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14 3晶闸管自励恒压励磁系统 晶闸管自励恒压装置原理 如图14 16所示 返回 晶闸管自励恒压装置原理主要由测量移相比较环节 触发控制环节及励磁主回路三大环节组成 1 测量比较环节测量比较环节中包括测量滤波及比较两个回路 其作用是采样发电机电压并经整流器变换为直流电压 与给定的基准电压值相比较 得出偏差信号 该偏差信号经放大后去控制发电机的励磁 所以 测量比较环节的性能 直接影响励磁系统的动态和静态特性 通常要求测量比较电路具有较好的稳定性 线性度 足够的灵敏度 以及优良的动态性能 该系统测量回路主要由测量变压器TC 和整流滤波电路VD组成 测量回路通常采用单相全波桥式整流 三相全波桥式整流 六相全波桥式整流 整流相数越多 则输出电压越平稳 图14 17为单相全波桥式整流 三相全波桥式整流 六相全波桥式整流电路图 为了得到平稳的直流电压需要滤波电路 滤波电路通常有T型滤波 双T型滤波和桥式滤波等几种 1 测量回路 比较电路大多采用桥式比较电路 其作用是把测量整流电路输出的电压与基准电压相比较 得到一个反映发电机电压偏差的直流电压信号 由于稳压管具有恒压特性 它常被用作比较电路的基准电压元件 图14 18为双稳压管桥式比较电路及特性 2 比较电路 比较电路的特性 先正反馈 后负反馈 1 正反馈是指输出电压随输入电压的增大而增大 该特性是发电机自励起压过程 2 负反馈是指输出电压随输入电压的增大而减少 该特性是使发电机输出电压保持恒定的作用 稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管 其V A特性曲线与普通二极管相似 但反向击穿曲线比较陡 稳压二极管工作于反向击穿区 由于它在电路中与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用 故称为稳压管 1 移相触发环节触发控制回路 主要由移相及脉冲形成电路组成 根据比较电路输出的偏差电压UK的大小和极性 移相电路对晶闸管发出相应控制触发角的脉冲 调整晶闸管的导通角 由于三相桥式可控整流器能随电压偏差而输出相应的励磁电流 使电压保持恒定 所以具有良好的静态电压调整特性 2 励磁主电路励磁装置中的可控整流电路与一般的可控整流电路相同 如图14 19所示有单相半波 单相桥式 三相桥式可控整流电路等几种 2 移相触发环节及励磁主回路 14 4可控相复励自励恒压励磁系统 返回 前述的相复励装置 虽然具有动态性能好 强励能力强等特点 但其调压精度不高 调压特性的线性度差 为此在按进行不可控相复励调压的基础上 又加上了一个按进行微调的自动电压调节器AVR AutomaticVoltageRegulator 这就是所谓可控相复励自励恒压励磁系统 其原理图如图14 20所示 可控相复励恒压原理是 采用相复励作为基本励磁电流 通过 晶闸管 等控制器 AVR 控制励磁电流的 微调 从而实现 高精度的 恒压控制 可控相复励自励恒压装置 采用在电磁迭加相复励装置的三绕组变压器中加一个直流磁化绕组的方法 自动电压调节器AVR通过改变直流磁化绕组中的电流来改变变压器铁芯的磁化程度 从而控制相复励变压器的各交流励磁线圈的电抗 以控制相复励变压器的输出电流 如图14 21所示 一 可控相复励变压器式可控相复励装置 直流磁化绕组 直流电流可改变磁路磁导率 使交流绕组电抗改变 从而改变相复励变压器输出电流 磁放大器原理 二 可控移相电抗器式可控相复励装置 可控移相电抗器式调压器原理图如图14 22所示 这种装置的基本励磁装置为电流相加的相复励装置 不同的是移相电抗器用饱和电抗器取代固定电抗器 AVR按电压偏差输出相应的直流来控制饱和电抗器的饱和程度 以调节相复励装置交流侧电流 从而消除电压的偏差 图14 23所示为可控电抗器分流的调压器的单相原理图 它在整流器的交流侧并联一个三相饱和电抗器 进行交流侧的分流控制 当出现电压偏差时 AVR的电流IT控制饱和电抗器的饱和程度 从而改变分流 以达到调压的目的 返回 三 可控电抗器分流的调压器 图14 24所示为交流侧晶闸管分流的调压器单线原理图 晶闸管并联在相复励装置的交流侧实现交流侧的分流 当电压出现偏差时 AVR输出与电压偏差相应的触发电流 改变晶闸管的导通角进行分流 通常在晶闸管电路中串联一适当的阻抗 以限制晶闸管导通时的分流电流 与饱和电抗器交流侧分流的电路相比 晶闸管分流是断续的 而饱和电抗器交流侧分流是连续的 返回 四 交流侧晶闸管分流的调压器 直流侧晶闸管分流的调压器单线原理图如图14 25所示 它与交流侧晶闸管分流的可控相复励装置不同的是晶闸管并联在直流侧 工作原理大致相同 返回 五 直流侧晶闸管分流的调压器 14 5无刷发电机励磁系统 同步发电机转子的励磁电流 是通过电刷和滑环引进发电机励磁绕组 由于电刷的磨损 增加了维护和保养工作 磨损产生的碳粉又会导致发电机绝缘下降 产生的电火花不仅会影响无线电通讯 在油轮上使用极为危险 为从根本上解决这一问题 采用了具有同轴交流励磁机和旋转硅整流器的无刷同步发电机 图14 