第十章 頻率及有效功率自動調整

第一節 概述 船舶電站負載發生變化，如電動機啟動、停俥等引起的，而發電機的原動機油門尚未來得及調整，這樣，原動機的驅動功率與負載功率的平衡關係被破壞，引起發電機組轉速的變化(n=120f/P)，從而使電網頻率發生變化。 當電網頻率降低時，由於異步電動機的轉速下降，軸上輸出功率和效率降低。 在電動機電壓不變的情況下，磁化電流增加會引起鐵心和繞組發熱，當頻率高於額定值時，電動機轉速升高，其輸出功率增加，使電動機過載。

由於原動機是按額定轉速發出最大功率和最大效率設計的，當轉速變化時，就會使原動機效率降低並使其零件磨損加劇。 數台發電機並聯運行時，頻率波動會引起各機組有功負載分配不均勻，造成有的機組過載，嚴重時穩定運行受到破壞。 為了保證船舶電力系統運行的可靠性和經濟性，運行中對原動機轉速即發電機頻率的調整是十分重要的。

帶動發電機的原動機(包含柴油機及汽輪機)需裝有調速器，其調速特性應符合下列規定:當突然卸去額定負載時，其瞬間調速率不大於額定轉速的10%，穩定調速率不大於額定轉速的5%，穩定時間(即轉速恢復到波動率為±1%範圍的時間)不超過5s。對原動機調速性能的這些要求，其實在於保證電力系統的頻率波動也在上述的範圍之內，如圖1所示。

發電機輸出的有功功率是由原動機的機械功率轉化來的。隨著負載的變化需要經常調整原動機的轉速，以保持電網頻率的恆定。 對並聯運行的發電機，改變發電機間的有功功率分配，是透過改變各台發電機組原動機的油門大小，即單位時間內進入汽缸的燃油量來實現的。 柴油機噴油量的大小，決定著柴油機在一定轉速下的輸出功率。

為了增強並聯運行發電機組的穩定性和經濟性，並聯運行發電機組功率的理想分配狀況是:對於同容量、同型號發電機組並聯運行時，應將系統的總負載平均分配給參與運行的各台機組；當不同容量的發電機組並聯運行時，則將系統的總負載按各台發電機組容量成比例的分配給運行的發電機。

並聯運行的各交流發電機組均應能穩定運行，且當負載在總額定負載的20%~100%範圍內變化時，各機組所承擔的有功負載與總負載按機組額定比例分配值之差，應不超過下列數值中的較小者: (一)最大機組額定有功功率的±15%; (二)各個機組額定有功功率的±25%。 在船舶電力系統中，頻率的調整及有功功率分配依賴於原動機調速器的調節。為了減輕船員的工作量，提高供電的質量，通常設置自動調頻調載裝置，簡稱頻載調節器。

第二節 調速器與調速特性 一.調速器的工作原理 下面以離心式調速器來分析調速器的工作原理及特性。 調速器是根據實際轉速與給定值之間的偏差，對轉速時行調整的自動調整器。 調速器的種類很多，現以柴油機常用的離心式調速器為例，說明其工作原理及特性。

離心式調速器的結構原理如圖2所示。調速器的豎軸「1」通過齒輪傳動裝置與柴油機「9」的軸連接。當柴油機轉動時，軸「1」帶動離心飛錘「2」一起轉動。飛錘「2」與槓桿系統聯結器「3」連接在一起，穿過連接器的套筒「4」把彈簧「5」壓在連接器上。改變套筒「4」的高度，就改變了彈簧「5」的長度，相應的改變了彈簧對連接器的壓力，所以，套筒的彈簧是一個轉速整定裝置。在套筒位置不變，彈簧壓力一定的情況下，柴油機轉速越高，飛錘的離心力越大，連接器的位置越高；反之，轉速越低，連接器位置就降低。因此，柴油機的轉速與連接器的位置一一對應。

連接器「3」上固定著滑動槓桿ABC，槓桿的B端連接在油壓缸「6」的活塞上。活塞的另一頭通過直角槓桿DE接到控制燃油泵「7」的閥門拉桿上，ABC槓桿的另一頭C與配壓閥「8」的活塞相接。當柴油機轉速正常時，配壓閥的活塞堵住了管a和管b的通道，因此高壓油不能進入油缸「6」，油壓缸活塞不會移動，柴油機燃油的輸入量不會改變。只要配壓閥活塞(或C點)保持不變。柴油機就在給定的轉速下運行。

