浅谈船舶同步发电机的并联运行

浅谈船舶同步发电机的并联运行一船舶同步发电机的并联运行的目的、意义现代船舶大多采用交流电站，随着船舶吨位、电气化、自动化程度的提高，电站容量也日益增加。为了满足船舶供电的可靠性和经济型，一般的船舶电站均配置了两台以上的同步发电机组作为主电源，并且这两台以上的发电机可以通过公用母线向全船负荷供电，这就是通常所说的发电机并联运行。为什么要采用并联运行的方式呢？这是一位船舶发电机在设计时，就考虑到发电机在额定负载下运行就有最高的效率。而船舶工况变化较大，因而用电量的变化也很大，例如船舶在停泊和装卸货两种不同的工况时，用电量可能相差3倍甚至更多，采用两台以上较小容量的发电机可以根据负荷的大小改变运行的方式，使发电机经常处于最佳的运行状态。如果电站只采用一台大容量的发电机，使它满足最大负荷的需要，那么在小负载时，发电机降处于轻载而是效率大为降低，并且选择备用机组容量时也必须考虑和这台大容量的发电机容量相同，从而使投资费用和运行费用都会增加；另外，为了维护检修的方便，也需要采用并联运行的方式，要检修运行中的发电机组而不允许电站停电时，就必须先将备用机组投入并联运行，然后再从电网上切除欲检修的机组。在自动化要求较高的船舶中，还需设置自动并车的装置，使已经运行的发电机自动投入并联运行，以便提高船舶供电的可靠性。二发电机并联运行的特点船舶同步发电机的并联运行多位两台或多台同容量的发电机并联。以两台为例分析同容量发电机并联运行的一些特点。1:两台发电机的有功功率和无功功率总是等于负载的有功功率和无功功率，即：P1+P2=PQ1+Q2=Q由于发电机以及船舶电网的容量都不大，当有大容量的用电设备投入船舶电网或从电网中被切除时，会直接引起并联机组的有功功率和无功功率同时变化，同时也会引起电网电压和频率的变化。2：当电网的用电负荷保持不变时，若单独增加一台发电机的输入机械功率，可使该发电机输出的有功功率增加；与此同时，将会引起另一台并联机组输出的有功率自动减少。此外，由于输入的机械功率的增加使转速升高，而另一台机组因输出的有功功率减少也使转速上升，结果将使电网的频率有所升高。如果单独减少一台机组输入的机械功率,则变化与上述相反。只有同时向相反方向调节两并联机组输入的机械功率时，才能保持电网的频率不变。3：单独增加一台发电机的励磁电流时，该发电机输出的无功功率增加，而另一台发电机输出的无功功率将自动减少。此外，增加励磁电流使空载电动势增大，而另一台发电机输出的无功功率的减少使其去磁效应减少两者都使电网的电压有所上升。单独减少一台发电机的励磁电流，则变化与上述相反。只有同时反方向调节两台发电机的励磁电流，才能保持电网的电压不变。三船舶同步发电机的并联运行的条件在船上通常有三种情况需要并车操作。一是需要满足电网负荷的需求，当单机负荷达到80%额定容量时，且负荷仍有可能增加，这时就要考虑并联另一台发电机；二是当进出港靠离码头或进出狭水道等的机动航行状态时，为了船舶航行的安全，需要两台发电机并联运行；三是当需要用备用机组替换下运行供电的机组时，为了保证不中断供电，需要通过并车进行替换。准同步并车方式是目前船舶上普遍采用的一种并车方法。为了使并联运行的交流同步发电机保持稳定地工作，每台并联运行的发电机必须满足如下条件：（1）待并机组的相序与运行机组（或电网）的相序一致；（2）待并机组的电压与运行机组（或电网）的电压大小相等；（3）待并机组电压的初相位与运行机组（或电网）电压的初相位相同；（4）待并机组电压的频率与运行机组（或电网）电压的频率大小相等。由于在发电机组安装时已经对发电机的相序与电网的相序进行测定，保证相序一致的条件。因此并车操作就是检测和调整待并发电机组的电压、频率和相位，使之在满足上述三个条件的瞬间通过发电机主开关的合闸投入电网。这样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流，并且并车后能保持稳定的同步运行。