1、1,第八章船舶同步發電機的併車,2,第一節 概述,為了滿足船舶供電的可靠性和經濟性，一般的船舶電站均裝設有兩台以上的同步發電機組作為主電源。兩台以上的發電機同時向電網供電，叫做發電機組的並聯運行，把發電機組投入並聯運行的過程稱為併車。,3,通常有三種情況需要併車操作:為滿足電網負荷的需求，當單機負荷達到80%額容量時，且負荷仍可能增加，這時就要考慮並聯另一台發電機；當船舶處於進出港、靠離碼頭或進出狹窄水道等的機動航行狀態時，為了航行的安全，需要通過併車運行；當用備用機組替換下運行供電的機組時，為了保證不中斷供電，需要通過併車運行替換。,4,同步發電機組的併車方式分為兩類:準同步方式和自同步方式
2、1.準同步併車準同步併車方式是目前船舶上普遍採用的一種併車方式，要求待併機組和運行機組兩者的電壓、頻率和相位都要調整到十分接近的時候，才允許和上待併發電機主開關。採用這一方式進行併車引起的衝擊電流、衝擊轉矩和母線電壓下降都很小。最嚴重時可與機端三相短路電流相同，所以併車操作應嚴格而細心，這是準同步併車方式的缺點。,5,2.自同步併車自同步併車較準同步併車簡單，它的操作過程如下。原動機將未經勵磁的發電機轉速帶到接近同步轉速時，立即將發電機主開關合閘，並給發電機加上勵磁，依靠機組間自整步作用而拉入同步。,6,第二節 同步發電機的併車條件,將一台發電機投入電網並聯運行時，不能隨便將待併發電機的開關與
3、電網接通，不然會導致併車失敗，嚴重時會導致全船斷電，機組也將受到電磁和機械的有害衝擊。所以要求併車時應使合閘衝擊電流最小，合閘後應能很快進入同步運行。為此併車必須滿足一定的條件。,7,一.理想的併車條件理想並車條件是待併機的電壓 與運行機(或電網)的電壓 之間需同時滿足如下列條件:電壓的有效值相等，即U1=U2；頻率相等，即f1=f2；相位或初相角，即1=2；相序一致。符合上述條件，則待併發電機的電壓相量與電網的電壓相量重合，而且同步運行。此時併車，衝擊電流最小，這就是準同步的理想情況，把上述電壓相等、頻率相等和相位一致的併車條件稱為理想的併車條件。,8,二.併車條件的分析按電壓相等、頻率相等
4、和相位相等的併車條件，下面分析如果這些條件不滿足的情形及產生的影響。1.假設頻率相等、初相位相等，但電壓不等由於三相電路是對稱的，故可以只分析一相的情況。兩台機組併車時的等值電路，見圖1(a)。QF1已合上、G1已經在運行、代表電網。當電壓不相等時投入G2，在開關QFF兩端 。如果這時合閘，在兩台發電機之間就可產生一個稱為平衡電流的環流 。因為環流迴路主要是感抗，故 滯後 約90。，其向量圖見圖1(b)所示。,9,10,這一環流將對兩台發電機產生均壓的作用，這是由於 的參考方向是一致的，故對於G2的繞組， 相對於G2輸出的無功電流，它產生的電樞反應起到”去磁”作用，將使G2的端電壓比並聯之前的
5、 有所降低。但對於G1， 反方向(圖1(b)， 的正方向一致。因此， 相對於G1吸收的無功電流。其電樞反應起到”增磁”作用，使G1的端電壓比併車之前的 有所升高。這樣在環流 的作用下，原來電壓相對低的 增高；同時原來電壓相對高的 降低，最終使兩台發電機並聯運行在同一電壓 上。,11,反之，當待併發電機電壓 小於運行發電機電壓 時，則開關兩端產生的電壓差 的相位也相反，而環流 產生的電樞反應將使運行發電機G1端電壓下降，使待併發電機G2端電壓上升，從而使兩者電壓相等。因為發電機併車時等值電抗很小，在電壓差較大的情況下併車時，迴路中的阻抗主要為發電機的次暫態(超瞬變)電抗 ，它比穩定時的發電機電抗
