1、 第四章第四章 船舶电力系统频率及船舶电力系统频率及 有功功率自动调整有功功率自动调整一 概述1 频率变化的原因发电机电压的频率和原动机转速的关系：f=P n/60发电机功率平衡方程式：Pg*=PF*+P*+Tc dn*/dt （标么值）Pg*-机械功率标么值PF*-发电机负载功率标么值P*-机电损耗功率标么值Tc-机组惯性时间常数当 dn*/dt =0 频率恒定，说明功率平衡；若负载增加，油门尚未变化，Pg*不变，功率平衡被破坏，dn*/dt 0，频率下降可见，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。这部分工作由调速器完成。第1页，共49页。2 （离心式）调速器基
2、本原理及特性A 结构：主要由飞铁3、套筒5、弹簧6、杠杆7、拉杆8组成B 原理：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。（有差调节系统）传动轴1将转速传给轴2，飞铁3绕2旋转，离心力作用下，力图张开，通过拔爪4将套筒5上顶，压缩6直到平衡，5固定在某一位置，7、8将油门拉到一定开度，使机组在一定的转速下运行。若某原因使转速下降（如负载增加），以上平衡被破坏，转速下降-离心力减小-5 下降-油门加大，阻止转速进一步下降，出现了新的平衡，使机组在一定的转速下运行。（此时转速比原转速下降了）（5位置下降，换取了油门增加，维持功率平衡，阻止转速更大下降）上述调速器
3、自动调速过程，又叫一次调节；改变弹簧予紧力的调节称二次调节。第2页，共49页。第3页，共49页。C 静态调速特性-在调速器的自动调节下，机组的转速（f）随有功功率变化的关系，称发电机组的调速特性（下倾特性）定义：n*=f*=G(P*)调差系数：Knc=-f*/P*=tg -通常调差系数在3-5%规范规定：Knc 5%二 单机运行频率调整（二次调节使调速特性曲线平移）f fe _A_D f1_B_C P P0 P1 P2ffP第4页，共49页。三并联运行机组间有功功率的转移和分配方法：增加新并入网机的弹簧予紧力，同时相应地减小在网机的弹簧予紧力，保持频率不变，均分负荷。第5页，共49页。第6页，
4、共49页。有差调节法 借助带有差调速特性机组的并联，实现自动调频、调载的方法称有差调节法（最简单的一种自动调频、调载方法）设特性曲线1、2为两台发电机组的特性曲线，调差系数分别为Knc1、Knc2 开始，系统运行于A点：P1=P2=1/2PfZ，f=fe 负荷增加 P，电网频率降至f1,系统达到新的平衡1号机组工作在A1点，2号机组工作在A2点1号机的功率增量 P1=-f/Knc1 （1）2号机的功率增量 P2=-f/Knc2 （2）第7页，共49页。P=P1+P2(功率平衡）P=-（f/Knc1+f/Knc2）-f =-f/KP 1 1/Knc1 +1/Knc2 其中 1 KP =1/Knc
5、1 +1/Knc2 称其为并联系统的平均调差系数第8页，共49页。f=-P KP （3）代入（1）、（2）得 P1=P KP /Knc1 P2=P KP /Knc2 结论：1）有差调节法中，负荷变化时，频 率将变化，频差正比于负荷增量 2）各机组功率分配关系也将变化，与P 成正比,与各自的调差系数成 反比 3）若 Knc1=Knc2=-=Kncn=Kc 则 KP =Kc/n P1=P2=-=Pn =P/n 能够均分有功分量第9页，共49页。四 自动调频调载装置的组成和 调频调载的方法1 自动调频调载所谓自动调频调载，就是能：自动维持电网频率恒定，保证有功功率按比例分配，接受解列指令时，能自动控
6、制负荷转移。实质是能：自动地调节调速器的伺服马达，改变弹簧予紧力（二次调节）（调速器的静态校正器）第10页，共49页。2 自动调频调载装置的基本组成（四部分）1）频率变换器（一台/每船）又叫频率检测器，自动检测出频差，并将此偏差变换成相应大小和极性的直流电压信号。特性关系：U f=K f f=Kf(fsh-fe)K f-频率变换系数框图：实际线路举例：谐振式频率变换器HZCLf55211101HZCLf45212202第11页，共49页。第12页，共49页。2）有功功率变换器（1台/机）它将每台发电机输出的有功功率变换成 与之成正比的直流电压信号。特性关系：Up=Kp P (K f-功率变换系
