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任务3.5频率与有功功率的自动调节船舶电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可分为功率与频率无直接关系的负荷（如照明、电热、整流器等）；功率与频率成正比，转矩基本恒定的负荷（如机床、压缩机、卷扬机等）；功率与频率的三次方成正比的负荷（如吸风机、通风机、水泵等）。由于在船舶电力系统中旋转机械占的比例较大，因此整个电力系统的有功负荷与频率有密切的关系。当因某种原因造成电网频率下降时，负载从电网吸收的有功功率，将随之下降；当频率上升时，负荷吸收的有功功率随之上升。当原动机提供的机械功率小于（或大于）电网的负荷功率时，会引起船舶电力系统频率的下降（或上升）；而船舶电力系统频率的下降（或上升）又将使总负荷从电网吸收的功率相应减少（或增加）。可见，在电力系统中，当功率平衡被破坏而引起频率变化时，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化在―定的允许范围内，发电机组必须配置调速器。频率（转速）变化的主要原因是系统中有功功率不平衡，当原动机输出功率TP与发电机功率FP相等时，不引起原动机的加速或减速，发电机组处于稳定运行状态；当FP＞TP时，原动机会减速；当FP＜TP时，原动机会加速。若几台发电机组并联运行，则总有功负荷的变化，不仅要引起频率的变化，而且要引起发电机组之间有功功率的重新分配。《钢质海船入级规范》对频率（转速）和有功功率的分率的分配的要求是：“带动发电机的柴油机须装有调速器。当加上或卸去最大梯级负荷时，电网的瞬时频率变化应不大于额定频率的10％，恢复到稳态的时间不超过5S；当突然卸去额定负荷时，瞬时调速率可大于额定转速的10％，稳定调速率不大于额定转速的5％；在空负荷状态下突然加上50％额定负荷，稳定后再加上余下的50％负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的10％，稳定调速率不大于额定转速的5％；稳定时间（即转速恢复到波动率为1％范围的时间）不超过5s。”《钢质海船入级规范》对有功功率分配的要求是：“并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的20％～l00％范围内变化时，各机组所承担的有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者：①最大机组额定有功功率的±15％；②最小机组额定有功功率的±25％”。1.双脉冲电液调速器基本工作原理框图发电机组调速系统是属于定值控制系统。采用机械调速器的调速系统是按转速偏差进行调节的反馈控制系统，其调节特性是比例控制的有差调节，即当有功功率增大时，所对应的原动机转速略有下降。目前，越来越多采用双脉冲调节器。双脉冲调节器接收两个信号：发电机的转速信号和发电机有功功率（主扰动量）信号。它具有良好的调速性能图3-5-1为双脉冲电液调速器原理框图。它由转速和功率检测环节、综合放大环节、PID校正环节及电/液转换器等四部分组成。设转速测量环节的输出电压为nU、转速给定电压为pgU，经比较放大后，其转速偏差为1K（RUn-nU）。功率测量环节输出电压为pU，给定功率值为pgU，经比较放大后：功率偏差值为2K（RUn-nU）当调节终了时，应满足1K（RUn-nU）+2K（RUn-nU）=0这种调速系统由于功差信号能参与原动机油门的控制，因此会降低调速过程中转速的波动范围，提高调速性能。图3-5-1双脉冲电液调速器原理框图2．自动调频调载装置船舶交流电站中由于各种原动机（蒸汽机、燃气轮机和柴油机）都是按额定转速发出最大功率和最高效率设计的，当转速发生变化时，就会使原动机的效率降低，更为严重的是在几台发电机并联运行时，将引起各机组有功负载分配不均匀。因此，船舶电站在正常工程时需要经常到当电站中发电机原动机的转速，以保持电网频率的稳定和各发电机按比例（当容量不相等时）或均匀（当同容量时）分配有功负载。现代船舶电站为了提高供电的质量，在电站中大多安装有自动调频调载装置。自动调频调载装置与调速系统相似，只是它的控制信号是频率差与功率差的合成信号，经放大、判别（增减速判别、是否固定偏差判别）后控制伺服电机，以调节原动机的油门的开度来调节发电机原动机的转速。因为原动机本身都具有调速器，自动调频调载装置起辅助调节作用，所以它不需要迅速反应和频繁的动作，只是在调速器动作之后如果仍存在固定偏差时，由它再进行调节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。自动调频调载装置不能改善调速器的动态性能，当动态过程结束，系统稳定后，由于调速器的有差特性及其不一致性等原因，船舶电力系统的频率和有功功率分配就会出现静差，自动调频调载装置只是根据这个静差来进行校正。为使自动调频调载装装置避开动态过程，一般采用延时来实现。当船舶电力系统频率或功率分配出现偏差时，首先由各发电机组的调速器按各自的调速特性进行一次调节，即动态调节；经5S延时后，再进行自动二次调节，以消除静态误差，使船舶电力系统维持恒频均功。