6、小的多。因此，不大的電壓差也會產生很大的衝擊電流，所以在實際併車操作中要注意電壓差不得大於10%，即 。,12,2.假設電壓相等、頻率相等，但相位不相等如果待併發電機電壓 的相位超前於運行發電機電壓 的相位為=2-1 。由於f1=f2，則相位差在併車前任何瞬間均保持不變。它們的向量圖，如圖所示。即使在電壓數值U1=U2=U時併車，其開關的動靜觸頭之間仍然存在有電壓差 ，其大小可以三角函數得知，即,13,14,由於 與 同相，故發電機G2在併車瞬間將輸出有功功率，即G2是做作為發電機運行的，在軸上將產生制動力距。同時，對G1來說，因 反相位，故在併車瞬間吸收有功功率，即G1是作為電動運行的，在軸
7、上將產生驅動力距。二者作用的結果是：G2加速、G1減速，將使兩台發電機達到相位一致而進入同步運行狀態。同步發電機內部的這種作用稱為”自整步”作用。而環流的無功分量 滯後於 ，對G2和G1均起”去磁”作用，使發電機的端變壓有所下降。,15,如果併車時相差太大，則過大的 將在併車時產生很大的衝擊電流，在發電機軸上也會產生較大的衝擊電距。由於船用同步發電機轉子的轉動慣量不大，在這種衝擊轉矩的作用下，兩機組的轉子間可能產生極大幅度的相對擺動(即所謂”震盪”)，或者由於自整步作用不足以克服兩機組間太大的相位差，最終失步而形成逆功率跳閘，甚至造成機組損壞。所以採用準同步併車時，一般要限制相差在15以內，即
8、,16,3.假設電壓相等、相位相等，但頻率不相等如圖4所示，當合閘瞬間t=0時，兩台發電機的電壓向量是重合的。但是過t時間後，因為f1f2，所以 向量將超前 一個角度，相位差=2(f1-f2)t，同樣產生一個電壓差 ，其結果與前一情況類似，也會出現環流。如果併車時兩機組頻率相差不大，但由於自整步的作用，能互相拉入同步。但如果兩機組間頻率相差太大，則由於自整步的作用不夠，將造成失步而跳閘，嚴重時可能造成全船斷電。所以，在併車時希望控制頻差在f0.5Hz以內，為安全可靠。,17,18,三.實際的併車條件從上面分析可知，當併車時的任一條件不能滿足要求時，發電機間必將產生衝擊電流。當衝擊電流在許可的範
9、圍內，它能幫助同步發電機在併車過程中拉入同步；但當併車條件超過允許的範圍，過大的衝擊電流可能導致併車失敗或者使系統電壓下降，甚至出現斷電損壞機組等事故，這些都是要避免的。實際併車操作遇到的條件，則是上述三種情況的綜合及電壓幅值、頻率和相位均存在偏差，必須限制偏差才能保證併車的成功。否則會破壞電網的正常運行，造成電網設備和發電機組(包括原動機)的損壞。,19,理論上講併車三條件是:電壓幅值相等、頻率一致、相位差為零。實際上在待併發電機與電網之間總存在誤差，事實上絕對的理想併車條件，在現實中是無法找到的。因此，實際的併車條件應是既可以成功實現併車，又不至於造成發電機組損壞的併車條件。經理論和實際證
10、明，實用的併車條件為即電壓有效值偏差在10%以內；頻率偏差在1%以內(或頻差週期大於2秒)；相位差在15電角度以內。,20,第三節 同步檢測,當交流發電機併車時，為了觀察電壓、頻率是否接近，可以通過電壓與頻率表來實現。同時，為了檢測各台發電機的相角是否一致，除可以採用同步指示燈法來確定外，通常均採用整步表來指示整步時的頻率差和相角差。,21,一.同步指示器同步指示器又被稱為同步表或整步表1.電磁式同步指示器電磁式同步指示器結構和原理如圖5和圖6所示。它有定子三相線組和轉子勵磁線圈，固定在底盤上。最中央是轉軸，轉軸的上下各有一塊同樣大小的扇形鐵片形成的Z型鐵芯。轉軸的上端有指針，轉軸上無線圈，它
