浙江國際海運天津海運職業(yè)學(xué)院第二節(jié)采用計算機控制的船舶電站系統(tǒng)主講：馬喜仲一、采用計算機控制的船舶電站系統(tǒng)的組成和功能

以微機控制三臺發(fā)電機組成的電站為例（其單線原理見圖1-2-1），概括地說明微機在電站自動控制系統(tǒng)中所占的地位以及能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能，并非固定模式。隨著自動電站的進一步發(fā)展以及微型計算機的應(yīng)用，已使電站自動控制系統(tǒng)的功能更加完善。圖1-2-1微機控制電站單線原理圖

返回自動電站的計算機軟件系統(tǒng)能完成下列10種控制功能：（1）母線電壓自動控制（AVC）。（2）發(fā)電機無功功率自動控制（ARPC）。（3）母線頻率自動控制（AFC）。（4）發(fā)電機有功功率自動控制（APC）。（5）發(fā)電機自動準(zhǔn)同步并車控制（ASYC）。（6）故障機組自動解列（ACC）。（7）負(fù)載分級切除（PTC）。（8）發(fā)電機運行臺數(shù)控制（ARC）。（9）原動機自動啟動（EASC）。（10）故障監(jiān)視及報警（MONIT）。（一）電壓與無功功率的自動調(diào)節(jié)

維持供電電壓的穩(wěn)定是保證供電質(zhì)量的主要措施之一。然而，電網(wǎng)電壓是會經(jīng)常變化的，船舶電網(wǎng)電壓波動比陸上大電網(wǎng)電壓波動更為嚴(yán)重，其電壓是否穩(wěn)定取決于發(fā)電機的自動勵磁調(diào)整裝置（自動電壓調(diào)節(jié)器）性能。勵磁控制系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部分，它的主要任務(wù)是根據(jù)發(fā)電機的各種運行狀態(tài)，維持同步發(fā)電機的端電壓恒定（額定電壓），合理分配發(fā)電機間的無功功率，在船舶電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，有強行勵磁功能，加速短路后恢復(fù)速度，保持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。引起電網(wǎng)電壓波動的主要原因是負(fù)載變動。負(fù)載電流幅值變化或負(fù)載性質(zhì)變化都將引起發(fā)電機的電樞反應(yīng)發(fā)生變化，從而引起發(fā)電機端電壓的變化。船舶負(fù)載多是感性的，且變化無規(guī)律。

返回影響電網(wǎng)電壓的因素發(fā)電機電壓平衡方程：U=E–jIXE=4.44NfΦ1、引起電壓波動的主要原因是負(fù)載變動。（電樞反應(yīng)）E不變，I變化時,U變化。2、發(fā)電機f變化，磁通Φ變化，引起E變化，從而引起U變化。（溫度也有可能影響）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小進行恒壓控制。

電壓自動調(diào)整裝置既可以調(diào)整電壓，又可以進行無功功率的分配?；诖肮ぷ鳝h(huán)境的特殊性，對自動勵磁調(diào)整裝置的基本要求是：簡單可靠；靈敏度高而穩(wěn)定；保證電壓為給定水平；具有一定的強行勵磁能力；合理地分配無功功率以及充分地考慮經(jīng)濟等方面的因素。在一般穩(wěn)定調(diào)整的情況下，船舶電力系統(tǒng)電壓的暫態(tài)調(diào)整過程如圖1-2-2所示。

1、對船用自動勵磁裝置的要求返回圖1-2-2船舶電力系統(tǒng)電壓暫態(tài)調(diào)整特性曲線（1）靜態(tài)和動態(tài)特性的要求當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時，在不同的負(fù)載下，調(diào)壓器應(yīng)保證穩(wěn)定狀態(tài)時的電壓在允許的范圍內(nèi)。這個靜態(tài)指標(biāo)，用靜態(tài)電壓調(diào)整率

ΔUW

來衡量。當(dāng)較大負(fù)載突變時，瞬時電壓變化很大，此瞬時電壓也要在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)，而且恢復(fù)的時間越快越好。這個動態(tài)指標(biāo)，用動態(tài)電壓調(diào)整率和電壓恢復(fù)時間來衡量?！朵撝坪４爰壱?guī)范》