自动调频调载装置的基本功能是：能自动维持电力系统频率为额定值；能按参与并联运行各发电机组的容量以既定比例或其他既定自动方式式控制负荷分配；当接到“解列”指令时，能自动控制负荷转移，待其负荷接近零时，使其发电机的断路器自动分闸。1）自动调频调载装置的基本组成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，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换代，但其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。（1）频率变换器频率变换器又称频率检测装置，用来检测电网的实际频率f，并将测量值∫与额定频率人进行比较得出偏差Δf＝f―fN(6―4―1)式中：f为电网的实际频率；fN为电网的额定频率。频率变换器将fN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。由于并联运行时电网频率是共同的，因此，每一套自动调频调载装置只需设置一个频率变换器。其方框图及所要求的输入、输出特性如图3-5-2所示。图3-5-2频率变换器及其特性（2）有功功率变换器有功功率变换器是用来测量每一台发电机输出的有功功率P，并将它转换成与之线形相关的直流电压UP，即UP=KPP(3―5―1)式中：UP为有功功率变换器输出电压，与P成正比；KP为功率变换系数（V／kw）；P为发电机实际输出的有功功率。功率变换器不仅能测出U和I的幅值，而且能测出U和I的相位差，使得Up＝KPUIcosφ=KPP方框图与输入输出特性如图3-5-3所示，由于功率变换器需测量每台发电照有功功率，因此，每台发电机都需要一个功率变换器：图3-5-3功率转换器及其特性（3）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，是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的功率以及各台发电机实际承担的功率值与平均值之差。（4）调整器调整器接受频差和功差信号，并根据它们的频差和功差信号的大小和极性，输出相应的脉冲调整信号，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，从而保持电网的频率恒定。调整器原理框图如图3-5-4所示。图3-5-4调速器原理框图由于要调整每台发电机组油门的大小，因此每台发发电机组需配置一个调整器。调整器工作的特点是：判别综合信号的极性，决定调速方向，根据综合信号的大小，决定调速信号脉冲的周期（当脉冲宽度一定时）或者调速脉冲的宽度（当调速脉冲周期一定时）；使每个调节过程的第一个调整信号有适当（如5S左右）的延时，避开动态过程；应有一定的不灵敏区。当输入未超过不灵敏区时，调整器不工作，这有利于防止系统过于频繁的工作。加装自动调频调载装置后一般只要求功率分配之差在各发电机额定容定容量的±5％～±10％以内，频率差在电网额定频率的±1％。2）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，按其工作原理可分为有差调节法、虚有差法和主调发电机法等。（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定，有功负荷分配通常也不均匀。（2）虚有差法虚有差法是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的方法。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分配。虽然每台发电机组安装的调速器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，能够保证稳定的有功分配，系统能自动再次调节使频率保持恒定。虚有差法调节的调频调载系统框图如图3-5-5所示，设各机组容量相等，系统按平均分配有功功率的原则进行调整，这时各功率变换器的功率变换系数KP均相同。各单元方框的输入输出方向如图中箭头所示：当Δf＝0时，UΔf＝0；当Δf0时，UΔf0；当Δf0时，UΔf0。当USTi＞0时，Ti输出减速信号；当USTi＜0时，Ti输出加速信号。图3-5-5虚有差法调节的调频调载系统（3）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机组上装有调频器，作为主调发电材机，其任务是当负荷变化而引起电网频率出现频差时，由它再次调节改变油门，维持电网的频率为额定值，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定值，称为基载发电机因此，调频调载装置仅作为主调发电机的调频器，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速特性来实现调频。而基载发电机的调速特性为有差特性：其工作点一次整定在额定频率，达到预定的负荷后，将不会再受调频器的控制。