11、的兩頭通過寶石軸承加以固定，可以自由轉動。同步表設有游絲和導電片，因此設有反作用力距，指針可以360。自由轉動。,22,23,24,在工作時，定子繞組接在待併發電機的U、V、W三相電壓上，產生一個徑向旋轉磁場，其大小是固定的，為 。而m為一相磁通的最大值，它隨著時間的推移按逆時針方向作旋轉運動。轉子鐵芯的勵磁線圈接在電網的U1V1相上。這樣在鐵芯的勵磁線圈中就通過由電網電壓U1V1所產生的單相交流電所產生的單相交流電，從而產生一個脈動磁場1，其脈動頻率由電網頻率決定。這一脈動磁場，開始是沿著轉軸的軸向磁場，但因扇形鐵片的導磁係數很高，絕大部分磁力線都被改變為徑向脈動磁場，如圖5所示。,25,這
12、樣，在同步表的空間就有一個鐵芯勵磁線圈產生的徑向脈動磁場1和一個定子三相繞組產生的徑向旋轉磁場2，他們的頻率分別為電網頻率f1和待併發電機的頻率f2。兩個磁場的合成磁場吸引著扇型鐵片，使扇型鐵片停留在合成磁場最大的位置上，這也就決定了指針的位置。因此，同步表也是一種電磁式儀表。在定子和轉子電路中均串有較大的電阻R1及R2，這樣就可以把電路近似的看作是電阻性電路，其電壓與電流就可同相。,26,當待併發電機的頻率f2與電網的頻率f1相等，相位也相同時，則最大合成磁場的位置總是固定在某一個空間位置上，這一位置即為 的向量位置。從圖7中可以看出，這一位置在U相繞組軸線前30處，也即滯後 為90。因為每
13、當 旋轉磁場轉至此位置時，1脈動磁場出現最大值，合成磁場最強，扇型鐵片及指針也就停留在此位置，對應刻度盤上的指示為零。,27,待併發電機的頻率f2超過電網頻率f1時，則電網的脈動磁場1達到最大值，旋轉磁場的合成磁通2在空間的位置每轉一周要多轉過一個角度，因此，指針沿著快的方向轉過一個角度。這就表示待併發電機的頻率超過了電網頻率，即快了，指針的旋轉速度為差額f2-f1。同理，當f2f1時，指針沿著慢的方向旋轉，這就表示發電機的頻率比電網頻率慢了。指針旋轉的速度就是頻差f=f2-f1。指針轉一圈的時間就是頻差週期Td，即Td=1/f，因此，我們可以根據指針轉動的快慢來調整待併發電機的轉速(頻率)，
14、使它每轉一圈在35s之間為合適的頻差，此時對應的頻差為 f=1/Td=1/(35)=0.330.2(Hz),28,圖8所示為三台發電機共用一塊同步錶的接線圖。同步錶的定子線圈經三相電壓互感器接待併機的三相輸出電壓，另一組線圈經電壓互感器接電網電壓。同步錶轉換開關在不併車時位置於0。併車時將轉換開關轉至待併機位置，即可檢測頻率差和相角差。,29,2.帶光指示的同步指示器帶光指示的同步指示器(簡稱S表)採用發光二極體指示方式，用於對指示待併發電機與運行發電機的頻率錶和相位差。如圖9所示，F96-S型同步指示器表盤的圓周均勻分布有36個發光二極管，每個代表10電角度。上方12點鐘處為360，其中SY
15、NC為準同步指示與12點鐘處為同步指示。,30,這種同步指示器的典型接線圖如圖9所示。併車時，必須首先合上運行發電機測量開關S1，此時表面36個指示燈為隨機狀態，然後合上待併發電機測量開關S2，指示器的指示燈開始旋轉，其旋轉方向、速度和位置，表示待併機與運行機間的頻率差方向、頻率差大小和相位差角度。當運行發電機組與待併發電機組差小於0.2Hz，且相位差在350360之間時，上方SYNC綠色指示燈亮，此時待併發電機組即可合閘併車。,31,二.同步指示燈採用同步指示燈檢測併車條件，根據接線方式的不同分為燈光熄滅法和燈光旋轉法兩種。1.燈光熄滅法燈光熄滅法如圖10所示。電網及發電機的電壓實際上都須經