7、数)框图：实际线路举例：up=u1-u2 u1=k(uu+ui cos)u2=k(uu-ui cos)up=2k ui cos 由于 uikiI up=2kki I cos=Kp P第13页，共49页。第14页，共49页。3）有功功率分配器有功功率分配器应得到功差信号 U p=Kp Pi =Kp (Pi -Pi/n)得到功差信号及实现有功功率按比例分配，方法很多，虚有差调整法实际线路中讨论。第15页，共49页。4）调整器根据频差和功差的综合信号，按其极性和大小，变换成相应的脉冲信号，进行加减速控制，实现调频调载。特性关系：usr=kf f+kp Pi=u f+u p usr 0 输出减速脉冲
8、usr fe则 usri 0，各调节器均发出减速信号，调速特性向下平移，系统频率减小，直到f=fe，usri=0，调整完毕。第18页，共49页。功率分配的调整假设条件：均功分配过程中频率保持为额定值。这样，频率变换器输出为零，“2、3”点等电位，功率变换器可视为一个电压源，并忽略其内阻，见等效电路。各调节器的输入信号就是各自的均功电阻上的电压信号。设有n台并联运行，“3”到“1”端的电压为U各均功电阻R上的电压、电流分别为Uri、IiU=I1 R-UP1=I2 R-UP2=In R-Upn=Ii R-UPi Ii=(U+Upi)/R Ii=0 (U+Upi)/R=0U=-Upi/n第19页，共
9、49页。各均功电阻R上的电压为URi=Ii R=U+Upi=U+Kp Pi (Upi=Kp Pi)=Kp Pi-Upi/n =Kp Pi-Kp Pi/n =Kp(Pi-Pi/n)URi=Kp Pi即：各均功电阻R上的电压就是功差信号设有一机组实际功率Pi 平均功率则加于调节器的信号0该机组发出减速信号，减负荷；同时，必有另一机组实际功率Pi 平均功率，则加于调节器的信号0，使1号机组发出减速信号，卸载；此时，2号机组还未加大油门，系统频率下降，频率变换器输出不在为零，加在调节器T2上，使2号机组发出加速信号，加载，力图维持恒频；另一方面，频率变换器的输出与解列回路产生的信号反向串联加在T1，使
10、其综合信号不致太大，降低了卸载速度，使频差不致太大。（有利于电网的稳定）这样，能自动控制负荷转移，维持电网频率不变。第22页，共49页。2）主调发电机法在并联发电机中选一台作主调发电机，任务是当电网负荷变化出现频差时，只改变主调发电机的油门，调节电网频率维持额定值，并承担负荷的变化量，其余机组为机载发电机，总保持运行于接近额定负载（油门经一次整定后不再调节）。第23页，共49页。第24页，共49页。3）二次调频调栽系统的稳定问题A 不灵敏区（）即：相应调节器的启动值功能：（1）防止调节过于频繁（以免磨损过度）规范允许：f%的绝对值 2.5%，P%的绝对值 15%（2）提高二次调节系统的稳定性B
11、 二次调节系统的振荡现象及消振措施1 调频的振荡现象（设调节器输出为脉冲调节信号）设每一个调节脉冲产生的单机频率变化量为f（与脉冲宽度相关）与调节器的对应的频率变化量为f 则当 f 2 f时系统可能产生不衰减振荡（与初始条件有关）第25页，共49页。2）功率分配调节时的振荡现象设每一个调节脉冲产生机组的功率变化量为P （与脉冲宽度相关）与调节器的对应的功率变化量为 P则当P 2 P 时系统可能产生功率调节振荡（与初始条件有关）（3）消振措施减小脉宽-但调节时间拉长加大不灵敏区-但静态误差加大以上两条应权衡处理避免产生振荡的最好方式是设计调节器时，使其输出的调节脉宽受误差信号大小的调节：即当系统
