船 舶上的应用，使船舶电站的管理和操作朝自动化和智能化的方向发展。本论文在 对现有的国内外船舶电站自动控制装置进行充分研究和分析的基础上，基于可编 程逻辑控制器( p l c ) 、先进的工业控制技术和计算机技术设计，完成了船舶电站调 频调载装置的设计。 本文以船舶电站的自动控制为研究对象，依据船舶同步发电机的运行原理及 相关规范的要求，对发电机实现自动起动、合闸供电、并联运行、解列停机等运 行条件进行分析和阐述，并设计相应的控制系统逻辑流程图。本装置以西门子公 司开发的s 7 3 0 0 系列p l c 为控制核心，利用组态软件a d p 6 来组态监控界面，以 完成数据采集并控制输出设备的安全、高速、高效运行，实现发电机组自动起动、 并联运行、调频调载及解列停机等功能。同时，对船舶同步发电机并联运行可能 发生的功率交互振荡现象进行了分析、研究和仿真，以消除该现象对调频调载操 作的影响。 i 关键词：船舶电站；可编程逻辑控制器；调频调载；仿真 【r 协l ，一 。 _ 英文摘要 a b s t r a c t s h i pp o w e rs t a t i o ni sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n tt ot h ew h o l es h i pp o w e rs y s t e m t h a ts m pr u n sr e l i a b l ya n d e c o n o m i c a l l yh o l d sas i g n i f i c a n tm e a n i n gf o re n s u r i n gs h i p 一 o p e r a t e ss a f e l y t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y o nm o d e r ns h i pi n d u s t r yp r o p e lt h ea u t o m a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o no fm a n a g e m e n t a n do p e r a t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o n b a s e do nt h es u f f i c i e n tr e s e a r c ha n da n a l y s i so n c u r r e n td o m e s t i ca n do v e r s e a ss h i pa u t o - c o n t r o le q u i p m e n t , if i n i s h e dt h ed e s i g nf o r f r e q u e n c ya n dl o a da u t o m a t i cc o n t r o lo fs h i pp o w e rs t a t i o nb yu s i n gt h ep r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ，a d v a n c e di n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h i sp a p e ra d o p t st h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f s h i pp o w e rs t a t i o na sr e s e a r c hs u b j e c t , i na c c o r d a n c ew i t ht h e o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dr e l a t i v er e g u l a t i o n so fs y n c h r o n o u s g e n e r a t o r , a n a l y z e st h ec o n d i t i o n sf o rr e a l i z i n ga u t o m a t i cs t a r t , s w i t c h - o na n dp o w e r s u p p l y ，p a r a l l e lo p e r a t i o n , s e p a r a t i o na