26为无刷同步发电机励磁系统 返回 励磁机 EX 两个励磁绕组 主磁通为这两个绕组共同产生 基本励磁 电流叠加相复励 励磁绕组F1 辅助励磁通过AVR提供 励磁绕组F2 单线原理图 可控复励恒压原理 14 6船舶同步发电机组间无功功率自动分配 当两台并联运行发电机的电压不相等 而频率 相位相等时 则在两机组之间将产生一个无功性质的环流 其结果将使电压较高的发电机输出无功功率增大 而电压较低的发电机输出的无功功率减少 发电机负载电流功率因数低的 无功功率大 功率因数高的 则无功功率小 由此可见 当同步发电机并联运行时 通过改变发电机的励磁电流来调节其电势 即能调整无功输出 实现无功功率转移 通常同步发电机都配有自励恒压装置来自动调整发电机的电压 因此同步发电机有一定的电压调整规律 也称电压调整特性 图14 27为电压调整曲线 电机端电压UG随无功电流IQ变化的规律 图14 28为并联运行无功功率分配 返回 无功分配不均危害 铜损增加 效率下降 并联稳定性下降 一台易过载保护 从而都跳闸 规范 规定 当负载在总额定功率20 100 范围变化时 应能稳定运行 功率分配误差应符合 实际承担无功功率与按额定功率分配比例的计算值之差 应不超过最大发电机额定无功的 10 是指发电机端电压UG随无功负载电流IQ变化的规律 通常用UG f IQ 的曲线表示 电压调整特性又称发电机无功负荷外特性 电压调整特性的性能用调差系数KQ来衡量 KQ的含义 是当无功电流由零增至它的额定值IQN INsin 时 发电机电压产生的相对变化量 同步发电机的电压调整特性 无差特性 有差特性 稳定要求 调压特性都为有差特性 且两特性应尽量一致 特性不一致 无功功率分配不均 若为无差特性或上翘特性则不均且不稳定 一 无功功率分配的基本原理 调节 通过调节发电机的励磁电流达到无功功率的调节 为了维持电网电压不变 应该两台同时反方向调节 分配与调压器特性有关 调压特性 无差特性和有差特性 图14 29是直流均压连接线路图 直流均压连接法又称转子均压连接法 它只适用于同容量同型号发电机的并联运行 它是将并联运行发电机的励磁绕组用两根均压线并联起来 均压线的接通和断开与发电机主开关相互连锁 图中KA1和KA2为均压线连接接触器 分别由主开关常开副触头控制 有了直流均压线后 就能使励磁电流随无功负载的变化而相应变化 以保证无功负载分配均匀 例如 当一台发电机励磁电流大于另一台的励磁电流时 均压线上产生均衡电流 均衡电流是从励磁电流较大的发电机流向励磁电流较小的发电机 使前者励磁电流减少 后者励磁电流增加 直至两台发电机励磁电流接近相等时为止 图14 29中也有的加入电阻R0 其作用是减小并车时产生的冲击电流 1 直流均压线 对容量不同的同步发电机并联运行 可采用交流均压线 如图14 30所示 图中 两台发电机调压装置的移相电抗器通过均压线并联 该连接处在三相整流器之前的交流侧 当两台发电机电势不相等时 通过交流均压线的联接可使发电机输出电压均衡 以保持无功功率均匀分配 2 交流均压线 在按电压偏差进行调压的励磁系统中 调差系数KC一般是很小的 甚至几乎接近是无差的 这样 在发电机并联运行时 就会使无功功率的分配不稳定 为了使调压特性曲线为具有足够倾斜度的有差调整特性 且KC相同 稳定平均的分配无功功率 所以在调压器上加装了可以改变调差系数的装置 因其作用就是利用电流信号 通过调压器作用 以使无功电流的分配稳定 故称做电流稳定装置 图14 31是电流稳定装置原理图 图14 32是某船两台发电机无功分配连接图 3 电流稳定装置 判断两机之间的无功功率分配是否均匀 可以采用以下两种方法 1 机组并联运行 两台发电机功率表 有功 指示基本相同而电流表指示相差太大时 说明无功分配装置存在故障 2 机组并联运行 两台发电机功率表 有功 指示基本相同而功率因数表 cos 表 指示相差较大时 说明无功分配装置存在故障 在发电机并联运行时 其无功功率的分配是由自动电压调整器来自动完成的 但是如果电器元件出现故障 也会使无功分配装置出现故障 下面以均压线连接为例来分析故障排除的方法 重点检查均压接触器 1 检查接触器是否通电动作 检查线圈本身 发电机主开关常开辅触点 熔断器 导线及相应接线柱等 或修复或更新 2 检查接触器触点是否可靠闭合 或打磨修理或更新 如果触头接触不良 会使均压线断路 并车时不易并上 即使空气开关能合闸 发电机也不能稳定地并联运行 两台发电机的电流可能同时急剧上升 直至发电机的主开关保护动作而跳闸 返回 图14 16晶闸管自励恒压装置原理图 返回 图14 17单相全波桥式整流 三相全波桥式整流 六相全波桥式整流电路图 返回 a 直流测量电桥比较电路 b 特性输出 图14 18双稳压管桥式比较电路及特性 正反馈 发电机自励起压过程 负反馈 使发电机输出电压保持恒定的作用 返回 a 单相全波半控 b 三相半波半控 c 三相全波半控 图14 19励磁系统主回路 返回 图14 20可控相复励自励恒压励磁系统原理图 相复励装置作用是实现自励起压 负责动态电压调整 电压调节器AVR作用是负责静态电压调整 返回 图14 21相复励变压器式可控相复励装置 直流磁化绕组 直流电流可改变磁路磁导率 