第十五章 频率及有功功率自动调节

船舶电气设备与系统2020/1/28第15章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一、船舶电力系统有功功率自动调整基础知识二、发电机并联运行的有功功率分配三、有功功率的转移操作四、自动调频调载装置基本原理五、自动分级卸载船舶电气设备与系统2020/1/2815.1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PT，发电机负荷功率为P，忽略内部损耗。当PT=P时输入与输出功率平衡，系统转速（即频率）不变。如果系统中的负荷突然变化使发电机输出功率增加∆PF，而由于机械惯性，原动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。返回P发电机组转子极对数n发电机组的转数（r/min）f电力系统频率（Hz）船舶电气设备与系统2020/1/28)(fFPL二、电力系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，叫负荷的功率频率特性，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化在一定的允许范围内（±0.2HZ），发电机组必需配置调速器。船舶电气设备与系统2020/1/28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“定速调速器”。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、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。三、调速器及其调速特性船舶电气设备与系统2020/1/281．调速器的结构和动作原理图15-1离心式调速器示意图1传动轴;2轴;3飞铁;4拨爪;5滑套筒;6弹簧;7杠杆;8拉杆;9涡轮涡杆;10伺服电动机;11油门控制机构船舶电气设备与系统2020/1/282．调速器的特性图15-2静态调速特性图15-3动态调速特性图15-4调速器的不灵敏区船舶电气设备与系统2020/1/281、发电机的调差系数fKP负号表示发电机输出功率的变化和频率变化符号相反。（1）瞬时调速率J：21100%ennJn（2）转速恢复到稳定值所需要时间T（如图）（3）调节特性的失灵区（如图）：由于测量元件的不灵敏性，对微小的转速变化不能反应，调速器具有一定的失灵区，因而调节特性实际上是一条具有一定宽度的带子。2、原动机的动态特性-转速与时间的变化关系。其指标有：船舶电气设备与系统2020/1/28四、单机运行时频率的调整B点：调速器一次调节，增加机组的输入功率PT。频率稳定在f2D点：调频器二次调节，增加机组的输入功率PT。频率稳定在fe船舶电气设备与系统2020/1/2815.1.2发电机并联运行的有功功率分配返回有差特性：并联运行时能随电网负荷变化自动稳定分配有功功率；理想的特性：下降的有差(下降率3%左右)，且斜率一致的特性。船舶电气设备与系统2020/1/2815.1.3有功功率的转移操作返回图15-6负荷转移图方法：通过操作调速器电动机的控制开关（在发电机控制屏上），使电动机改变调速器弹簧预紧力，使特性上下平移。转移负载时必须同时向反方向调节两机组的调速控制开关，才能保持电网频率不变。船舶电气设备与系统2020/1/2815.2自动调频调载原理一、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）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。返回自动调频调载装置的主要作用：1.按比例分配并联运行发电机负荷,保持电网频率恒定；2.解列时自动转移负荷。船舶电气设备与系统2020/1/281．频率变换器它用来检测电网的实际频率f，并将测量值f与额定频率fe进行比较得出偏差∆f，频率变换器将∆f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。图15-9为频率变换器及其特性，图15-10为基于波形变换的频率变换器的原理图。efff2．有功功率变换器图15-11图15-12有功功率变换器：每台机都需要检测有功功率。获得一个与发电机实际有功功率成正比的电压信号。船舶电气设备与系统2020/1/28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功率值与平均值之差。11()nPPiPiiUKPKPPn3．有功功率分配器4．调整器图15-13有功功率分配器根据的大小和方向发出相应的调节信号PU调整器功能：根据运算环节送来的频差和功率差控制发电机调速器马达。具体：1.能判断并决定调速方向；2.适当延时避开动态过程；3.有一定的不灵敏区。原理框图船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-9频率变换器及其特性船舶电气设备与系统2020/1/28返回基于波形变换式：T0固定，频率小于额定值，负半波比正半波宽，频差为负，平均值也为负；反之则为正。00.eeEUfffff变换后输出电压与电网电压的频率偏差值成正比，而与电网电压的大小无关。船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-11功率变换器及其特性cosPPUKUIKP船舶电气设备与系统2020/1/28TATVuviuiupup***R1R212取平均值电路uvuiuωtφ0图15-12单相功率变换器原理电路返回实际船舶采用两个单相变送器测量三相功率，即用两个瓦特表法测三相电功率。注意：整流桥起电子开关作用。船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-13调整器方框图船舶电气设备与系统2020/1/2815.2.2自动调频调载方法1．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．虚有差法图15-14是对频差和功率差进行调节的控制系统1）频率的调整图15-14图15-152）有功功率分配的调整图15-14图15-16定义：协助调速器来恒定频率和功率分配。包括：有差调节法、虚有差法、主调发电机法船舶电气设备与系统2020/1/283．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。船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-14虚有差法方框图该调节法是在调整过程中是有差的，但调整结果是无差的。船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-15均功时系统的等效电路船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-16恒频时系统的等效电路船舶电气设备与系统2020/1/2815.2.3自动分级卸载返回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，图15-17为一种自动分级卸载装置（ZFX一1型）的原理框图。船舶电气设备与系统2020/1/28返回图15-17ZFX一1型自动分级卸载装置原理图船舶电气设备与系统2020/1/28ZFX-1型：综合保护装置，可作为发电机：1.过载保护；2.欠压保护。使发电机分励脱扣动作跳闸。组成：电流信号变换、检测、两级卸载、过载反时限跳闸，电压检测、延时切断，电源等。原理：电流为110%Ie（额定电流）开始延时（5~8s），延时到第一级卸载；若过载仍未消除则继续延时（8~17s），延时再到第二级卸载；仍然过载则立即使发电机主开关跳闸。若外部短路电流则立即跳闸。欠压（电压低于50%-60%额定电压）则延时1～3秒跳闸。