n ds h u t t i n gd o w n ，e t c ，a n dc o m p i l et h er e l a t i v e l o g i cf l o wc h a r to ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ef r e q u e n c ya n dp o w e rr e g u l a t o ri sd e s i g n e d b a s e do nt h es i e m e n ss 7 - 3 0 0p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a sc o n t r o lc e n t e r , b yu o fc o n f i g u r a b l es o f t w a r ea d p6 0 ，t h es y s t e md e s i g n sm o n i t o r i n g - i n t e r f a c e ， a c h i e v e sd a t ac o l l e c t i o na n dr e a l i z e st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo f s h i pp o w e rs t a t i o n , a n dr e a l i z e st h ef u n c t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o na sf o l l o w i n g ：a u t o m a t i cs t a r t , p a r a l l e l o p e r a t i o n , f r e q u e n c ya n dp o w e rm o d u l a t e ，s e p a r a t i o na n ds h u t t i n gd o w n , e t c i n a d d i t i o n , i no r d e rt oe l i m m a t et h ep h e n o m e n o no fi n t e r a c t i v ep o w e ro s c i l l a t i o nw h i c h a f f e c t st h eo p r a t i o no ft h ef r e q u e n c ya n dl o a dr e g u l a t e d i nt h i sp a p e rt h i sp h e n o m e n o ni s a n a l y s e d , r e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d ，w h e nt h em a r i n eg e n e r a t o r sa r ep a r a l l e l r u n n i n g k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；, f r e q u e n c ya n dl o a dm o d u l a t e ；s i m u l a t i o n _ 一 一 l - 第1 章绪论l 1 1 船舶电站概述l 1 2 课题研究的背景和意义2 1 3 课题研究的内容3 1 3 1 船舶电站自动化的功能3 1 3 2 课题设计的思路4 第2 章船舶电站的基本功能5 2 1 船舶发电机并车装置5 2 1 1 发电机并联运行的条件5 2 1 2 并联运行对原动机的要求5 2 1 3 自动准同步并车装置7 2 2 船舶交流电站频率和有功功率的自动调节原理。1 1 2 2 1 船舶电站频率变化的原因及对船舶电力系统的影响l l 2 2 2 电力系统的动态频率特性和负荷的静态频率特性1 2 2 2 3 原动机调速器的调速原理1 4 2 2 4 调速器的调速特性1 6 2 2 5 并联运行发电机之间有功功率的分配1 7 2 2 6 自动调频调载装置的功能及工作原理1 9 第3 章船舶电站自动并车与调频调载的硬件系统设计2 1 3 1 西门子s 7 3 0 0 系列p l c 简介2 l 3 1 1p l c 的基本组成2 l 3 1 2p l c 的工作原理2 2 3 1 3p l c 的应用系统设计2 3 3 2 船舶电站控制系统的整体结构2 5 3 3 船舶电站自动准同步并联运行的技术实现2 6 