第章船舶电力系统频率及有功功率自动调节

2019/7/18
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3).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：增加的功率 全部由无误差特性机承担， 若负荷超过该机额定值可 引起过载跳闸。 当负荷减小：无误差特性 机将减小输出功率，有可 能导致另一机过载跳闸。 也无法并联运行。
负荷减小 负荷增加
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船舶电站及其自动化系统
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船舶同步发电机功率和转矩的关系为
P M
标么值表示的发电机功率平衡方程式可表示为
P*

Pf
*

P*
Te
d dt
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频率也是电能质量的重要指标之一
负载变化时，要保持频率恒定，应相应地调整原动机 的油门，保持功率平衡。
在船舶电力系统中，频率的调整及有功功率分配均依 赖于原动机调速器的调节。
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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。在电网的频 率保持不变的情况下，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，也要按上述操作进行功率 按发电机容量比例均匀分配。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，使频率上升或下降。
P KP Kn2
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单机运行时，手动调频的情况
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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1将向上平移到曲线2。若减小弹簧预紧 力，则特性向下平移，如图中的曲线3 。
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5 并联运行机组间有功功率的转移和分配 1).两台发电机具有有差特性,斜率不一致。
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负载增加
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相反若由于某种原因使转速降 低，则飞铁的离心力变小、平 衡又被打破， 此时弹簧6的压 力大于离心力的作用，滑套下 移，于是油门加大，阻止了转 速进一步下降，又达到了一个 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 转速范围内。
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第4章 船舶电力系统频率及有功功率自动调节
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改变并联运行的发电机有功功率的分配，是通过 改变各台发电机原动机的油门的大小，以改变单 位时间内进入气缸的燃油量来实现的。
并联机组有功功率分配与电力系统频率调整密切 相联系。
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船舶电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可分为如 下几种类型:
(1)功率与频率无直接关系的负荷。 如:白炽照明，电热，整流器等。
(2)功率与频率成正比的负荷。 如:机床，压缩机，卷扬机等，其转矩基本恒定。
(3)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。
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第1节 频率及有功功率的自动调节
1 船舶电力系统频率变化的原因
船舶同步发电机频率和原动机转速的关系是
f pn 60
发电机运行时的转矩平衡方程式为
Mm

Me

M

J
d dt
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(2)当 TT TF， df 0 时,系统处于加速运行，即动态。 dt
(3)当 TT TF， df 0 时,系统处于减速运行，即动态。 dt
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规范规定：船用电器设备在电源频率波动稳态值 达±5％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±0.2Hz以内。
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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—致。由于调速器特性总是 存在一定的差别，为了使电网频率不致随负载变 化过大，又要使功率稳定的分配，特性曲线的下 降率应在3％左右，不超过5％，以保证有功分配 偏差在10％以内。
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1） 离心式调速器基本结构
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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：调速器电机 11：油门控制结构
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2）离心式调速器基本原理
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采用带有差调速特性的机组并联，并实现功率 分配和稳定电网频率是最简单的调频方法，称 为“有差调节法”。
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有功功率的转移操作
设一号发电机运行于A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，处于空载状态，运
二次调节
对有差调速特性的调速器来说，功率变化时仅靠调 速器的一次调节不能维持频率不变，如果希望维持 发电机的频率在额定值，还必需适当地调节调速器 弹簧的预紧力，改变油门的开度，这种改变弹簧予 紧力的调节称调速器的二次调节。
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调速器二次调节是通过手动或自动控制调速器伺 服电动机的正反转，改变调速器弹簧的予紧力， 使调速特性上下平移，实现频率和机组功率的分 配的调节过程。
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TT
TF