發(fā)電機從空載到滿載，功率因素保持為額定值，主發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化率在±2.5%以內(nèi)，應(yīng)急主發(fā)電機的靜態(tài)電壓變化率在±3.5%以內(nèi)?！?/p>

發(fā)電機突加或突減60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4（滯后）的對稱負(fù)載時，當(dāng)電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%；當(dāng)電壓上升時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不超過額定電壓的120%，而電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差3%以內(nèi)所需時間應(yīng)不超過15s。（2）強行勵磁由提高發(fā)電機并聯(lián)工作穩(wěn)定性和電動機運行穩(wěn)定性以及繼電保護裝置動作的準(zhǔn)確性等動態(tài)穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，要求調(diào)壓器的動作要迅速。解決這個問題的方法之一就是實行強行勵磁。也就是要求勵磁系統(tǒng)應(yīng)能保證最短的時間內(nèi)，把勵磁電流升高到超過額定狀態(tài)時的最大值，以使發(fā)電機的電壓迅速得到恢復(fù)。（3）電磁兼容性這是描述電氣設(shè)備在規(guī)定的電磁環(huán)境中有效工作的能力。對勵磁裝置的電磁兼容性要求主要體現(xiàn)在不干擾其它設(shè)備的正常工作這一方面。（4）自勵起壓性能這是對自勵類型的勵磁裝置的要求。保證發(fā)電機依靠剩磁從靜止起動后能迅速順利地發(fā)出規(guī)定的電壓。自勵類型的勵磁裝置應(yīng)用最為普遍。（5）自勵恒壓裝置的分類①按發(fā)電機電壓偏差調(diào)節(jié)發(fā)電機在運行中,由于某種原因使得發(fā)電機輸出電壓與給定的電壓出現(xiàn)偏差時,調(diào)節(jié)器將根據(jù)偏差電壓的大小和極性輸出校正信號,對發(fā)電機勵磁電流進行調(diào)節(jié)。由于被檢測量和被調(diào)量都是發(fā)電機端電壓，恒壓裝置與發(fā)電機構(gòu)成一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)特性比較好，靜態(tài)電壓調(diào)整率一般均在土1％以內(nèi)。晶閘管自勵恒壓裝置屬于這種類型。②按負(fù)載電流I和功率因數(shù)調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓的波動,是由于負(fù)荷的變化和故障所引起。如果被測量是發(fā)電機的負(fù)載電流I及功率因數(shù)，再經(jīng)調(diào)壓器去調(diào)節(jié)勵磁電流來穩(wěn)定發(fā)電機電壓，這時被測量和被調(diào)量不同，故構(gòu)成一個開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)特性比較差，但動態(tài)特性較好。不可控相復(fù)勵自勵恒壓裝置屬于這種類型。2、交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)特性的基本概念

當(dāng)兩臺并聯(lián)運行發(fā)電機的電壓不相等,而頻率、相位相等時,則在兩機組之間將產(chǎn)生一個無功性質(zhì)的環(huán)流,其結(jié)果將使電壓較高的發(fā)電機輸出無功功率增大,而電壓較低的發(fā)電機輸出的無功功率減少（發(fā)電機負(fù)載電流功率因數(shù)低的,無功功率大；功率因數(shù)高的,則無功功率?。Ｓ纱丝梢?當(dāng)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時,通過改變發(fā)電機的勵磁電流來調(diào)節(jié)其電勢,即能調(diào)整無功輸出、實現(xiàn)無功功率轉(zhuǎn)移。通常同步發(fā)電機都配有自勵恒壓裝置來自動調(diào)整發(fā)電機的電壓，因此同步發(fā)電機有一定的電壓調(diào)整規(guī)律，也稱電壓調(diào)整特性。