3 3 1 电压检测单元2 6 3 3 2 频率检测单元2 7 3 3 3 相位检测单元2 8 3 4 自动调频调载装置的技术实现3 0 3 4 1 频率差检测的实现3 0 目录 3 4 2 有功功率检测的实现3 2 第4 章船舶电站软件系统设计3 5 4 1 自动准同步并联运行的软件设计3 6 4 1 1 自动起动模块的程序设计3 6 4 1 2 自动并车模块的程序设计3 8 4 1 3 单机运行稳频的程序设计3 9 4 2 自动调频调载模块的程序设计4 0 4 2 1 并联运行稳频的程序设计4 2 4 2 2 并联运行均功的程序设计4 3 4 3 自动解列和停机的程序设计4 4 4 4 人机界面设计4 5 4 4 2 监控界面设计4 6 4 4 3 触摸屏与p l c 之间的通讯。4 7 第5 章船舶发电机并联运行功率交互振荡的仿真4 9 5 1s m 町l i n k 简介4 9 5 2 电力系统功率交互振荡仿真模型5 0 5 2 1 发电机励磁系统数学模型5 l 5 2 2 柴油机调速系统数学模型5 3 5 2 3 发电机模型5 6 5 2 4 负载模型5 7 5 3 并联运行仿真结果及其分析5 8 第6 章总结6 3 参考文献“ 附录船舶电站控制系统的部分程序6 7 致谢8 3 研究生履历8 4 - 一 设计 船舶电站是船舶的重要组成设备，供给全船所需电力。它是船舶电力系统的重要 组成部分，主要由原动机、发电机以及由开关电器、保护装置、测量仪表、控制设备等 构成的主配电板和应急配电板组成，是船舶电力系统的核心【蚴。原动机是将燃料的化学 能转变为机械能的装置；发电机是将机械能转变为电能的装置；主配电板( 应急配电板) 是将电能进行控制、保护、监测和分配的装置。 船舶电站根据结构、原理、功能和用途不同而有不同的种类，船舶电站的类型可以 分为【3 】： ( 1 ) 根据电流的种类，船舶电站可以分为直流和交流两种，目前船上大多采用交 流电制的船舶电站。 ( 2 ) 根据原动机的种类，船舶电站主要可以分为蒸汽机、柴油机、汽轮机和燃气 轮机四种电站，目前船上大多采用柴油机作为原动机。一般来说，船舶主机拖动螺旋桨 的功率有1 卜1 5 的储备，正常航行时主机的储备功率能够满足供给电站的电功率，为 了充分利用这部分剩余功率，由主机带动的轴带发电机组成的电站不断增多。 ( 3 ) 根据电站功能的不同，船舶电站可以分为主电站、应急电站和辅助电站。在 电力推进的船舶上，主电站供电给船舶推进电动机，辅助电站供给船上一般舱室与甲板 机械的动力和照明设备；但在一般非电力推进的船舶上，上述的辅助电站就称为主电站。 当主电站由于故障或者其它原因失去供电能力时，则由应急电站通过应急电网向重要的 应急设备供电。应急电站有大应急电站和小应急电站之分，一般将柴油应急发电机组称 为大应急电站，应急蓄电池和充放电板称为小应急电站，二者都设在艇甲板。当主电站 失电而应急电站尚未启动成功的间隔时间内，应由小应急电站向必要的应急负载供电， 蓄电池的容量应足够小应急负载使用3 0 分钟。本文是基于非电力推进船舶的主电站进 行研究的。 船舶电站是船舶电力系统的心脏，其工作的可靠性和生命力是船舶安全营运的重要 因素，它与陆地上的电站相比有以下特点【4 5 】： 绪论 ( 1 ) 电站容量小。无论是船舶电站的总容量，还是单机容量，与陆地上的电站相 比起来要小得多，对于一艘万吨级的民用船来说，其电站的容量小于2 0 0 0 k w ，单机容量 小于1 0 0 0 k w 。 ( 2 ) 船舶上大的用电负载( 如：艏艉侧推器、电动锚机、绞缆机等) ，其功率可与 发电机功率相比，电动机启动电流引起电网电压降较大，因而对船舶电力系统的稳定性 要求较高。 ( 3 ) 船舶用电设备与发电设备之间的输送距离很短，因此在计算电网电压降时， 对于电缆的电抗可以忽略不计。 ( 4 ) 与陆地上的用电设备相比，船舶用电设备的工作条件与环境要恶劣得多。严 重影响设备工作的可靠性、正确性和使用寿命。例如：湿度大( 可达到9 5 ，甚至将近 1 0 0 ) ；温度高( 可达5 0 0 c ) ；此外，导电金属受盐雾、霉菌、油雾等的影响，材料 性能急剧下降。这些严重影响船舶电气设备可靠性、安全性和准确性。 1 2 课题研究的背景和意义 船舶电站自动化控制的发展至今经历了一个十分漫长的过程。2 0 世纪6 0 年代，船 舶电站自动化系统以继电器和晶闸管为代表；7 0 年代，船舶电站自动化系统以集成电路 和集成数字、模拟电路为标志；8 0 年代，微处理机控制技术将船舶电站自动化系统推向 一个新的台阶；9 0 年代，p l c 技术的应用又将船舶电站自动控制系统推向了一个高潮。 