12、的频差、功率分配差信号大时，调节脉宽随之加大，在调节过程中，当误差信号变小时，调节脉宽也随之减小。第26页，共49页。第27页，共49页。五 EEA22船舶电站自动控制系统简介船舶电站自动控制系统简介EEA22船舶电站自动控制系统由SGA23发电机自动控制子系统和SDA22柴油机自动控制子系统组成。主要功能：1 手动、自动起、停柴油机组2 自动起动柴油机组时，允许三次起动3 自动频率予调，当发电机与电网同步时，根据主开关的动 作时间，提前发出合闸脉冲，使发电机自动并网4 自动调频调载5 满足增机条件，经延时自动启动备用机组投入电网6 轻载自动减机7 如果电网失电，自动启动备用机组，并且只要发电
13、机电压大 于85%额定电压时就自动合闸，使发电机迅速投入电网8 根据运行机组故障的性质，发出相应的指令：自动启动备 用机组；故障机组分断，退出电网；停止故障机组；发出报 警信号等第28页，共49页。SGA23发电机自动控制子系统包括自动频率予调功能、自动并车功能和自动调频调载功能三部分。共有7块印刷电路版组成（每台发电机组）。分别为：WMG23 有功功率检测单元FRG23 频率控制器LAG23 负荷分配调节器RAG23 继电器出口单元EVG23 合闸脉冲发生器FAG23 频率予调单元SNT23 电源单元自动调频调载部分由WMG23、FRG23、LAG23、RAG23以及SNT23单元实现自动频
14、率予调部分由FAG23以及SNT23单元实现自动并车部分由EVG23 以及SNT23单元实现第29页，共49页。七 船舶轴带发电机控制系统及装置 船舶轴带发电机装置是由船舶主机 驱动发电机供电的装置 1 主要优点：经济节能：主机效率高，耗油量少，使用低价的重柴油改善机舱环境，航行时船舶机舱只有主机运行，噪声和热源减少2 分类：变螺距轴带发电机装置和定螺距轴带发电机装置变螺距轴带发电机装置，主机转速恒定，发电装置频率基本恒定，此装置只能在切换发电机时作短暂并联运行定螺距轴带发电机装置应用最广，可以和其它柴油发电机长期并联运行第30页，共49页。3 可控硅轴带发电机装置的组成和作用（1）轴带发电机
15、：一般为无刷同步发电机，无阻尼绕组（2）可控硅变流器：包括整流器和逆变器 轴带发电机产生的三相交流电经整流器变为直流电，再由逆 变器变为恒频、恒压的三相交流电向电网供电（3）同步补偿机：提供无功功率，维持电网恒压（4）交流电抗器：限制谐波电流，改善输出电压波形（5）励磁用可控硅整流装置：改变其控制角，改变轴带发电机励磁电流，调节轴带发电机 输出功率（6）控制系统：实现对轴发装置的自动控制第31页，共49页。西门子可控硅轴带发电机控制系统基本原理电压与无功功率自动控制原理同步补偿器的电压调节器保证电压恒定，它产生的无功功率满足全船负荷的要求。频率与有功功率自动控制原理当主机转速变化时，根据轴带发
16、电机功率输出特性的不同状态，采用两种控制方式：1）励磁电流自动调节系统轴带发电机运行在I 区，逆变器的逆变角为最小并保持恒定（30）当主机转速下降，增大励磁电流，维持输出功率恒定并保证频率不变2）逆变角自动调节系统轴带发电机运行在II 区，此时轴带发电机的励磁电压和励磁电流为最大（恒定），当主机转速下降，只有增加逆变角，使整流电压与逆变电压随转速下降而减少，输出功率线性递减，自动卸去电网的次要负载，保证频率恒定不变第32页，共49页。一 可靠性的基本概念 1 可靠性 一般常用的可靠性定义是：“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。从可靠性定义可知：研究可靠性应掌握以下四个方面的内
17、容：11 对象。研究系统可靠性时，一般把研究对象区分为元件和系统。元件（Component）是构成系统的基本单位，在一个具体的系统中，元件不能再分割。系统（）是由元件组成的，它可看成是元件组成的总体。有时，系统包容的范围太大，又可分为若干子系统（）。12 功能。所谓“功能”是指设备的主要性能和技术指标（如调速系统的平滑变速、正反向运行、调速范围、调速精度、稳速精度等性能和技术指标）。第33页，共49页。“产品丧失规定功能”就是失效或故障。如船舶电站自动化系统，因某一元件失效而使系统停止运行，无法向船舶电网供电，这就是完全丧失了规定的功能，即发生一次故障。又如有一稳速系统，在某工作环境下，在一规
