船舶电力系统频率及有功功率自动调整

1、船舶电气设备及系统 课 件 船舶电力系统频率及有功功率自动调整船舶电力系统频率及有功功率自动调整电力系统有功功率自动调整基础知识电力系统有功功率自动调整基础知识 自动调频调载原理自动调频调载原理 船舶电气设备及系统 课 件15.1 15.1 电力系统有功功率自动调整基础知识电力系统有功功率自动调整基础知识 电力系统频率波动的原因及其影响电力系统频率波动的原因及其影响 tfdttjdt(1)(1)当当 ， 时时, ,静止静止或或恒转速恒转速运行，即稳态。运行，即稳态。(2)(2)当当 ， 时时, ,系统处于系统处于加速加速运行，即动态。运行，即动态。(3)(3)当当 ， 时时, ,系统处于系统处

2、于减速减速运行，即动态。运行，即动态。tftt0dfdttftt0dfdttftt0dfdt船舶电气设备及系统 课 件船级社规定：船用电器设备在电源频率波动稳态船级社规定：船用电器设备在电源频率波动稳态值达值达5 5额定频率时应能正常运用。因此要求船额定频率时应能正常运用。因此要求船舶电网频率的变化最好保持在舶电网频率的变化最好保持在0.2hz0.2hz以内。以内。 船舶电气设备及系统 课 件15.1.1 15.1.1 调速器及其调速特性调速器及其调速特性 发电机转速的调整是由原动机的调速器来实现的，发电机转速的调整是由原动机的调速器来实现的，因此发电机组的功率频率特性取决于调速器的特性。因此

3、发电机组的功率频率特性取决于调速器的特性。 由于电力系统要求频率能维持在一定范围之内，因由于电力系统要求频率能维持在一定范围之内，因此调速器应是一种此调速器应是一种“定速调速器定速调速器”。即通过调速器。即通过调速器调节维持原动机转速不变。调速器种类有机械式、调节维持原动机转速不变。调速器种类有机械式、液压式和电子式等。但无论哪种型式，其工作原理液压式和电子式等。但无论哪种型式，其工作原理都是测出偏差后，根据偏差的大小和极性去调节原都是测出偏差后，根据偏差的大小和极性去调节原动机，使原动机在负载从零到额定值范围内变化时，动机，使原动机在负载从零到额定值范围内变化时，维持转速在允许的范围内。维持

4、转速在允许的范围内。 船舶电气设备及系统 课 件1) 1) 调速器的结构和动作原理调速器的结构和动作原理 1 ：传动轴：传动轴2 ：轴：轴3： 飞铁飞铁4 ：拨爪：拨爪5 ：滑套筒：滑套筒6 ：弹簧：弹簧7 ：杠杆：杠杆8 ：拉杆：拉杆9 ：涡轮涡杆：涡轮涡杆10：调速器电机：调速器电机11：柴油机油门：柴油机油门船舶电气设备及系统 课 件柴油机运行时，柴油机运行时， 通过齿轮传动通过齿轮传动机构带动调速器的传动轴机构带动调速器的传动轴1 1将转将转速传到轴速传到轴2 2，使飞铁，使飞铁3 3绕轴绕轴2 2旋转，旋转，飞铁在离心力作用下，力图张飞铁在离心力作用下，力图张开，并将滑套开，并将滑套

5、5 5向上顶，向上顶， 压缩压缩弹簧弹簧6 6， 直到与弹簧直到与弹簧6 6产生的反产生的反作用力相平衡，作用力相平衡， 这时滑套这时滑套5 5将将处于某一平衡位置，通过杠杆处于某一平衡位置，通过杠杆7 7、拉杆拉杆8 8， 将油门拉到一定的开将油门拉到一定的开度，使柴油机有一定大小的喷度，使柴油机有一定大小的喷油量，机组在一定转速下运行，油量，机组在一定转速下运行，此时的调速器处于一种平衡状此时的调速器处于一种平衡状态。态。 平衡状态平衡状态船舶电气设备及系统 课 件若由于某种原因破坏了调速器若由于某种原因破坏了调速器的平衡，譬如负载减少、机组的平衡，譬如负载减少、机组转速升高，则飞铁的离心