进入2 1 世纪，以p l c 技术为代表的“船舶综合电力系统指明了船舶电站发展的方向。 船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，现代船舶对船舶电站的依赖程度越来越 高，船舶电站运行的可靠性和经济性对保证船舶安全航行营运具有十分重要意义。船舶 电站是由原动机、发电机和主配电装置等部分组成。它是整个船舶的核心，船舶电站自 动化是无人机舱的一个重要组成部分，为了实现船舶电站自动化，需要满足两方面要求： 一方面是单元自动化，即船舶发电机组的起动、并联运行、频率调节、负载分配与转移、 解列和停机以及各种保护功能须具有自动操作的能力；另一方面是在各个单元自动功能 的基础上，进行总体规划，使各单元自动功能按所设定的逻辑联系起来，形成一个有机 的整体系统【5 , 6 1 。 船舶交流电站自动调频调载的研究与设计 船用发电机组的自动调频调载装置和自动并联运行是实现整个船舶电站自动控制 系统功能的核心和重点。船舶电力系统负载的变化，会引起电网频率和电压的变化，也 使船舶同步发电机的转速和输出功率发生变化。而电网频率和电压变化的同时会影响整 个电力系统的正常工作。为了保证电站正常工作，需要经常调整船舶电站原动机的转速， 以保持电网频率的恒定和各发电机按比例或均匀分配有功功率1 7 。可见，船舶交流发电 机的调频调载是影响电站可靠性和稳定性的重要环节之一，对其研究具有十分重大的现 实意义。 船舶技术不仅衡量一个国家船舶发展的水平，而且反映一个国家的综合国力。截止 到2 0 1 0 年，我国已经成为全球最大的造船国家( 1 5 9 0 万吨) ，远远超过排在第二位的 韩国( 11 7 7 万吨) 。虽然我国已成为全球最大的造船国家，船舶工业在国际市场的份额 达到了3 5 左右，但我国高技术、高附加值船舶占世界市场份额不足1 0 ，海洋工程装 备设计、总包技术以及核心配套设备仍主要依靠国外，严重制约了中国造船业的国际竞 争力。国外发达国家利用p l c ( 可编程控制技术) 配合计算机网络对船舶电站进行控制， 实现了船舶电站全自动控制，功能完善，技术先进，但造价十分昂贵；而我国现有海船 众多，但绝大多数仍采用手动或技术相对落后的自动调频调载装置，因此研究船舶电站 自动调频调载装置用于取代进口产品，具有非常广阔的发展前途和应用前景。 1 3 课题研究的内容 在自动化程度较高的船舶上，船舶电站的调频调载装置是船舶电站自动化中的一项 重要内容。运用p l c 配合计算机网络设计电站的调频调载装置，可以提高船舶电站运行 的可靠性和稳定性。 1 3 1 船舶电站自动化的功能 根据船检规范的规定，船舶电站自动化装置必须具有以下各项功能【8 - 9 1 ： ( 1 ) 根据负载需要，发电机组应能自动启动( 包括做好启动运行的准备工作) ，自 动投入运行和自动停车； ( 2 ) 电网有电时，新启动的发电机组能与电网实现自动并车； ( 3 ) 对电网电压和频率能实现自动恒定控制； i 绪论 ( 4 ) 并联运行的机组之间能自动实现有功与无功功率的分配和转移； ( 5 ) 根据电站负载情况能自动切除次要负载： ( 6 ) 应设有重载询问； ( 7 ) 可以选择发电机组的运行顺序，以使各台发电机有尽可能相近的运行时间； ( 8 ) 应具有故障自动报警、安全保护，有按一定程序自动投入相应的完好机组， - 并切除故障机组的能力； ( 9 ) 能自动巡回检测、报警和打印记录。 。 本课题主要围绕这几个环节展开：数据采集模块、自动并车装置、调频调载装置、 数据传输、显示、监控模块。其中，重点对调频调载装置进行设计和研究。 1 3 2 课题设计的思路 ( 1 ) 本论文是对船舶交流电站自动调频调载装置的研究与设计，通过对船舶电站 的有功功率和频率的研究，采用西门子s 7 3 0 0 系列的p l c 完成船舶电站的自动控制的 设计，实现船舶电站自动起动、自动并车和解列、均功稳频、停止等控制功能。 ( 2 ) 利用a d p 6 编程软件完成人机界面设计，使所设计的船舶电站自动控制系统 具有良好的人机界面。其控制系统由上位机系统和下位机系统组成：下位机由西门子公 司生产的s 7 3 0 0 系列模块构成；上位机由天津罗升公司生产的触摸屏构成，p l c 3 0 0 与 触摸屏通过m p i 协议组成的御i 网络通信。 ( 3 ) 用m a t l a b 软件对柴油发电机组并联运行功率交互振荡进行建模与仿真，分 - 析船舶电站并联运行的可靠性。 2 1 1 发电机并联运行的条件 船舶电站通常装有三台及三台以上的发电机组。所谓的并联运行，是指两台及两台 以上发电机组同时工作，并向全船的用电设备供电。 