16、電壓互感器接入，這裡將其省略簡化了。,32,33,當電壓、頻率和相位不一致時，在待併機與電網之間就會出現電壓差，指示燈就會發亮。當同相無電壓差時，同步指示燈就熄滅。隨著相位差的增大，指示燈逐漸變亮，當反相時亮度為最大。因為燈泡上所加電壓的大小是隨相位差的不同而變化的，所以三個指示燈隨著相位差的變化而同時忽亮忽暗，而且頻差越大，燈泡的亮、暗變化越快。,34,當燈泡的亮、暗變化較慢時，說明此時頻差很小；當同步指示燈同時熄滅時，正是相位差一致的時刻，也就是我們在併車操作中要捕捉的合閘時刻。一般，當電壓降到額定電壓的30%50%時，燈泡已經接近熄滅，因而燈泡在熄滅狀態下要逗留一段時間，故操作者要仔細觀
17、察指示燈，掌握亮暗規律，以便準確的捕捉合閘時刻，果斷的合閘。,35,2.燈光旋轉法當光旋轉法如圖11所示。L1燈接在發電機與電網的A相上，L2燈一端接電網的B相，另一端接待併機的C相，L3燈則與L2燈接法相反，即L2與L3採用所謂叉接。當待併機頻率高於電網頻率時，其燈光熄滅的旋轉順序是L2-L3-L1-L2。即順時針方向旋轉，表示待併機快了，應調節調速控制旋鈕，使其減速。反之，當頻差方向改變時，即電網頻率f1高於待併機頻率f2時，則燈光熄滅的旋轉順序是L1-L3-L2-L1。即逆時針方向轉表示待併機慢了，應調節使之加速。同樣，燈光旋轉的速度也代表了頻差的大小，而在L1燈完全熄滅、L2燈和L3燈
18、亮度相同時，正是相位一致的時刻。,36,37,這種方法，可從指示燈旋轉方向來判斷待併機的頻率是高還是低，從旋轉速度可判斷差頻的大小。併車時，調整待併機的頻率直至燈光向快的方向旋轉，且旋轉1圈在35s間，然後再捕捉相位一致時刻，進行合閘操作。採用同步指示燈檢測併車條件儘管簡便易行，但因觀察燈泡亮暗變化及旋轉易使人眼花撩亂而不易準確掌握合閘時機，所以船上都採用同步表來檢測併車條件，同步指示燈指示做為一種輔助併車指示。,38,手動併車時，主要應觀察同步表。若同步表的指針沿著快的方向旋轉，說明待併發電機的轉速(頻率)快了，則要透過伺服馬達控制柴油機的調速器，使待併發電機的轉速下降，等調節到指針旋轉比較
19、緩慢時(一般總是使指針沿快的方向旋轉，這樣併車後就可分擔少量負載，對併車成功有利)，當指針快到紅線即相位差為零時立即合閘(考慮到主開關有一定的動作時間，故要適當提前一個角度)，待併發電機依靠自正整步作用被拉入同步，觀察同步表將穩定在整步位置不在轉動，然後在進行負載轉移。併車完畢後，應立即通過轉換開關把同步表從電路中切除，以免損壞。,39,一.手動併車程序手動併車操作的程序如下。1.啟動待併發電機組先檢查啟動條件:冷卻水、滑油、燃油、啟動氣源或電源，然後啟動待併機的原動機，使其加速到接近額定轉速。2.啟動後檢查發電機的三相電壓用電壓表檢測待併發電機和電網的電壓，觀察待併機的電壓，看是否建立起額定
20、電壓(一般可不必進行調整，因有自動調壓器的作用)，是否缺相。,40,3.進行頻率預調、精調接通同步表，檢測電網和待併發電機的差額大小和方向，透過調速開關調整待併機組轉速，使待併機組與電網頻率接近。再將同步表選擇開關轉向待併機，先調整頻差，精確調節待併機的原動機轉速，使待併發電機的頻率比電網頻率稍高(約0.3Hz)，此時可看到同步表的指針沿順時針快方向緩慢轉動，約3s轉動一圈。4.捕捉同相點、進行合閘操作根據同步表檢測相位差，在將要達到相位一致時將主開關合閘，合閘指令應有提前量，提前時間為主開關的固有動作時間。當同步表指針轉到上方11點位置時，立即按下待併機的合閘按鈕，此時自動空氣斷路器立即自動