6、力增转速升高，则飞铁的离心力增大、张开的角度将更大，引起大、张开的角度将更大，引起滑套滑套5上移。在滑套上移的过程上移。在滑套上移的过程中，通过杠杆、拉杆、使油门中，通过杠杆、拉杆、使油门减小，转速就被阻止进一步增减小，转速就被阻止进一步增加。同时，因为滑套的上移压加。同时，因为滑套的上移压缩了弹簧缩了弹簧6，其反作用力也将增，其反作用力也将增加，直到与离心力的作用平衡，加，直到与离心力的作用平衡，滑套滑套5就停止上移。到此，调速就停止上移。到此，调速器达到了一个新的平衡状态，器达到了一个新的平衡状态，机组在另一个转速下稳定运行。机组在另一个转速下稳定运行。负载减少负载减少船舶电气设备及系统

7、课 件相反若由于某种原因使转速降相反若由于某种原因使转速降低，则飞铁的离心力变小、平低，则飞铁的离心力变小、平衡又被打破，衡又被打破， 此时弹簧此时弹簧6的压的压力大于离心力的作用，滑套下力大于离心力的作用，滑套下移，于是油门加大，阻止了转移，于是油门加大，阻止了转速进一步下降，又达到了一个速进一步下降，又达到了一个新的平衡。这种自动调整作用，新的平衡。这种自动调整作用，使柴油机能稳定运行于一定的使柴油机能稳定运行于一定的转速范围内。转速范围内。负载增加负载增加船舶电气设备及系统 课 件通过伺服电动机，经蜗轮通过伺服电动机，经蜗轮蜗杆传动，可以将弹簧蜗杆传动，可以将弹簧6事事先压紧到一定的程度

8、；弹先压紧到一定的程度；弹簧簧“预紧预紧”是通过配电盘是通过配电盘上的手动调速开关接通伺上的手动调速开关接通伺服电动机进行的操作。预服电动机进行的操作。预紧力越大，滑套越被压向紧力越大，滑套越被压向下移，对应的油门开度越下移，对应的油门开度越大，大， 反之油门开度越小。反之油门开度越小。 船舶电气设备及系统 课 件2) 2) 调速器的特性调速器的特性 pfppffk1212倾斜度可用调差系数倾斜度可用调差系数k k来表示来表示 稳态特性稳态特性船舶电气设备及系统 课 件(1)(1)瞬时调速率瞬时调速率j j %10012ennnj船舶要求船舶要求: j: j1010 (2)(2)转速恢复到稳定

9、值所需时转速恢复到稳定值所需时间间t t要求要求 ；转速恢复过程，转速恢复过程， 应当没有振荡。应当没有振荡。t t5 5秒秒 动态特性动态特性n n1 1n n2 2(3)(3)调速特性的失灵区调速特性的失灵区( (灵敏度灵敏度) )：由于调速机构的间隙，：由于调速机构的间隙，对微小转速变化不能反映。即调速期存在一定的失灵区。对微小转速变化不能反映。即调速期存在一定的失灵区。失灵区太大功率分配产生误差，太小频繁调节。失灵区太大功率分配产生误差，太小频繁调节。船舶电气设备及系统 课 件3 3）单机运行时频率的调整）单机运行时频率的调整调速特性的平移调速特性的平移 在同一负载下欲使频率升高，则应

10、加大弹簧预紧力，在同一负载下欲使频率升高，则应加大弹簧预紧力，将油门加大，整个曲线将油门加大，整个曲线1 1将向上平移到曲线将向上平移到曲线2 2。若减。若减小弹簧预紧力，则特性向下平移，如图中的曲线小弹簧预紧力，则特性向下平移，如图中的曲线3 3 。 船舶电气设备及系统 课 件1.1.两台发电机具有有差特性两台发电机具有有差特性, ,斜率不一致。斜率不一致。15.1.2 15.1.2 发电机并联运行的有功功率分配发电机并联运行的有功功率分配 在两台机组均功后，在两台机组均功后，当负荷变化时，功当负荷变化时，功率分配不均匀率分配不均匀船舶电气设备及系统 课 件2.2.两台发电机具有无差特性。两

11、台发电机具有无差特性。两台机组间，有功两台机组间，有功功率随机分配，可功率随机分配，可导致逆功率跳闸或导致逆功率跳闸或过载跳闸。在无功过载跳闸。在无功率分配控制系统作率分配控制系统作用下无法并联运行。用下无法并联运行。船舶电气设备及系统 课 件3.3.一台发电机具有有差特性，另一台具有无差特性。一台发电机具有有差特性，另一台具有无差特性。当负荷增加当负荷增加：增加的功：增加的功率全部由无误差特性机率全部由无误差特性机承担，若负荷超过该机承担，若负荷超过该机额定值可引起过载跳闸。额定值可引起过载跳闸。当负荷减小当负荷减小：无误差特：无误差特性机将减小输出功率，性机将减小输出功率，有可能导致另一机