发电机组并联运行供电比单台发电机组供电具有很有优点；不仅能够减少燃料、提 高经济性；而且提高电站可靠性、安全性。 船用三相交流同步发电机并车时，应当满足以下四个条件【m 1 4 】： ( 1 ) 待并发电机的电压玑与运行发电机的电压阢相等，即u ，= u l ； ( 2 ) 待并发电机的频率以与运行发电机的频率石相等，即五= z ； ( 3 ) 待并发电机电压的相位疋与运行发电机电压的相位磊一致，即最= 最； ( 4 ) 待并发电机电压的相序与运行发电机电压的相序一致。 并车就是要检测和调整待并发电机的参数以及电网的参数，使之在基本满足上述四 个条件的瞬间合上主开关，使发电机投入电网运行。上述四个条件中，一般来说，如果 不是新安装( 或检修后安装) 机组，第四条是满足条件的，不需要检查。如满足以上四 个条件，则待并机的电压矢量与运行机的电压矢量完全重合，在此时并车，冲击电流最 小，这是准同步并车的理想情况。 2 1 2 并联运行对原动机的要求 对于多台发电机并联运行时，发电机的原动机必须满足以下三个条件【1 5 】： ( 1 ) 相同而均匀的角速度 如果原动机的角速度不同( 或者说转速不均匀) ，那么机组的频率不同，这将会使 并联运行的机组产生振荡现象，所以要求原动机的角速度必须相同而均匀。 ( 2 ) 合适的速度变化率 理想状态下，发电机原动机的速度变化率( 调速特性) 是完全一致；但是，实际的 速度变化率不可能完全一致，总会存在一点小小的差异。只要速度变化率的差异在合理 t 船舶电站的基本功能 的范围之内，即使负荷发生变动时，参与并联运行的各发电机组的负荷也能平均的分配， 或者按其容量成比例的分配。 图2 1 为发电机组的调速特性曲线。发电机g 1 与g ，并联运行，发电机g ，的速度变 化率比发电机g ，大，负荷都为尸，转速都为刀。当系统负荷增加时，两台机组的转速都 下降到惕，机组g 1 的功率增加量为只；g ：的功率增加量为最。由于眉 最，从图2 1 中可以看出来，速度变化率小的发电机所带负荷有较大量的变动；同样可以推出，当负 荷变化很小时，机组将很难做出准确、可靠的调整，这就要求原动机的速度变化率不能 太小。如果速度变化率大，发电机电压将不稳定，或者产生波动。因此，为了是发电机 组安全、稳定和可靠的并联运行，速度变化率要向下且合适，过高或过低都不好。 | w n 图2 1 调速特性 f 追2 1d i a g r a mo f t h eg o v e r n i n gc h 锄l c t 鲥s t i c ( 3 ) 调速器一定要有适当的灵敏度 当灵敏度过高时，稍微有负荷波动就会引起速度的变化，由于整步功率的作用引起 功率授受关系在并联机组出现，为此又要相应地调节原动机的输入功率，在机组功率分 配的过程中发生振荡现象；当灵敏度过低，原动机的调速器在调节时间过长，发生迟滞 现象。因此，调速器一定要有适当的灵敏度。 从上面分析可知，为了保证发电机组安全稳定的并联运行，其原动机一定要满足上 述三个条件，即：合适的角速度、速度变化率、调速器的灵敏度。 - l 装置。主要 ( 1 ) 检测待并发电机与运行发电机的电压差、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，不发出合闸命令。 ( 2 ) 检测待并发电机与运行发电机的频率差的大小，并根据频率差的大小和方向自 动地对待并发电机组发出调频命令，使待并发电机组的频率与运行发电机的频率相接 近，缩小频差，创造合闸条件。 ( 3 ) 当电压差、频率差在允许范围内时，能根据发电机自动空气断路器的固有动作 时间，相应地提前发出合闸命令，从而实现自动准同步并车操作。 为了自动完成并车操作，通常自动准同并步车装置由调压、调速、合闸等部分组成， 其原理框图如下图2 2 所示 3 , 2 0 1 。 合闸环节 图2 2 自动准同步并车装置原理框图 r i g 2 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fa u t o m a t i cs y n c h r o n i z a t i o n i l t 船舶电站的基本功能 ( 1 ) 调压环节 调节该环节实质就是通过调节待并机组的励磁系统，使其端电压满足并车合闸的要 求。 ( 2 ) 调速环节 通过调节原动机的速度，从而改变待并机的频率，以使频率差在一定的范围之内， 满足并车合闸的要求。 ( 3 ) 合闸环节 1 ) 差频电压 所谓的差频电压甜。，是指待并机与运行机( 或电网) 的电压相等或接近、频率差不 大时，这两个交流电压之间的差值。 