实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致，而且必须有一定的频差才能快速投入并联运行。一，当频率相等、初相位一致、电压不相等时，两台发电机并车瞬间将在两机组间产生一个无功性质的环流、对两台发电机起到均压作用。由于发电机在并车瞬间呈现很小的等值电抗，因此当电压差较大时，合闸瞬间会产生很大的冲击电流，对两台发电机和电力系统均不利。巨大的冲击电流产生的冲击电动力，会损伤发电机电枢绕组、主开关触头，使汇流排变形等。一般并车操作时，电压差△U不得超过额定电压的10%。二，待并机组与运行机组电压相等、频率相等，但初相位不同，两台发电机并车瞬间在待并机主开关的动、静触头间会有一电压差，在两机组间会出现滞后电压差90°的环流，此时的环流不再是纯无功性质。把环流有功和无功分解，得到有功分量环流的和无功分量的环流，在有功环流的作用下，一台减速而另一台加速，最终使得并联运行的两台发电机达到相位一致而进入同步运行。环流的有功分量对应的功率称为整步功率，其中超前的发电机输出整步功率，滞后的发电机吸收整步功率。整步功率对应的整步转矩，对于超前发电机而言是阻转矩，使转速下降，对于滞后发电机而言是驱动转矩，使转速上升，最终将两机拉入同相位同步运行。该过程称为“牵入同步”过程。无功性质的环流、对两台发电机起到均压作用。为了减少冲击电流，一般并车操作时要求相位差小于△S15°。三，待并机与运行机电压相等，初相位相同，但频率不相等时并车。在合闸瞬间不会出现电压差，也就没有环流。但由于频率不相等，随时间后移，就会出现相位差，只要相位差一出现，环流就随之产生，即出现整步转矩，一台减速而另一台加速。只要频率差不大，最终依靠整步转矩都能“牵入同步”。若频差Δf太大，往往难以拉入同步，同时合闸后环流也不断增大，对发电机和电力系统都不利，应避免这种情况的发生。通常在并车操作时要求频差△f小于0.5Hz，以0.25Hz最好。发电机并车时，合闸瞬间任一条件不满足，都会在发电机组之间产生冲击电流。冲击电流的无功分量起均压作用；有功分量产生的冲击转矩起整步作用。只要冲击电流不大，对并车操作是有利的。若冲击电流太大，会造成并车失败，严重时会导致全船停电，甚至造成发电机组的损坏。四船舶同步发电机手动并联运行指示灯法并车检查和调整待并发电机的电压、频率、初相位，使之满足准同步并车的条件，然后进行合闸，使发电机拉入同步。如果由手工完成这个过程，称为手动准同步并车操作；若由自动装置来完成，则称为自动并车操作。当待并发电机组起动，并建立了电压之后，可通过发电机控制屏上的电压表检测待并发电机电压是否与运行机的电压相等，应使电压差在±10%以内。只要发电机调压器工作正常，一般都能满足这个要求，无需特别调整。手动并车操作关键要检测和调整待并机的频率和初相位，使之满足准同步并车要求。要注意的是，不应在电网负载波动比较大（如有大功率电动机在起动、变速等）的情况下进行并车操作。一般通过“调速开关”（油门）来调节原动机转速，使待并机的频率接近运行机的频率。然后进一步检测待并机与电网的频率差是否小于0.5Hz，初相位是否一致。检测这两个并车条件的方法有同步指示灯法和整步表法。根据同步指示灯的不同连接方式可分为灯光明暗法和灯光旋转法。一，灯光明暗法是将三盏同步指示灯分别跨接在待并车发电机和运行发电机的对应相上，每个灯泡两端的电压就是两对应相之间的电压差值。灯泡上所加电压的大小随相位差的变化而变化，在频率不相等时，其相位差随时间进行周期性的变化，灯泡就明暗交替变化。当相位差为0时，三个灯泡所加电压为零，同时熄灭，当相位差为180°时，三盏灯泡所加电压最大，灯泡最亮。设频率差为Δf，则相位差为2πΔf，灯光变化一个周期所需时间为fTS1。频差Δf越大，灯光变化的周期越短，当灯光变化周期大于2s时，才能符合频差并车条件。为了可靠抓获在同相位点（即灯全灭时）合闸，一般调整频差在0.25Hz（周期≥4s），然后，在灯光全灭的中间期果断合闸。