12、过载有可能导致另一机过载跳闸。也无法并联运行。跳闸。也无法并联运行。负荷增加负荷增加负荷减小负荷减小船舶电气设备及系统 课 件要使两机之间的功率能够按容量成比例要使两机之间的功率能够按容量成比例分配，只有两特性曲线的斜率分配，只有两特性曲线的斜率致。由致。由于调速器特性总是存在一定的差别，为于调速器特性总是存在一定的差别，为了使电网频率不致随负载变化过大，又了使电网频率不致随负载变化过大，又要使功率稳定的分配，特性曲线的下降要使功率稳定的分配，特性曲线的下降率应在率应在3 3左右，不超过左右，不超过5 5，以保证有，以保证有功分配偏差在功分配偏差在1010以内。以内。 船舶电气设备及系统 课

13、件设一号发电机运行于设一号发电机运行于a点，输出的有功功率为点，输出的有功功率为p，二号发电机为并入发电机，浮接在电网上，处于二号发电机为并入发电机，浮接在电网上，处于空载状态，运行于空载状态，运行于b点。点。cbaff0p/2 p p 12(1)(2)在转移负载时，在转移负载时，为保持电网的频为保持电网的频率不变，必须同率不变，必须同时向相反方向调时向相反方向调节两机组的调速节两机组的调速控制开关控制开关操作步骤：操作步骤：15.1.3 15.1.3 有功功率的转移操作有功功率的转移操作船舶电气设备及系统 课 件baff0p2 p1 p p 12(2)f02 2号机单独加速，电网频率增加号机

14、单独加速，电网频率增加f0 f0船舶电气设备及系统 课 件(2)aff0p2 p/2 p1 p 12f0f0 f02 2号机单独减速，电网频率降低号机单独减速，电网频率降低船舶电气设备及系统 课 件转移过程转移过程: : 为保持电网的频率稳定为保持电网的频率稳定，在转移负，在转移负载时，载时， 必须同时向相反方向调节两机组的调必须同时向相反方向调节两机组的调速控制开关。对上述情况，需增大二号发电机速控制开关。对上述情况，需增大二号发电机组的油门，使特性曲线组的油门，使特性曲线2 2向上平移到特性曲线向上平移到特性曲线(2); (2); 同时减少一号发电机组的油门，使特性同时减少一号发电机组的油

15、门，使特性曲线曲线1 1向下平移到特性曲线向下平移到特性曲线(1)(1)， 并与曲线并与曲线2 2交交于于c c点。两特性曲线点。两特性曲线(1)(1)和和(2)(2)的交点的交点c c说明两台说明两台机组的频率均为机组的频率均为fefe，而两台机组各自分担的功，而两台机组各自分担的功率均为率均为p1p1/ 2 / 2 。以后在负荷变动时，由调速器。以后在负荷变动时，由调速器自动稳定功率分配，并调节电网频率。自动稳定功率分配，并调节电网频率。 船舶电气设备及系统 课 件当两台发电机组并联运行需解列一台时，也当两台发电机组并联运行需解列一台时，也应同时反向调节原动机的调速控制开关。应同时反向调节

16、原动机的调速控制开关。在在电网的频率保持不变电网的频率保持不变的情况下，将负荷全部的情况下，将负荷全部转移至运行的机组。当需解列的机组的有功转移至运行的机组。当需解列的机组的有功功率接近为零时，将该发电机的主开关断开。功率接近为零时，将该发电机的主开关断开。在并联运行中若出现功率分配偏差较大时，在并联运行中若出现功率分配偏差较大时，也要按上述操作进行功率按发电机容量比例也要按上述操作进行功率按发电机容量比例均匀分配。均匀分配。如果出现电网频率偏离额定值时，如果出现电网频率偏离额定值时，可同时向同方向操作两机组的调速开关，使可同时向同方向操作两机组的调速开关，使频率上升或下降。频率上升或下降。