运行发电机的瞬时电压值为： 铭l = u l 历s i n ( o j l f + 4 ) ( 2 1 ) 待并发电机的瞬时电压值为： 铭2 = u 2 拼s i n ( c 0 2 ，+ 疋) ( 2 1 ) 式中：柳、，分别为运行发电机和待并发电机电压的峰值； 4 、岛吩别为运行发电机和待并发电机电压的初相角； q 、缈：分别为运行发电机和待并发电机电压的角频率。 若q 吐，u x 册= u 2 朋= u 所，那么差频电压”，为： 甜，= “2 一“l = u 二 s i n ( a ，2 ，+ 龟) - s i n ( 缈1 f + 蠡) 】 = 2 s 谊【( 警，+ 鲁) 一( 手，+ c o s 【( 鲁，+ 争+ ( 导，+ 鲁) 】 ( 2 3 ) = c o s 【半+ 华】 热= 2 u s i n ( 竽h 学) 如果初相角哦= 岛= 0 ，则 与设计 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 从差频电压 ，的表达式可以看出，它是一个幅值为u 册= 2 u = s 巡华f ) ，以角 速度华做正弦规律变化的调节电压。在自动并车操作过程中，需要脉动电压包络 线的瞬时值，它是将甜，整流( 取绝对值) 、滤波( 去掉高频华) 后得到的电压， 称为脉动电压，用石表示，即： 石= 1 2 叱s 咄竺尹r ，l = 1 2 s m 警r i = 1 2 砜引 c 2 射 = 2 u r ns 咄生产d = 2 u 脚s i l l 芋f = 2 s i l l 兰 ( 2 7 ) 式中： q = 0 ) 2 一q 表示差频角速度5 万= q f 表示相对位移角。 脉动电压的瞬时值随时间按正弦规律变化，当与甜：的相位相同时，即：z = o ； 相反时为最大值，即：甜，= 2 u 席。 差频周期用表示： 瓦2 万1 = 薏= 嘉南= 志 眨8 ， - f 口= 一= 一= 一= 一 i2 x ) 。 zq2 万( 以一石)六一石 式中： 六= 厶一石表示差频。 由此可见，t 与工成反比，z 越小，就越大。 综上所述，当差频电压“，= 0 ( t i p 甜。= “2 和万= 0 ) 的条件得到满足；差频周期的 大小合适；在差频电压为零的时刻接通发电机主开关，即满足了并车的三个条件。 2 ) 相位检测与时间选定 船舶电站的基本功能 相位检测与时间选定电路可用来实现使待并发电机组投入运行。主开关在接到合闸 命令到主触头闭合需要一定的动作时间( 即固有动作时间) ，要使主开关在相角差万= 0 时闭合，就必须需要一个相角或提前一定时间发出合闸命令，提前的相角或提前的时间 应该等于主开关的固有动作时间，于是就有两个超前量：恒定超前相角和恒定超前时间， 分别用疋和f 。表示，它们之间的关系为：皖= i 国，| ，c p 1 1 1 3 】。 采用恒定超前相角的并车装置保证在给定的超前相角皖下发出合闸命令时，因为皖 是恒定的，所以由疋= 陋k = 常数可知，超前时间乞不是恒定值，而是随着频差织不同 而变化。该装置在并车瞬间，因频差不可能刚好为整定的差额，合闸时会带着相角误差 进行合闸，合闸的冲击电流较大。 采用恒定超前时间的并车装置保证在给定的超前时间乞下发出合闸命令时，因为乞 是恒定的，所以由l = 生= 常数可知，它必须随着差频o j s 的不同而在不同的超前相角皖 q 下给发电机发出合闸命令。只要使超前时间f 等于主开关固有动作时间，并车装置合闸 时就没有误差，合闸时的冲击电流为最小。 3 ) 频差闭锁 合闸命令一定要在恒定超前相角或恒定超前时间发出，但如果待并发电机的频率不 符合要求，即频差丘太大，是不允许自动开关合闸的，频差只必须在允许的范围内( 约 为0 3 h z ) ，才能使开关合闸，这一任务就是有频差闭锁电路来完成。 4 ) 电压闭锁 该环节的作用是自动检测发电机的电压是否符合要求，如果电压差值超过规定值 时，合闸命令不发出，起闭锁作用；当电压差值在允许值的范围之内，则释放合闸通道， 同时在频率差、相位差满足的条件下，输出合闸命令。 5 ) 合闸通道 在相位差、频率差、电压差三个条件同时满足的情况下，就送出合闸命令，主开关 立即合闸；倘若其中有一个条件不满足，合闸通道就不允许输出合闸命令。 由于船舶电站的容量比较小，频率又经常波动，为了保证发电机合闸的快速性，如 船舶交流电站自动调频调载的研究与设计 过有快速投入的开关配合就可以在尽可能大的差频下进行合闸，实际中最大允许合闸的 频率差为o 5 o 6 5 h z 时，能满足快速投入合闸的需要。 