二，灯光旋转法是将三盏同步指示灯的其中一盏接在电网与待并机的对应A相上，其余两盏分别交叉跨接在电网的B相（C相）与待并机的C相（B相）上（即三盏同步指示灯一盏对接，两盏叉接）。当频率差为Δf时，三盏灯泡轮流熄灭，频差越大灯光旋转的速度越快，频差方向改变，灯光旋转的方向也改变。手动准同步并车操作时，应选择三盏同步指示灯顺时针方向旋转，在旋转一周的时间为3～5s，同时对接相灯熄灭而两盏叉接相灯同样亮时，果断合闸。灯光旋转法不仅能检测频差的大小，而且可以检测频差的方向，灯光明暗法，只能检测频差的大小，频差的方向需通过两频率表读数的比较才能知道。如果出现灯光明暗法变成灯光旋转法、或灯光旋转法变成灯光明暗法，原因有两种可能，一是待并机与电网相序相反；另一种是同步指示灯接线错误。同步表发并车同步表法是用来指示待并机与电网的电压相位差，频率差及其方向的仪表。若待并机电压超前电网电压一个电角度δ，指针就指在整步点右边（快方向）一个δ角度。若待并机电压滞后于电网电压一个δ角度，指针就指在整步点左边（慢方向）δ角度上。若待并机频率f2＞f1，整步表指针将不断向“快”方向转动。若待并机频率f2＜f1，整步表指针将不断向“慢”方向转动。频差越大，其指针转动的速度越快，整步表能检测出待并机与电网的频差的大小和方向，而且指针的不同位置指出了相位差的大小。并车操作时，应使整步表指针转动一周所需时间大于4s（Δf≤0.25Hz，一般取3～5s），在整步点到来前的一个小角度，把握时机、果断合闸，这时合闸冲击电流最小，提前一个小角度而不在整步点才合闸，是因为每个主开关都有一个固有的动作时间。在用准同步表法进行并车操作过程中，当电压差与频率差基本调整完毕后，就应接通同步表转换开关，并将其转换到待并发电机位置。然后通过调速开关调节待并发电机转速（一般总是使同步表指针沿快的方向旋转，这样并车后就可使待并发电机分担少量负载，防止出现逆功率，对并车成功有利）。当指针快到12点即相位差为零时立即合闸，待并发电机依靠自整步作用被拉入同步，然后再进行负载转移。应当指出：同步表按短时工作制设计，一般持续工作时间不大于15min，间隔时间为30min，所以，并车操作过程不宜太长，并车成功后应及时切除。粗同步并车（电抗器并车）手动准同步并车对操作技术要求较高，在船舶交流化发展的初级阶段，长期工作于直流船舶的工作人员对交流电不很熟悉，经常发生由于并车操作不当而使并车失败或造成全船断电，因而出现了粗同步并车方法。由于这种并车方法对接通的相位条件要求不高，故称为粗同步并车。粗同步并车也称电抗器并车，其原理是当调节待并机达到允许频差条件后，可在小于180°的任一相位下先在电网和待并机之间接通一限流空心电抗器（即粗同步电抗器）。电抗器的作用是将电网与待并机之间的非同步电压差所产生的电流限制在1.5倍额定电流以内，所以即使在任一相位下通过电抗器接通也不会造成大的损害。同时也是利用这个电流产生整步力矩，将并联机组拉入同步。拉入同步后再将发电机的主开关合闸，然后断开同步电抗器（电抗器只允许短时使用）。粗同步并车的操作要求是：（1）整步操作的频差条件和准同步并车要求一样，要达到允许频差范围；（2）在允许频差条件下，当整步表的指针转到小于180°的任何位置时，先按下粗同步电抗器接通按钮；（3）观察整步表指针，当指针停在红色标志点处不动时（表明在整步力矩的作用下已拉入同步），方可按下待并机主开关的合闸按钮；（4）最后断开同步表，并车完毕。电抗器由粗同步控制线路自动延时切断五船舶同步发电机的自动并联运行及趋势（模拟式船舶同步发电机自动并车装置）船舶同步发电机自动并车装置是自动监测和调整并车的三个条件参数，使之满足要求，并考虑到主开关合闸动作的条件，在整步点提前一个时间或相角发出合闸指令，然后，进行均功(或功率比例)的操作。早期运用分立元件或部分集成电路构成的同步发电机自动并车装置的形式上是一个独立单元，只有调节频差、监视电压和相位差的功能，实质上属于半自动的范畴，称为模拟式自动并车装置。随着微电子技术和微机控制技术不断成熟，大部分船舶电站都装有PMS（PowerMana