使交流绕组电抗改变 从而改变相复励变压器输出电流 磁放大器原理 返回 图14 22可控移相电抗器式可控相复励装置 返回 图14 23可控电抗器分流的调压器 返回 图14 24交流侧晶闸管分流的调压器 返回 图14 25直流侧晶闸管分流的调压 返回 图14 26无刷同步发电机励磁系统 返回 图14 27电压调整特性曲线图14 28并联运行无功功率分配 返回 图14 29直流均压连接线路图 返回 图14 30交流均压线接法 返回 图14 31电流稳定装置原理图 返回 14 32实船两台发电机无功分配连接图 晶闸管 SiliconControlledRectifier简称SCR 是起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用 其中 A 阳极 K 阴极 G 控制极 二 晶闸管的工作原理 实验电路如图 a 所示 主电路加上交流电压 u2 控制极电路接入Eg 在t1瞬间合上开关S 在t4瞬间拉开开关S 则u2 ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图 b 所示 1 在0 t1之间 开关S未合上 ug 0 尽管uAK 0 但ud 0 即晶闸管未导通 2 在t1 t2之间 uAK 0 由于开关S合上 使ug 0 而 即晶闸管导通 3 在t2 t3之间 uAK0 但ud 0 即晶闸管关断 4 在t3 t4之间 uAK 0 这时ug 0 而 所以 晶闸管又导通 5 当t t4时 ug 0 但uAK 0 即晶闸管仍处于导通状态 6 当t t5时 uAK 0 ug 0 而ud 0 即晶闸管关断 晶闸管处于阻断状态 综上所述可得出以下结论 1 起始时若控制极不加电压 则不论阳极加正向电压还是反向电压 晶闸管均不导通 这说明晶闸管具有正 反向阻断能力 2 晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通 这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件 3 在晶闸管导通之后 其控制极就失去控制作用 欲使晶闸管恢复阻断状态 必须把阳极正向电压降低到一定值 或断开 或反向 晶闸管的PN结可通过几十安 几千安的电流 因此 它是一种大功率的半导体器件 由于晶闸管导通时 相当于两只三极管饱和导通 因此 阳极与阴极间的管压降为1V左右 而电源电压几乎全部分配在负载电阻上 三 晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性 正向 uAK 0 正向阻断状态 当ug 0 uAK UDSM 元件中有很小的电流 正向漏电流 流过 处于截止状态 称为正向阻断状态 简称断态 正向击穿 当ug 0 uAK UDSM 晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态 UDSM称为断态不重复峰值电压 或用UBO表示称正向转折电压 正向导通状态 ug 0 uAK 0 晶闸管导通 其电流的大小由负载决定 阳极和阴极间的管压降很小 反向 uAK 0 反向截止状态 当uAK URSM 元件中有很小的反向电流 反向漏电流 流过 处于截止状态 反向击穿 当uAK URSM 晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状态 URSM称为反向不重复峰值电压 或用UBR表示称反向击穿电压 四 晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件 必须要了解它的主要参数 一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值 产品合格证上标有元件的实测数据 1 断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下 可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压 UDRM UDSM 100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量 一般 晶闸管的UDRM应等于所承受的正向电压的 2 3 倍 2 反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下 可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压 URRM URSM 100 3 额定通态平均电流 额定电流 IT 在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下 晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流 在一个周期内 平均值 称为额定通态平均电流 简称为额定电流 4 维持电流IH 在规定的环境温度和控制极断路时 维持元件继续导通的最小电流称维持电流 一般为几mA 一百多mA