2 2 船舶交流电站频率和有功功率的自动调节原理 ， 2 2 1 船舶电站频率变化的原因及对船舶电力系统的影响 船舶发电机的频率厂与发电机原动机的转速疗有确定的关系1 2 1 - 2 2 ： 厂：丝 ( 2 9 ) 6 0 式中：厂发电机频率( h z ) ； p 发电机的极对数； 甩原动机转速( r r a i n ) 。 发电机运行时，转矩平衡方程式： m r = m p + a m “罢 ( 2 1 0 ) 式中：m r 原动机的驱动力矩； m ，发电机负载的阻力矩； 埘机械与电气损耗； - 厂机组的转动惯量。 功率与转矩的关系可以表示为： p = m 刀 ( 2 1 1 ) 当以额定转速为基准值且转速为额定转速并偏差很小时，功率平衡方程式为： b = 斥+ 鲁 ( 2 1 2 ) 式中：b 表示原动机供给发电机的有功功率： b 表示发电机负载所消耗的有功功率； p 表示发电机通过负载电流时的机电损耗； 耳表示发电机的惯性时间常数。 船舶电站的基本功能 原动机的驱动功率b ，取决于原动机的进油量，当驱动功率b 与发电机的负载功 率斥和机电损耗廿平衡时，宰：0 ，即发电机转速( 频率) 为常量。当功率平衡关系被 讲 打破时，即_ d n 。0 ，例如：突然增加负载时，即负载功率b 增大时，进油量未能及时加 讲 大，而驱动功率b 为了保持恒定，必然导致频率下降，即粤 0 。 mm 因此为维持频率不变，当负载变化时，必须及时调节原动机的进油量【2 2 】。 当电网频率低于额定值时，电动机的转速下降，输出功率和效率下降，严重影响船 舶设备的工作状况。例如：船用泵、风机等转速必然下降，大大减少它们在单位时间的 送油、送水和送风量；起货机、锚机等转速降低，延长装卸和起锚的时间。当频率高于 额定值时，电动机的转速升高，从而使其输出功率提高，电网供给的电能增加，经济性 差，还会导致电动机过载。对于船用发电柴油机，它们是按额定转速输出最大功率和最 高效率设计的，当转速变化时，会使原动机的效率变低，加剧其零部件的磨损。更为严 重的是几台发电机组并联工作时，发电机组的频率波动时，将引起发电机组有功功率分 配不均，造成机组过载，甚至使有的机组转入电动机工作状态，发生逆功率的情况，导 致保护装置动作，使主开关跳闸。因此，为了保证船舶电力系统运行的稳定性和经济性， 必须使电网频率在规定的范围之内【2 1 1 。 2 2 2 电力系统的动态频率特性和负荷的静态频率特性 ( 1 ) 动态频率特性 电力系统出现功率缺额时，系统的稳定频率厶必然低于额定频率以，系统频率从无 变化到的兀过程就反应出系统的动态频率特性，其曲线图如下图2 3 所示瞄，2 3 】。 自动调频调载的研究与设计 图2 3 动态频率特性 f i g 2 3d y n a m i cf i e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c 系统频率的变化不是瞬时完成的，而是按指数规律变化的，其表达式为： t f = f o 一( 以一f o ) e 巧( 2 1 3 ) 式中： 由功率缺额引起的最终稳定运行频率； l 系统频率变化的时间常数，一般在4 1 0 s 间。 当频率由以下降到石所需要的时间可以由式( 2 1 3 ) 求得： = r ：i n ( 委- f o 。) ( 2 ) 静态频率特性 电力系统的总有功负荷与频率的关系，称为负荷的静态频率特性。 随频率变化的程度与负荷的性质有关，一般将其分为三类： ( 2 1 4 ) 电力系统的负荷 第一类，用户消耗的功率与电网频率无关，即置= k 。= 常数，例如：电灯、电热 设备等。 第二类，用户消耗的功率与频率的一次方成正比，即罡= k l f ，例如：起货机、 锚机、绞缆机、车床等。 第三类，用户消耗的功率与频率的二次方及以上次方成正比，即 忍= 心厂2 + k ，3 + ，例如：通风机、水泵等。 t 船舶电站的基本功能 电力系统的总负荷可以认为由上述不同的负荷所组成，即： 足= b + 忍+ 忍= k o + 墨厂+ 砭厂2 + 墨厂3 + ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 5 ) 可知，系统总有功负荷的变化与频率的变化关系如下图2 4 所示。 户 p 1 只 0 f ：f 。l 图2 4 静态频率特性 f i g 2 4s t a t i cf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c 由上图可知，当频率升高时，负荷消耗的有功功率将增加；当频率下降时，负荷消 耗的有功功率将减少，这就是负荷的调节效应。由于负荷有调节效应，故对电力系统频 率有一定的稳定作用。