18、定的运行期间内，由于系统元件的参数偏移了标称值，使系统性能发生了变化，其稳速精度由0.1变化到了0.5，若系统性能规范要求稳速性能必须小于0.5，这表明系统性能已不符合规范要求，那么就认为系统已发生漂移性故障。若系统性能规范要求稳速精度为1，则可以认为该系统有较高的可靠性。13 时间。设备或系统工作的可靠性一定要和工作的时间联系起来，这个时间可以是连续的，也可以是断续的。14 条件。通常“规定条件”是指包括环境条件（户内外、温度、湿度、气压、震动、冲击辐射等）、工作条件（如功能模式、操作方式、负载条件、工作电源、维修条件等）、使用方法及运行、管理人员的技术水平等。第34页，共49页。2 不可维
19、修系统与可维修系统 从可靠性观点来看，元件可分为可修复元件(Repairable Component)和不可修复元件(Non-repairable Component)两大类。如果元件使用一段时间后发生故障，经过修理就能再次恢复到原来的工作状态，这种元件称为可修复元件，如果元件工作一段时间后发生故障，不能修复或虽能修复，但很不经济，这种元件便称为不可修复元件。电力元件大部分是可修复元件。由元件组成的系统也可以分为两大类，即可修复系统（Repairable System）和不可修复系统（Non-repairable System）。如果系统使用一段时间以后发生故障，经过修复能再次恢复到原来的工作
20、状态，这种系统称为可修复系统；如果系统发生故障后，无法修复或无法恢复到原来的工作状态或这种修复很不经济，就称这种系统为不可修复系统。电力系统属于可修复系统。第35页，共49页。现在我们可以明确易于混淆的两个概念故障与失效。一般来讲，对于不可修复的产品如其丧失了规定的功能则称为“失效”（f a i l u r e）对于可修复的产品虽然暂时丧失了规定的功能但可以通过维修恢复其规定的功能则称为“故障”（f a u l t ）。另外，不论可修复的产品或不可修复的产品，如果由于其它因素的影响而非产品本身的原因引起该产品丧失了规定的功能，也称为故障。这样，一般来讲，所有的失效都是故障，但不是所有的故障都是
21、失效。例如：考虑一个继电器，如果在它的线圈两端加上电压时它的常开触点能正确地闭合，我们称这个继电器工作正常，反之，在此条件下，若此继电器的常开触点没能闭合，（比如继电器线圈已烧断，无法修复），我们称这个继电器失效；如果继电器的常开触点没能闭合的原因是由于继电器线圈开路，经修复后可以恢复其功能，我们称这个继电器故障；还有一种可能是由于其它部件不适当的作用而使继电器得电错误地闭合，显然这不是继电器失效，然而，继电器错误地工作使电路进入了一个错误的状态，我们则称这个继电器故障。第36页，共49页。二 可靠性的主要指标 可靠度与不可靠度 11 可靠度（）可靠度的定义是：“产品在规定的条件下，在规定的时
22、间内，完成规定功能的概率”用数学形式表达，它是一个时间的函数，又称可靠度函数，记作（），12不可靠度（）不可靠度定义为：产品在规定的条件下，在规定的时间内，完不成规定功能的概率，用（）表示。2 失效率入（）失效率又称故障率，它是产品可靠性的重要指标，不少产品如电子元器件就是依据其失效率的大小确定其可靠性等级的。失效率入（）定义是：已工作到时刻尚未失效的产品在时刻后单位时间内发生失效的概率称为该产品在时刻的失效率，它是一个时间的函数，又称失效率函数，记作入（）。第37页，共49页。对一般元器件或系统而言，失效率入(t)随时间t的变化如图所示，一般称可靠性特性曲线。由于其图形有些象浴盆，所以又叫浴
23、盆曲线。它反映了元器件或系统的可靠性水平，失效率越高，既单位时间內元器件或系统的失效次数越多，其可靠性水平就越低。根据失效率的变化情况，一般元器件或系统在其寿命期要经过早期失效期、偶然失效期、耗损失效期三个阶段。早期失效期 早期失效期见图的阶段。偶然失效期 偶然失效期见图的阶段。耗损失效期 耗损失效期见图的阶段。第38页，共49页。第39页，共49页。3 平均寿命 产品在规定的条件下寿命T的平均值则称平均寿命，对不可修复产品其平均寿命即到失效前的平均时间，用MTTF(Mean time to failure)表示，对可修复产品来说常用MTBF(Mean time between failure