21、合閘，待併發電機投入電網運行。,41,5.轉移負載此時待併機已併入電網，但從主配電盤上的功率表可以看出，它尚未帶負載，為此，還要同時向相反方向調整兩機組的調速開關，使剛併入的發電機加速，原運行的發電機減速，在保持電網頻率為額定值的條件下，使兩台機組均衡負荷。6.切除同步表最後斷開同步表，併車完畢。,42,第五節 電抗同步併車,電抗同步併車法就是先將待併發電機經一電抗串聯接入電網，經一段延時後待衝擊電流減小或消失後，再將發電機組的主開關合閘，然後再將電抗器切除。這樣可以避免由於電壓差、相位差過大而造成巨大衝擊電流。這種方法，對電壓和頻率的調整要求沒有準同步那樣高，因此操作簡便、可靠。習慣上也稱它
22、為粗同步併車法。,43,電抗同步併車原理如圖12所示。當啟動待併發電機G並建立電壓，檢測併車條件。若滿足電抗同步併車條件，則合上S2，使G通過併車電抗器LS接入電網。由於電抗器限制了併車衝擊電流，保證了投入併車的安全性。經一定時間的整步作用，再合上Q，並且打開S2，完成了整個併車操作。,44,二.電抗同步併車條件電抗同步併車法放寬了準同步併車的併車條件，將併車條件放寬到從式(3)可以看到，電抗同步併車的電壓條件不變，原U10%；UN頻率條件由原f0.5Hz放寬到f1.5Hz；相位條件由原15放寬到180，理論上相位差幾乎不受限制，只要不是在180都可以併車，這樣大大提高了併車的成功率。,45,
23、46,假設G1為正在運行的發電機、代表電網，G2為待併發電機。手動調整待併發電機G2(頻率調整伺服馬達調速開關或旋鈕)，使其電壓、頻率調整到與運行發電機比較接近，即滿足粗同步併車條件時，合上同步表並轉換開關到G2併車位置，觀察同步表指針。當旋轉較慢且指針轉到同相位點前一個角度時，按下併車按鈕SB2，則接觸器KM2獲電，其輔觸頭閉合自保；主觸頭閉合，使G2通過併車電抗器LS與電網接通；同時，時間繼電器KT2獲電，經一定延時(延時的時間要能保證在這段時間內待併機拉入同步，一般整定為68s)，其常開觸頭KT2閉合，接通QF2的合閘電路，使QF2合閘，G2直接接入電網並聯運行。與此同時，主開關QF2的
24、常閉輔觸頭斷開，使KM2失電，從而使電抗器自動切除，併車電抗器就退出了電路，KT2也失電復位，整個電抗同步併車完畢。,47,第六節 半自動同步併車裝置,一.同步脈衝發生器的併車電路同步脈衝發生器是一種能檢測併車條件，並發出併車合閘指令的半自動同步併車裝置。同步脈衝發生器將待併發電機與電網的頻率和相位進行比較之後，並考慮到斷路器的合閘時間，發出一個合閘脈衝，控制發電機的斷路器觸頭在差頻電壓過零時閉合，以避免發電機併車時的衝擊。如果頻率差大於0.5Hz，則合閘脈衝由裝置內部閉鎖，不能發送合閘脈衝。合閘超前時間為3040ms可調，可根據斷路器動作時間整定。,48,圖15所示為同步脈衝發生器的接線圖。
25、按下啟動按鈕S1，裝置方能開始工作，進入合閘時間捕捉過程。這個按鈕必須按到發電機斷路器以經合上為止。啟動線路中S3為調速開關的常閉觸點，當待併發電機組調速開關接通時，S3為斷開狀態，用於防止發電機組在調速期間發出合閘脈衝。,49,如果電網是無電壓的狀態，只要投入的發電機電壓達到85%額定電壓，按下啟動按鈕S1時就能發出合閘脈衝。如果斷路器合閘不成功，在經過約35s的延時後將重新發出一個合閘脈衝。併車前發電機組調頻和併車後有功負載的加載，還需用調速開關進行手動控制。應該注意，在使用這種同步脈衝發送裝置時，必須保證在合閘期間避免發電機負荷產生突然急劇的變化。,50,待併車指令的同步指示器在使用中，