圖1-2-3為電壓調(diào)整曲線（電機端電壓UG隨無功電流IQ變化的規(guī)律）

圖14-28為并聯(lián)運行無功功率分配返回返回圖1-2-3電壓調(diào)整特性曲線圖14-28并聯(lián)運行無功功率分配調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流達(dá)到無功功率的調(diào)節(jié)。為了維持電網(wǎng)電壓不變，應(yīng)該兩臺同時反方向調(diào)節(jié)。分配與調(diào)壓器特性有關(guān)。

調(diào)壓特性：調(diào)壓器特性有兩種，無差特性和有差特性。

穩(wěn)定要求：調(diào)壓特性都為有差特性，且兩特性應(yīng)盡量一致。特性不一致，無功功率分配不均；若為無差特性或上翹特性則不均且不穩(wěn)定。

電壓調(diào)差系數(shù)Kc=tanα，Kc大于0，通常可整定在5%以內(nèi)。3、并聯(lián)運行機組對各臺發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)特性的要求

并聯(lián)運行發(fā)電機間無功功率分配的關(guān)系，主要由電壓調(diào)節(jié)特性曲線決定。也就是說，同步發(fā)電機間無功功率的自動分配，實際是通過自動電壓調(diào)整器自動調(diào)整勵磁電流，以調(diào)整發(fā)電機端電壓的辦法來實現(xiàn)的。

因此，自動電壓調(diào)整器不僅擔(dān)負(fù)著自動調(diào)整電壓的任務(wù)，還擔(dān)負(fù)著自動調(diào)整分配無功功率的任務(wù)。無功功率自動分配□

無功分配不均危害：銅損增加、效率下降、并聯(lián)穩(wěn)定性下降（一臺易過載保護，從而都跳閘）?！?/p>

《規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)負(fù)載在總額定功率20～100%范圍變化時，應(yīng)能穩(wěn)定運行。功率分配誤差應(yīng)符合：實際承擔(dān)無功功率與按額定功率分配比例的計算值之差，應(yīng)不超過最大發(fā)電機額定無功功率的±10%。判斷兩機之間的無功功率分配是否均勻，可以采用以下兩種方法：（1）機組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機功率表（有功）指示基本相同而電流表指示相差太大時，說明無功分配裝置存在故障；（2）機組并聯(lián)運行，兩臺發(fā)電機功率表（有功）指示基本相同而功率因數(shù)表(cosφ表)指示相差較大時,說明無功分配裝置存在故障。在發(fā)電機并聯(lián)運行時，其無功功率的分配是由自動電壓調(diào)整器來自動完成的。但是如果電器元件出現(xiàn)故障，也會使無功分配裝置出現(xiàn)故障。（二）頻率與有功功率的自動調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)頻率波動的原因及其影響電網(wǎng)頻率與發(fā)電機組轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系式：設(shè)原動機輸出功率為PT，發(fā)電機負(fù)荷功率為PF，忽略內(nèi)部損耗。當(dāng)PT=P時輸入與輸出功率平衡，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速（即頻率）不變。如果系統(tǒng)中的負(fù)荷突然變化使發(fā)電機輸出功率增加?PF，而由于機械慣性，原動機的輸入功率還來不及變化，這時，為了保持功率平衡，機組把轉(zhuǎn)子的一部分動能轉(zhuǎn)換成電功率，使機組轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)頻率下降。可見系統(tǒng)頻率的變化，是由于發(fā)電機的負(fù)荷功率與原動機輸出功率之間失去平衡所致。

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白熾燈、電熱器、整流器壓縮機、機床等通風(fēng)機、各種泵等PL=F(f)P與f無直接關(guān)系

P與f成正比

P與f的三次方成正比電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時，整個系統(tǒng)的負(fù)荷功率也隨之改變，即在電力系統(tǒng)中功率平衡被破壞引起頻率變化時，負(fù)載吸收功率的變化起著補償?shù)淖饔?，使系統(tǒng)能在另一個頻率值下得到新的平衡，這種現(xiàn)象稱為電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)。負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)，對于限制系統(tǒng)頻率變化是有利的，但只依靠這個效應(yīng)，頻率的變化將是很大的。為了保證系統(tǒng)的頻率變化在一定的允許范圍內(nèi)，發(fā)電機組必需配置調(diào)速器。《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》