24、)即平均无故障间隔时间表示其平均寿命。三 可靠性模型及计算 1 可靠性模型的组成 可靠性模型包括可靠性框图和可靠性数学模型两项内容。评价系统的可靠性，首先可以将系统的工程原理图转变为系统的可靠性框图（Reliability Block Diagram），用框图去计算系统的可靠性称之为框图法。系统的工程原理图是表示组成系统的元件、单元之间的物理关系和工作关系，而可靠性框图则是描述系统的功能与组成系统的元件之间的可靠性功能关系。它由许多方块组成，每个方块表示一个元件工作，将方块移去，则表示该元件故障，如果移去一些方块后就使系统的输入和输出节点断开，则表示某些元件故障，亦即导致系统故障。下面举例说明
25、系统工程原理图与可靠性框图的区别：最简单的振荡电路，它由一个电感和一个电容并联连接的。但根据振荡电路的工作原理，电感和电容中任意一个故障都会引起振荡电路故障，因此，振荡电路的可靠性框图为串联连接。第40页，共49页。三台并联连接的发电机组组成冗余系统的原理图，但随着功能要求的不同，对应的可靠性框图也不同。当电站功能要求三台发电机组组成全部完好，电站方满足要求，这时可靠性框图是三台发电机组串联连接，当电站功能要求三台发电机组中至少两台完好才满足要求，得到三中取二的可靠性框图。显然，若电站功能要求至少一台发电机组完好即满足要求，可靠性框图和系统原理图一致。2 常见系统的可靠性模型1）串联系统的可靠
26、性模型 串联系统是指组成系统的任一元件失效均导致系统失效。反之，系统正常工作的条件是系统中所有单元均须正常工作。若以Es和Ei分别表示系统和单元的正常工作状态，则其可靠性框图和系统正常工作状态的表达式可分别表示为：第41页，共49页。第42页，共49页。第43页，共49页。第44页，共49页。模型系统的失效率为单元失效率之和。系统平均无故障工作时间MTBFs=1/s=1/i由以上分析计算可以得出串联模型Es=E1 E2 E3-En -（1）由于元件之间互相独立，因而系统正常工作的概率等于元件正常工作概率之积，即 P Es=P E1 P E2 P E3-P En =P Ei -（2）实际上，系统
27、和元件正常工作的概率就是它们的可靠度，既 Rs(t)=Ri(t)(i=1 n)-（3）假设组成各单元的元件失效率i是常数，各单元的可靠度可以表示为：Ri(t)=exp(-i t)-(4)把上式代入(3)式得：系统可靠度Rs(t)=Ri(t)=exp(-i t)=exp(-s t)-（5）式中：s=i 第45页，共49页。由此可见，假设元器件失效分布为指数分布，串联系统的三个重要特性：（1）串联模型系统的可靠度等于各单元可靠度的乘积；（2）串联模型系统的失效率等于各单元失效率之和；（3）假设元器件失效分布为指数分布，则系统失效分 布也服从指数分布2）并联系统的可靠性模型并联系统的可靠性模型 并联
28、系统是指只要有一个单元正常工作系统就能保证正常工作的冗余系统。反之，系统内所有单元全部失效，系统才失效。第46页，共49页。四四 系统可靠性预计的方法：系统可靠性预计的方法：1 元器件记数法元器件记数法 元器件记数法是根据组成系统的所有元器件的数量及该种元器件的的通用失效率、元器件质量等级并考虑设备使用环境类别以估算系统可靠性的一种方法。用此方法计算失效率所用的通用数学表达式是：第47页，共49页。对给定的设备而言,式中：设备为总设备失效率；q为第i种通用元器件的质量系数；G为第i种通用元器件的通用失效率；Ni为第i种通用元器件的数量；n为不同的通用元器件种类数。预测的依据可以从国军标GJB299电子设备可靠性预计手册查得，进口元器件可参考美国军用手册MIL一HDBK217电子设备可靠性预计手册。第48页，共49页。2 元器件应力分析预计法元器件应力分析预计法 元器件应力分析预计法是通过分析元器件所承受的应力，计算元器件在该应力条件下的失效率来预计系统可靠性。它与元器件记数法区别在于所需信息深度的差异，元器件应力分析预计法需要更详细的信息，它适合硬件电路设计的后期阶段。第49页，共49页。