26、要求發電機輸出電壓波形好，轉速穩定，否則F96-SM指示燈運轉將不穩定，有時甚至不輸出脈衝信號。另外，主配電盤上尚應備有手動併車同步指示燈，以檢查接線正確與否，同時做手動併車的備份。,51,第七節 自動準同步併車裝置,一.基本功能自動併車裝置包含手動操作的全部邏輯程序，具有下列功能。1.判斷待併發電機與電網的電壓差、頻率差和相位差，當任一條件不符合併車要求時，實現閉鎖，不允許發出合閘指令。2.檢測待併發機與電網的頻率差，並根據頻差的大小和方向，自動對待併發電機組發出調頻信號，使頻差縮小，直到滿足頻差條件。,52,3.當電壓差(電壓條件不滿足時，由電壓調整裝置調整)、頻率差在允許範圍內時，自動捕
27、捉相位條件，相位條件滿足後才允許發合閘指令。4.發合閘指令要有提前量，提前量為發電機主開關的固有動作時間，以保證合閘瞬間有最小的合閘相位角，使併車衝擊最小。,53,54,當fgfn時，V4輸出正脈衝，用以控制減速電路。,55,自動准同步併車裝置一個完整的自動准同步併車裝置的框架如圖29所示。差頻符號鑑別環節輸出的調速尖脈衝，須經一個脈衝展寬電路轉變成適當寬度的短形波，才能有效的控制加速或減速。若差頻符合併車條件但特別小時，將要等待較長時間才能使相角條件得到滿足。為了較快速的完成併車，裝置裝加入了呆滯擾動環節。它的作用就是在差額特別小時，作為反向調速，以適當加大差額。例如，差額為正但接近於0時，
28、經該環節作用後將輸出加速信號。,56,合閘信號由一個與門控制，與門有三個開門信號，分別來自頻率差檢測環節、投入角限制與頻率差限制環結和電壓差檢測環節，每個環節檢測一個併車條件，滿足時才輸出開門信號。當三個開門信號都具備後，由提前時間獲得環節產生的合閘尖脈衝才能通過與門。該尖脈衝同樣要經展寬電路後才加到合閘繼電器上。,57,58,六.數位化自動併車裝置上述方法中雖用到一些脈衝信號，但基於差頻電壓原理的各種電壓信號，例如鋸齒波電壓信號、三角波電壓信號等都是模擬量，要採用專門電路才能得到，且有一定延時和變形，會造成自動裝置的測量誤差。隨著計算機技術的迅速發展和成熟，使數位化併車方法成為可能，用於工業
29、控制的單晶片和PLC(可編程控制器)等可實現數位式併車。數位方式準同步併車主要分為頻率檢測、待併發電機頻率調整、相位差檢測三個部份。其中相位差檢測包含發出含提前量的合閘指令。,59,1.頻率差檢測正弦波電壓信號ug和un經鑑零器變換為正半週期矩形波信號後，就可用計算機的計數器進行技術測量，如圖30所示。當矩形波出現上升沿時，觸發計數器開始計數；當矩形波達第二個上升沿時，停止計數。計數值代表信號的週期，在除以2，得到半週期。分別對ug和un計數，求出計數差，就可判斷頻率差是否符合併車條件。,60,2.頻率調整若頻率檢測不滿足併車條件，就應根據頻率差的符號調整待併發電機的轉速。計算機輸出一定寬度、
30、一定頻率的調速脈衝也是很容易實現的，而且可以根據頻差的大小，隨時改變調速脈衝的寬度和頻率。調速脈衝經功率放大後輸出。如果調整待併發電機頻率在fnfg(fn+0.5)Hz範圍內，且使fg等於或接近(fn+0.5)Hz，那將有利於併車的成功。,61,3.相位差檢測與合閘控制以電網電壓矩形波上升沿觸發計數器計數，以待併發電機電壓矩形波上升沿觸發計數器停止計數，那麼，計數值可表示兩波形相位差。最大計數值是電網電壓半周期計數值，表示相位差=180；最小計數值為0，表示相位差=0。發合閘指令應有提前量，提前量採用恆定提前時間方式。設主開關平均動作時間為0.1s，電網頻率以50Hz計算，提前量為0.1/(1/50)=5(個週期)，表示以電網矩形波計算提前量時，要提前五個波。考慮計算機檢測判斷及發合閘指令要有一定時間，檢測提前量應再加一個週期。,62,
