第15章船舶电力系统频率及有功功率自动调整

1、课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第第1515章章 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本章的主要讲解内容本章的主要讲解内容第一节第一节 船舶电力系统有功功率自动调整基础知识船舶电力系统有功功率自动调整基础知识第二节第二节 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第三节第三节 有功功率的转移操作有功功率的转移操作第四节第四节 自动调频调载装置基本原理自动调频调载装置基本原理第五节第五节 自动分级卸载自动分级卸载第六节第六节 同步发电机的短路与振荡同步发电机的短路与振荡课 件船舶电气设备与系统 2022

2、-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第一节船舶电力系统有功功率自动调整基础知识第一节船舶电力系统有功功率自动调整基础知识 60pnf FFTPPP一、电力系统频率波动的原因及其影响一、电力系统频率波动的原因及其影响电网频率与发电机组转速有如下关系式：电网频率与发电机组转速有如下关系式：设原动机输入功率为设原动机输入功率为P PT T ，发电机负荷功率为，发电机负荷功率为P P，忽略内部损耗。当，忽略内部损耗。当P PT T= =P P时输入与输出功率平衡，系统转速（即频率）不变。如果系统中时输入与输出功率平衡，系统转速（即频率）不变。如果系统中的负荷突然变化使发电机输出功率增加的负荷

3、突然变化使发电机输出功率增加P PF F，而由于机械惯性，原动，而由于机械惯性，原动机的输入功率还来不及变化，这时，机的输入功率还来不及变化，这时，为了保持功率平衡，机组把转子的一部分动能转换成电功率，使机为了保持功率平衡，机组把转子的一部分动能转换成电功率，使机组转速降低，系统频率下降。可见系统频率的变化，是由于发电机组转速降低，系统频率下降。可见系统频率的变化，是由于发电机的负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡所致。的负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡所致。 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系)( fFPL二、电力系统的负荷调节效应二、电力系

4、统的负荷调节效应当系统频率变化时，整个系统的负荷功率也随之改变，即当系统频率变化时，整个系统的负荷功率也随之改变，即在电力系统中功率平衡被破坏引起频率变化时，负载吸收功在电力系统中功率平衡被破坏引起频率变化时，负载吸收功率的变化起着补偿的作用，使系统能在另一个频率值下得到率的变化起着补偿的作用，使系统能在另一个频率值下得到新的平衡，这种现象称为电力系统的负荷调节效应。新的平衡，这种现象称为电力系统的负荷调节效应。负荷调节效应，对于限制系统频率变化是有利的，但只依靠负荷调节效应，对于限制系统频率变化是有利的，但只依靠这个效应，频率的变化将是很大的。为了保证系统的频率变这个效应，频率的变化将是很大

5、的。为了保证系统的频率变化在一定的允许范围内，发电机组必需配置调速器。化在一定的允许范围内，发电机组必需配置调速器。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系电力系统要求频率能维持在一定范围之内，因此调速器应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是一种“定速调速器定速调速器”。即通过调速器调节维持原动机转。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、液压式和电子式等。但无速不变。调速器种类有机械式、液压式和电子式等。但无论哪种型式，其工作原理都是测出偏差后，根据偏差的大论哪种型式，其工作原理都是测出偏差后，根据偏差的大小和极性

6、去调节原动机，使原动机在负载从零到额定值范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，维持转速在允许的范围内。围内变化时，维持转速在允许的范围内。三、调速器及其调速特性三、调速器及其调速特性课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系1 1调速器的结构和动作原理调速器的结构和动作原理 图图 15-115-1离心式调速器示意图离心式调速器示意图1 1 传动轴传动轴; 2 ; 2 轴轴; 3 ; 3 飞铁飞铁; 4 ; 4 拨爪拨爪;5 ;5 滑滑套筒套筒; 6 ; 6 弹簧弹簧; 7 ; 7 杠杆杠杆; 8 ; 8 拉杆拉杆;9 ;9 涡轮涡

7、轮涡杆涡杆; 10 ; 10 伺服电动机伺服电动机; 11 ; 11 油门控制机构油门控制机构课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系2 2调速器的特性调速器的特性图图15-2 15-2 静态调速特性静态调速特性图图15-3 15-3 动态调速特性动态调速特性图图15-4 15-4 调速器的不灵敏区调速器的不灵敏区课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图15-5 15-5 频率调节频率调节四、单机运行时频率的调整四、单机运行时频率的调整图图15-6 15-6 频率的再调节频率的再调节课 件船舶电气设备与系统 2

8、022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第二节发电机并联运行的有功功率分配第二节发电机并联运行的有功功率分配图图 15-7 15-7 不同调速特性并联运行不同调速特性并联运行课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第三节有功功率的转移操作第三节有功功率的转移操作 图图15-8 15-8 负荷转移图负荷转移图课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第四节自动调频调载装置基本原理第四节自动调频调载装置基本原理一、自动调频调载装置的原理一、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转速（频率）调