J
d
dt
PT PF
J d
dt
2 Jf
d 2 f
dt
4 2Jf
df dt
原动机输入功率为PT，发电机负荷功率为PF
(1)当
TT TF ，
df dt
0 时,静止或恒转速运行，即稳态。
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按实际转速与给定转速（弹簧予紧力）之差，自动 调节油门，维持原动机接近定速运行。
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平衡状态
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柴油机运行时， 通过齿轮传动 机构带动调速器的传动轴1将转 速传到轴2，使飞铁3绕轴2旋 转，飞铁在离心力作用下，力 图张开，并将滑套5向上顶， 压缩弹簧6， 直到与弹簧6产 生的反作用力相平衡， 这时滑 套5将处于某一平衡位置，通过 杠杆7、拉杆8， 将油门拉到 一定的开度，使柴油机有一定 大小的喷油量，机组在一定转 速下运行，此时的调速器处于 一种平衡状态。
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转移过程: 为保持电网的频率稳定，在转移负载 时， 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，需增大二号发电机组的油 门，使特性曲线2向上平移到特性曲线(2); 同时 减少一号发电机组的油门，使特性曲线1向下平 移到特性曲线(1)， 并与曲线2交于C点。两特性 曲线(1)和(2)的交点C说明两台机组的频率均为fe， 而两台机组各自分担的功率均为P1/ 2 。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。
行于B点。
操作步骤：
f
C
A
在转移负载时，为
f0 B
保持电网的频率不
1
变，必须同时向相
(1) 反方向调节两机组
(2)
的调速控制开关
2
P/2
P
P
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2号机单独加速，电网频率增加
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f
f0’ f0 B
A
1 (2) 2
P2 P1 P
f0’> f0
P
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降，各机组的调节过程将沿各
自的调速特性进行。当频率下
降到f1，若各机组发出的功率总 和增加到与电力系统的负载在
这一频率f1下吸收的功率相等时， 则达到了新的平衡。这时，一
号机工作于A1点，二号机工作于 A2点，两机各自承担的功率分别 为P1’和P2’。
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f P1 Kn1
在两台机组均功后，当 负荷变化时，功率分配 不均匀
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2).两台发电机具有无差特性。
两台机组间，有功功率 随机分配，可导致逆功 率跳闸或过载跳闸。在 无功率分配控制系统作 用下无法并联运行。
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通过伺服电动机，经蜗轮蜗 杆传动，可以将弹簧6事先压 紧到一定的程度；弹簧“预 紧”是通过配电盘上的手动 调速开关接通伺服电动机进 行的操作。预紧力越大，滑 套越被压向下移，对应的油 门开度越大， 反之油门开度 越小。
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负载减少
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若由于某种原因破坏了调速器 的平衡，譬如负载减少、机组 转速升高，则飞铁的离心力增 大、张开的角度将更大，引起 滑套5上移。在滑套上移的过程 中，通过杠杆、拉杆、使油门 减小，转速就被阻止进一步增 加。同时，因为滑套的上移压 缩了弹簧6，其反作用力也将增 加，直到与离心力的作用平衡， 滑套5就停止上移。到此，调速 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。
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负荷调节效应
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。
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。
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2号机单独减速，电网频率降低
f
A
f0
F0’
1
2
(2)
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P2 P/2 P1
f0’< f0
P
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开始时，系统运行于 A点，即P1 ＝P2＝Pfz／2，f＝fe，当系统负 荷增加Δ P时，电网的频率将下
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3）调速器的调速特性
稳态特性
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倾斜度可用调差系数K来表示
K


f 2－f 1 P2－P1


f P
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动态特性
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(1)瞬时调速率J
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n1
J n2 n1 100 % ne
(2)转速恢复到稳定值所需时间 T要求 ；转速恢复过程， 应当 没有振荡。
n2 船舶要求: J＜±10％
T＜5秒
(3)调速特性的失灵区(灵敏度)：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。失灵区太 大功率分配产生误差，太小频繁调节。
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4 单机运行时频率的调整
一次调节 当发电机的有功负荷变化时，将引起频率的变化， 由于调速器的作用，依靠调速器的固有调速特性自 动调节油门的大小，从而维持发电机的频率（转速） 在一定的范围内，这种调节过程通常称为调速器的 “一次调节”。
f P2 Kn2
P P1 P2
f f f
Kn1
Kn2
KP
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KP
1
1
1
Kn1 Kn2
f KPP
P1

f K n1
P KP K n1
f P2 Kn2
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3 调速器基本原理及特性
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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。
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“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。
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2 船舶电力系统负荷调节效应
负荷功率随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特 性，属于负荷的静态频率特性。
船舶电力系统负载从电网吸收的有功功率与频率的关 系一般表示为
P F( f )
Pk fn
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