17、船舶电气设备及系统 课 件15.2 自动调频调载原理自动调频调载原理 船舶同步发电机并联运行时，其调速特性为有船舶同步发电机并联运行时，其调速特性为有差特性，当负荷变化时，虽然有调速器，但电差特性，当负荷变化时，虽然有调速器，但电网的频率仍会发生变化。而且由于两机组的调网的频率仍会发生变化。而且由于两机组的调速特性不可能做到完全一致，两机组的有功功速特性不可能做到完全一致，两机组的有功功率分配也不均匀。因此要维持频率恒定和有功率分配也不均匀。因此要维持频率恒定和有功功率分配均匀，必须进行再次调节功率分配均匀，必须进行再次调节( (二次调节二次调节) )。自动调频调载装置是协助原动机调速器对电网

18、自动调频调载装置是协助原动机调速器对电网电压的频率和有功功率进行调整的装置。电压的频率和有功功率进行调整的装置。 船舶电气设备及系统 课 件（3 3）接到解列指令时，能自动进行负）接到解列指令时，能自动进行负荷转移。荷转移。其作用是：其作用是：（1 1）保持电网电压的频率恒定；）保持电网电压的频率恒定；（2 2）按并联运行机组的容量比例进行）按并联运行机组的容量比例进行负荷分配；负荷分配；船舶电气设备及系统 课 件15.2.1 自动调频调载装置的原理自动调频调载装置的原理调整原动机转速及机组的负荷需要根据调整原动机转速及机组的负荷需要根据转速（频率）和负载（功率）的信号，转速（频率）和负载（功

19、率）的信号， 来来实现调节。尽管目前自动调频调载装置的品实现调节。尽管目前自动调频调载装置的品种很多，并且还在不断的更新换代。种很多，并且还在不断的更新换代。基本环节都是由频率变换器、有功功率基本环节都是由频率变换器、有功功率变换器、有功功率分配器和调整器等组成。变换器、有功功率分配器和调整器等组成。 船舶电气设备及系统 课 件1) 频率变换器频率变换器船舶电气设备及系统 课 件2) 有功功率变换器有功功率变换器有功功率变换器是用来测量每一台输出的有功功率有功功率变换器是用来测量每一台输出的有功功率p，并将它转换成与之线形相关的直流电压并将它转换成与之线形相关的直流电压up 即：即： pkup

20、pcospui船舶电气设备及系统 课 件3) 有功功率分配器有功功率分配器 有功功率分配器是一种有功分配运算电路，为实有功功率分配器是一种有功分配运算电路，为实现按比例或均匀分配有功功率而设置的。现按比例或均匀分配有功功率而设置的。 运算环节主要由比较放大器和加法器组成，它的运算环节主要由比较放大器和加法器组成，它的作用是根据电网总的功率，计算每台发电机应承作用是根据电网总的功率，计算每台发电机应承担功率以及各台发电机实际承担的功率值与平均担功率以及各台发电机实际承担的功率值与平均值之差。值之差。 船舶电气设备及系统 课 件4) 调整器调整器 调整器接受频差和功差信号，调整器接受频差和功差信号

21、， 并根据它们的频并根据它们的频差和功差信号的大小和极性，输出相应脉冲调整差和功差信号的大小和极性，输出相应脉冲调整信号，控制伺服电动机正转或反转调节发电机油信号，控制伺服电动机正转或反转调节发电机油门的开度，使有功功率均匀分配，从而保持电网门的开度，使有功功率均匀分配，从而保持电网的频率恒定。的频率恒定。 船舶电气设备及系统 课 件由于要调节每台发动机组油门的大小，由于要调节每台发动机组油门的大小，每台发电机组需配置一个调整器。每台发电机组需配置一个调整器。船舶电气设备及系统 课 件15. 2. 2. 自动调频调载方法自动调频调载方法 电网频率的自动调节和自动控制负荷分配，按其电网频率的自动

22、调节和自动控制负荷分配，按其工作原理可分：有差调节法、虚有差法和主调发工作原理可分：有差调节法、虚有差法和主调发电机法等。电机法等。 1) 有差调节法有差调节法是仅依赖有差调速特性的调速器（是仅依赖有差调速特性的调速器（一次调节一次调节）来稳定电网的频率和有功负荷分配的方法。这来稳定电网的频率和有功负荷分配的方法。这种方法没有外加的再调节，因此不能保持频率种方法没有外加的再调节，因此不能保持频率恒定，有功负荷分配通常也不均匀。恒定，有功负荷分配通常也不均匀。 船舶电气设备及系统 课 件2) 虚有差法虚有差法 （柴油发电机组间）（柴油发电机组间）虚有差法是在并联运行的每一台发电机上，都虚有差法是