当功率平衡遭到破坏时，如发电机的输出功率减少，则系统频率 必然降低，由于负荷调节效应，消耗的功率相应减少，于是可以重新达到功率平衡。这 样，。系统频率可以稳定在一个略低于额定值的频率上运行。反之，系统稳定在一个略高 于额定值的频率上运行【2 3 1 。 仅仅依靠负荷调节效应，无法完全保证系统频率在一定范围之内，这就要求发电机 组必需配备调速器。 2 2 3 原动机调速器的调速原理 在船舶电力系统中，频率的调整及有功功率分配主要依赖于原动机的调速器。船舶 柴油发电机组的调速器使用飞锤弹簧式速敏元件，称为机械液压离心式调速器；凡转速 感应元件及控制机构采用电气方式的调速器，称为电子调速器【2 4 】。 以前，我国船舶电站中的柴油机组大多采用离心式的机械调速器和液压调速器。由 于机械调速器反应不灵敏，船舶电站的频率波动很大；同时因机械调速器的调节弹簧的 特性不一致性，导致并联运行机组之间功率分配不均匀，并且维修也不便。电子调速器 船舶交流电站自动调频调载的研究与设计 与以往的机械式和液压式调速器相比，由于它的信号传递和控制调整时通过电信号来完 成的，彻底摆脱了机械零件的惯性质量和机械摩擦的影响，不仅能使电站供电频率达到 高精度的恒定，而且能使并联运行机组之间有功功率分配均匀【2 5 - 2 6 。电子调速器的基本 组成如图2 5 所示。 图2 5 电子调速器原理框图 f i g 2 5p r i n c i p l ed i a g r a mo fe l e c t r o n i cg o v e r n o r 速度传感器是检测转速的感应环节，一般采用磁电式传感器，用于监测柴油机轴系 l 、 转速的变化，由磁性速度传感器产生的交流电压的频率与柴油机转速成比例，经转速反 馈环节中的频率电压变换器转换成直流电压信号：负荷传感器用于监测发电机负荷 ( 如：电压、电流、相位) 的变化并按比例转换成直流电压信号；速度控制单元是电子 调速器的核心，它接受来自速度传感器和负荷传感器的电信号，并按比例转换成直流电 压后与转速设定电位器的设定电压进行比较，把比较后的差值送至电子控制装置；电子 控制装置将差值电压进行p i d 控制运算，然后通过功率放大后作为控制信号送往电动执 行机构；电动执行机构采用电磁式执行器，它根据输入的控制信号以电力方式拉动柴油 机的油门进行调速【2 7 1 。 如柴油机负荷突然增加，转速降低，速度传感器和负荷传感器的输出电压数值降低， 这两种降低的电压信号在速度控制单元内与转速设定电位器的设定电压进行比较，输出 正值电压信号，该信号进行p i d 运算和放大后作为控制信号送往执行机构，执行机构根 据控制信号使其输出轴向加油方向转动，增加柴油机的循环供油量。 船舶电站的基本功能 反之，如柴油机负荷突然降低，转速升高，速度传感器和负荷传感器的输出电压数 值大于转速设定电位器的设定电压值，速度控制单元输出负值电压信号，该信号进行p i d 运算和放大后作为控制信号送往执行机构，执行机构根据控制信号使其输出轴向减油方 向转动，减少柴油机的循环供油量。 电子调速器能在负载一有变动而转速尚未明显变化之前就开始调节燃油供给量，因 此具有很高的调节精度，特别适用于自动化程度高、供电要求高的现代船用发电机组。 2 2 4 调速器的调速特性 调速器的调速特性是指在柴油机调速器的自动调节下，发电机组的转速( 频率) 与 柴油机输出功率的关系，它包括动态调速特性与静态调速特性。 动态调速特性是指当有功功率突变时，机组在调速器的自动调节下，从一个稳定状 态到另一个稳定状态的过渡过程，转速( 频率) 随时间变化的规律。如图2 6 所示： 号 厂l z 图2 6 动态调速特性 f i g 2 6d y n a m i cs p e e d - r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 静态调速特性是指调速器调整完毕后的稳定情况，如图2 7 所示。如果发电机的转 速( 频率) 随输出有功功率的增加而下降，调速器的静态调速特性称为有差调速特性； 反之，称为无差调速特性。为了使发电机组能稳定地并联运行，船舶发电机组调速器的 调速特性一般都采用有差调速特性。 船舶交流电站自动调频调载的研究与设计 刀( 厂) ，z 0 即 p n p 图2 7 静态调速特性 f i g 2 7s t a t i cs p c e d - r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 2 2 5 并联运行发电机之间有功功率的分配 为了满足船舶用电设备的需求，经常需要将多台发电机组并联运行，这就需要进行 并车及负荷的转移和分配等操作圆。 ，忉 f 、 t 图2 8 两台发电机并