對頻率（轉(zhuǎn)速）和有功功率的分配要求：帶動發(fā)電機的柴油機須裝有調(diào)速器。當(dāng)加上或卸去最大梯級負(fù)荷時，電網(wǎng)的瞬時頻率變化率應(yīng)不大于額定頻率的10%，恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時間不超過5s。電力系統(tǒng)要求頻率能維持在一定范圍之內(nèi)，因此調(diào)速器應(yīng)是一種“定速調(diào)速器”。即通過調(diào)速器調(diào)節(jié)維持原動機轉(zhuǎn)速不變。調(diào)速器種類有機械式、液壓式和電子式等。但無論哪種型式，其工作原理都是測出偏差后，根據(jù)偏差的大小和極性去調(diào)節(jié)原動機，使原動機在負(fù)載從零到額定值范圍內(nèi)變化時，維持轉(zhuǎn)速在允許的范圍內(nèi)。調(diào)速器及其調(diào)速特性調(diào)速器的結(jié)構(gòu)和動作原理

圖15-1離心式調(diào)速器示意圖1傳動軸;2軸;3飛鐵;4撥爪;5滑套筒;6彈簧;7杠桿;8拉桿;9渦輪渦桿;10伺服電動機;11油門控制機構(gòu)（1）調(diào)速器的特性圖1-2-6靜態(tài)調(diào)速特性圖15-3動態(tài)調(diào)速特性圖15-4調(diào)速器的不靈敏區(qū)圖1-2-7有差特性調(diào)速器單機運行時頻率的調(diào)節(jié)過程單機運行時頻率的調(diào)整調(diào)速器的靜態(tài)調(diào)速特性概念：機組轉(zhuǎn)速n或頻率（f）與有功功率P之間的關(guān)系。調(diào)差系數(shù)：

K=-Δf/ΔP負(fù)號表示兩者變化相反原動機的動態(tài)特性

①瞬時調(diào)速率JJ=n2-n1/nN×100%船舶要求：J＜10%。②轉(zhuǎn)速恢復(fù)到穩(wěn)定值所需時間T要求：T＜5s。③調(diào)速特性的失靈區(qū)調(diào)速器本身機構(gòu)間隙引起，控制在合理范圍內(nèi)。（2）發(fā)電機并聯(lián)運行的有功功率分配返回圖1-2-8不同調(diào)速特性發(fā)電機的并聯(lián)運行有功功率分配□有差特性：

并聯(lián)運行時能隨電網(wǎng)負(fù)荷變化自動穩(wěn)定分配有功功率□無差特性：不能并聯(lián)運行，—從無差特性可以看出，若兩條都為無差特性，則無穩(wěn)定工作點?！跻慌_有差另一臺無差：負(fù)荷變化時，有差承受的負(fù)荷不變，所有負(fù)荷變化都由無差承擔(dān)理想的特性曲線

要使兩機之間的功率能夠按容量成比例分配，只有兩特性曲線的斜率一致。實際總是存在差別。要求：特性曲線的下降率應(yīng)在3%左右，不超過5%，以保證有功功率分配偏差在10%以內(nèi)。有功功率的轉(zhuǎn)移操作