9、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，和负载（功率）的信号， 来实现调节。尽管目前自来实现调节。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动调频调载装置的品种很多，并且还在不断的更新换代。但基本环节都是由频率变换器、有功功率变换代。但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。换器、有功功率分配器和调整器等组成。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系1 1频率变换器频率变换器它用来检测电网的实际频率它用来检测电网的实际频率f， 并将测量值并将测量值f与额定频率与额定频率fe进行比较得出

10、偏差进行比较得出偏差f ，频率变换器将频率变换器将f变换为相应的与频变换为相应的与频差成正比的直流电压信号，送到调整系统去进行综合比较。差成正比的直流电压信号，送到调整系统去进行综合比较。图图15-915-9为频率变换器及其特性，图为频率变换器及其特性，图15-1015-10为基于波形变换为基于波形变换的频率变换器的原理图。的频率变换器的原理图。efff2 2有功功率变换器有功功率变换器 图图15-11 15-11 图图15-1215-12课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系3 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

11、实现按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。运算环节主要由比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，它的作用是根据电网总的功率，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担功率以及各台发电机实际承担的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值之差。功率值与平均值之差。4 4调整器调整器 图图15-1315-13 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图 15-9 15-9 频率变换器及其特性频率变换器及其特性课 件船舶电气设备与系统 2

12、022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图15-10 15-10 基于波形变换的频率变换器的原理图基于波形变换的频率变换器的原理图课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图15-11 15-11 功率变换器及其特性功率变换器及其特性课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系TATVuviuiupup*R1R212取平均值电路uvuiut0图图15-12 15-12 单相功率变换器原理电路单相功率变换器原理电路课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图 15-1

13、3 15-13 调整器方框图调整器方框图课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系二、自动调频调载方法二、自动调频调载方法1 1有差调节法有差调节法 有差调节法，如上节所述，是仅依赖有差调速特性有差调节法，如上节所述，是仅依赖有差调速特性的调速器来稳定电网的频率和有功负荷分配的方法。的调速器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，因此不能保持频率恒这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。定，有功负荷分配通常也不均匀。2 2虚有差法图虚有差法图15-14 15-14 1 1） 频率的调整频率的调整 图

14、图15-14 15-14 图图15-15 15-15 2 2）有功功率分配的调整）有功功率分配的调整 图图15-14 15-14 图图15-1615-16课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系3 3主调发电机法主调发电机法主调发电机法，是指在并联运行的发电机组中有一台主调发电机法，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，其任务是当负机组上装有调频器，作为主调发电机，其任务是当负荷变化而引起电网频率出现频差时，由它再次调节改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，维持电网的频率为额定值，并承担系统负荷变油门，维持电

15、网的频率为额定值，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的变化量。而其余的发电机则总是保持运行于接近额定值，称为基载发电机。定值，称为基载发电机。 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图 15-14 15-14 虚有差法方框图虚有差法方框图课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图15-15 15-15 均功时系统的等效电路均功时系统的等效电路课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图 15-16 15-16 恒频时系统的等效电路恒频时系统的等

16、效电路课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第五节自动分级卸载第五节自动分级卸载 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，将部分次要负发电机出现过载时，自动卸载装置动作，将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，并保证重要负载不间断供电。它是提高供电能力的一种有效措施，不间断供电。它是提高供电能力的一种有效措施，图图15-1715-17为一种自动分级卸载装置（为一种自动分级卸载装置（ZFXZFX一一1 1型）的

17、原理框型）的原理框图。图。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图 15-17 ZFX15-17 ZFX一一1 1型自动分级卸载装置原理图型自动分级卸载装置原理图课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第六节同步发电机的短路与振荡第六节同步发电机的短路与振荡 同步发电机在运行过程中，往往由于故障原因或输入同步发电机在运行过程中，往往由于故障原因或输入输出功率的突然变化，使稳定运行的平衡条件遭到破输出功率的突然变化，使稳定运行的平衡条件遭到破坏而引起暂态过程。由于发电机电路中的电磁能量不坏而引起暂态过程。由于发电

18、机电路中的电磁能量不能跃变而发生电磁暂态过程；由于转动系统的机械能能跃变而发生电磁暂态过程；由于转动系统的机械能量不能跃变而发生机电暂态过程。严重的暂态过程对量不能跃变而发生机电暂态过程。严重的暂态过程对发电机的安全和并联运行的稳定性都会产生极为不利发电机的安全和并联运行的稳定性都会产生极为不利的影响。的影响。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-28轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系一、三相突然短路一、三相突然短路三相突然短路是指同步发电机出口近端的对称短路，了解三相三相突然短路是指同步发电机出口近端的对称短路，了解三相突然短路的特点有助于理解其他原因（如突加突卸大的负载等）突然短路的特点有助于理解其他原因（如突加突卸大的负载等）引起的暂态过程。假设短路前发电机空载，电枢电流为零，当引起的暂态过程。假设短路前发电机空载，电枢电流为零，当突然发生三相短路时，其暂态过程有以下一些特点：突然发生三相短路时，其暂态过程有以下一些特点：1.1.在短路的暂态过程中三相短路电流为非对称三相电流。在短路