23、在并联运行的每一台发电机上，都装有对频差和功率差进行调整的控制系统。装有对频差和功率差进行调整的控制系统。 在它的控制下，电网的频率保持为额定值，电在它的控制下，电网的频率保持为额定值，电力系统的负荷按每台发电机的容量成比例进行力系统的负荷按每台发电机的容量成比例进行分配。虽然每台发电机安装的调速器（分配。虽然每台发电机安装的调速器（一次调一次调节节）的调差系数不尽相同，但不影响调节结果。）的调差系数不尽相同，但不影响调节结果。因为并联运行的机组具有有差特性，能够保证因为并联运行的机组具有有差特性，能够保证稳定的有功分配，系统能自动再次调节使频率稳定的有功分配，系统能自动再次调节使频率保持恒定

24、（保持恒定（二次调节二次调节），）， 故为虚有差法。故为虚有差法。 船舶电气设备及系统 课 件调速器调速器原动机原动机1 1n n转速转速设定设定调速器调速器原动机原动机2 2n n调整器调整器调整器调整器有有功功分分配配器器转速转速设定设定功率功率频率频率一次调节一次调节( (有差有差) )二次调节二次调节( (无差无差) )船舶电气设备及系统 课 件3) 主调发电机法（透平发电机与柴油机组）主调发电机法（透平发电机与柴油机组）是指在并联运行的发电机组中有一台机组是指在并联运行的发电机组中有一台机组上装有调频器，作为主调发电机，其任务上装有调频器，作为主调发电机，其任务是当负荷变化而引起电网

25、频率出现频差时，是当负荷变化而引起电网频率出现频差时，由它再次调节改变油门，来维持电网的频由它再次调节改变油门，来维持电网的频率为额定值，并承担系统负荷的变化量。率为额定值，并承担系统负荷的变化量。而其余的发电机则总是保持运行于接近额而其余的发电机则总是保持运行于接近额定值，定值， 称为基载发电机。称为基载发电机。 船舶电气设备及系统 课 件因此，调频调载装置仅作为主调发因此，调频调载装置仅作为主调发电机的调频器，它只检测电网的频差，电机的调频器，它只检测电网的频差，并根据频差信号去调节主调发电机的调并根据频差信号去调节主调发电机的调速特性来实现调频。而基载发电机的调速特性来实现调频。而基载发

26、电机的调速特性为有差特性，其工作点一次整定速特性为有差特性，其工作点一次整定在额定频率，达到预定的负荷后，将不在额定频率，达到预定的负荷后，将不会再受调频器的控制。会再受调频器的控制。 船舶电气设备及系统 课 件 自动调频调载装置原理框图自动调频调载装置原理框图二次调节二次调节( (无差无差) )船舶电气设备及系统 课 件自动分级卸载保护装置是一种发电机过载保护装置。当自动分级卸载保护装置是一种发电机过载保护装置。当发电机出现过载时，自动卸载装置动作，将发电机出现过载时，自动卸载装置动作，将部分次要负部分次要负载自动切除，以保护发电机正常工作，并保证重要负载载自动切除，以保护发电机正常工作，并

27、保证重要负载不间断供电不间断供电。 15. 2. 3 自动分级卸载自动分级卸载 船舶电气设备及系统 课 件该装置具有该装置具有: 一级定时限卸载保护、二级定时限卸载保一级定时限卸载保护、二级定时限卸载保护、发电机过载反时限跳闸保护及发电机欠压定时限跳护、发电机过载反时限跳闸保护及发电机欠压定时限跳闸保护的功能。主要由信号变换、电流检测、闸保护的功能。主要由信号变换、电流检测、 二级定时二级定时卸载、电压检测等环节组成。卸载、电压检测等环节组成。船舶电气设备及系统 课 件备用机组能否起动的条件为：是否为备用机组能否起动的条件为：是否为“第一备用第一备用”、机组是否已准备好、系统是否要求增加机组。机组是否已准备好、系统是否要求增加机组。1) 自动增加机组的条件自动增加机组的条件15. 2. 4 自动增减运行机组原理自动增减运行机组原理船舶电气设备及系统 课 件系统要求增加机组的条件概括如下：系统