返回圖15-8負(fù)荷轉(zhuǎn)移圖（3）自動調(diào)頻調(diào)載裝置自動調(diào)頻調(diào)載裝置的基本功能能自動維持電力系統(tǒng)頻率為額定值；能按參與并聯(lián)運行各發(fā)電機組的容量以既定比例或其他既定自動方式控制負(fù)荷分配；接到“解列”指令時，能自動控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移，待其負(fù)荷接近零時，使其發(fā)電機的斷路器自動分閘。返回（3）自動調(diào)頻調(diào)載裝置①自動調(diào)頻調(diào)載裝置的原理調(diào)整原動機轉(zhuǎn)速及機組的負(fù)荷，需要根據(jù)轉(zhuǎn)速（頻率）和負(fù)載（功率）的信號來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。盡管目前自動調(diào)頻調(diào)載裝置的品種很多，并且還在不斷的更新?lián)Q代，但基本環(huán)節(jié)都是由頻率變換器、有功功率變換器、有功功率分配器和調(diào)整器等組成。返回a．頻率變換器它用來檢測電網(wǎng)的實際頻率f，并將測量值f與額定頻率fe進行比較得出偏差?f，頻率變換器將?f變換為相應(yīng)的與頻差成正比的直流電壓信號，送到調(diào)整系統(tǒng)去進行綜合比較。每一套自動調(diào)頻調(diào)載裝置只需設(shè)置一個頻率變換器。圖15-9為頻率變換器及其特性。b．有功功率變換器它用來測量每一臺發(fā)電機輸出的有功功率P，并將它轉(zhuǎn)換成與之線性相關(guān)的直流電壓Up。每臺發(fā)電機都需要一個功率變換器。圖15-11返回圖15-9頻率變換器及其特性返回圖15-11功率變換器及其特性c．有功功率分配器

有功功率分配器是一種有功分配運算電路，為實現(xiàn)按比例或均勻分配有功功率而設(shè)置的。運算環(huán)節(jié)主要由比較放大器和加法器組成，它的作用是根據(jù)電網(wǎng)總的功率，計算每臺發(fā)電機應(yīng)承擔(dān)功率以及各臺發(fā)電機實際承擔(dān)的功率值與平均值之差。d．調(diào)整器

每臺發(fā)電機組需配置一個調(diào)整器。圖15-13

調(diào)整器功能：根據(jù)運算環(huán)節(jié)送來的頻差和功率差控制發(fā)電機調(diào)速器馬達(dá)。具體：1.能判斷并決定調(diào)速方向；2.適當(dāng)延時避開動態(tài)過程；3.有一定的不靈敏區(qū)。

圖15-13調(diào)整器方框圖②自動調(diào)頻調(diào)載方法a．有差調(diào)節(jié)法有差調(diào)節(jié)法，如上節(jié)所述，是僅依賴有差調(diào)速特性的調(diào)速器來穩(wěn)定電網(wǎng)的頻率和有功負(fù)荷分配的方法。這種方法沒有外加的再調(diào)節(jié)，因此不能保持頻率恒定，有功負(fù)荷分配通常也不均勻。b．虛有差法系統(tǒng)能自動再次調(diào)節(jié)使頻率保持恒定。c．主調(diào)發(fā)電機法主調(diào)發(fā)電機法，是指在并聯(lián)運行的發(fā)電機組中有一臺機組上裝有調(diào)頻器，作為主調(diào)發(fā)電機，其任務(wù)是當(dāng)負(fù)荷變化而引起電網(wǎng)頻率出現(xiàn)頻差時，由它再次調(diào)節(jié)改變油門，維持電網(wǎng)的頻率為額定值，并承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷的變化量。而其余的發(fā)電機則總是保持運行于接近額定值，稱為基載發(fā)電機。（三）交流發(fā)電機的自動并車控制

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對并車操作的基本要求：一是并車過程中沖擊電流不能超過允許值；二是發(fā)電機投入電網(wǎng)后能迅速拉入同步。1、準(zhǔn)同步并車方式是目前船舶上普遍采用的一種并車方法。為了使并聯(lián)運行的交流同步發(fā)電機保持穩(wěn)定地工作，每臺并聯(lián)運行的發(fā)電機必須滿足如下4個條件：（1）待并機組的相序與運行機組（或電網(wǎng)）的相序一致；（2）待并機組的電壓與運行機組（或電網(wǎng)）的電壓大小相等；（3）待并機組電壓的初相位與運行機組（或電網(wǎng)）電壓的相位相同；（4）待并機組電壓的頻率與運行機組（或電網(wǎng)）電壓的頻率大小相等。條件一：一般并車操作時，電壓差不得超過額定電壓的10%。條件二：為了減少沖擊電流，一般并車操作時要求相位差小于15°。條件三：通常