設柴油機帶負載為P1時，調整器槓桿的位置為A1、B1，C1，如圖3的位置[1]。當負載由P1增加到P2=P1+ΔP時，則柴油機轉速因能量輸入不足而降低，飛錘的離心力減小，連接器的位置從A1點下降到A'點。由於油的不可壓縮性，此時槓桿的B1點是不動的，而配壓閥活塞上移，C1點提昇到C'點的位置(圖3的位置[2])，這就打開了配壓閥上a管和b管的通道。壓力油從a管流入油壓缸活塞的上部，活塞下部的油通過b管以便從配壓閥排出。活塞在油壓的作用下向下移動，一方面始槓桿B點下降，另一方面帶動直角槓桿DE，拉動燃油泵的拉桿，使油門加大。這時進入柴油機汽缸的燃油也增加，因此使配壓閥的C'點向下運動，於是調速器工作在新的穩定平衡狀態。此時C1點位置與原來位置沒有變化，而B1點則移到B2點，A1點則移到A2點，槓桿處於新的平衡位置A2、B2、C1，如圖3的位置[3]。

從這裡可以看出，在新的穩定平衡狀態下，柴油機承擔的負載增大，進油量也增加，但轉速卻下降了，所以這種調速器的調速性能是較差的。同理，當柴油機負擔減少時，調速器的動作過程與此相反。

二.調速特性 把柴油機轉速n或者頻率f與柴油機輸出功率P的關係稱為調速特性。如果轉速或頻率與輸出功率大小無關，則稱為無差調速特性，如圖4曲線1所示。一種經放大器間接作用於油門的調速系統，具有這種無差特性。若轉速或頻率隨柴油機輸出功率增加而降低，則稱有差調速特性，如圖4曲線2所示。

調速特性一般用調差係數Kn來表示 式中，tanα為調速特性斜率。

第三節 頻率的調整 當柴油機輸出功率變化時，依靠調速器的固有調速特性自動改變油門的開度。實現轉速與功率平衡的調節過程通常稱為轉速(頻率)的一次調節。 對有差調特性的調速器來說，功率變化時僅靠調速器的一次調節不能維持頻率不變，為此必須進行二次調節。 所謂調速器二次調節是透過手動或自動頻載調節器，控制伺服電動機的正反轉，改變調速器的彈簧的壓力，使調速特性上下平移，實現頻率和機組功率分配的調節過程。

在圖2中套筒「4」是透過蝸輪蝸桿由伺服電動機SM進行控制的。接通電源，使伺服電動機SM轉動，便可以改變套筒「4」的上下位置，亦即改變彈簧對連接器壓力的大小，就可實現調速特性上下平移，如圖5的{1}、{2}、{3}曲線。如柴油機負載P1不變，對應轉速n1透過正向或反向轉動伺服電動機，調速器特性上移或下移，可使柴油機的轉速上升到n2或下降到n3。

下面討論單機運行時，手動調頻的情況。如圖6所示，假設當發電機運行於特性曲線1時，負載功率為P0，此時頻率為額定值fN，如圖6中的A點。若負載增加到P1，此時，因發電機組的輸出功率小於負載功率(P0<P1)，機組要減速，同時在調速器作用下，柴油機的油門開大，機組輸出功率增大，滿足功率平衡。動態過程中機組特性曲線1中的A點變化到B點，這時，對應的頻率將為f1(<fN)。為了保持頻率額定，必須透過二次調節，增加調速器彈簧的預緊力，加大油門，將特性曲線平移抬高到特性曲線2；由於慣性，當機組頻率還沒有來得及改變時，其頻率仍為f1，但這時機組已運行於特性曲線2上的C點，此時，對應於機組輸出功率為P2，且P2>P1，剩餘的功率使機組加速，沿曲線2上行，即頻率由f1上升，剩餘功率逐漸減少，最後將達到功率平衡點D處才穩定。其對應於頻率fN和功率P'1(因頻率上升使負載從電網吸收的總功率也增加P'1>P1)

第四節 並聯發電機組間的有功功率分配與轉移 並聯運行發電機組間的有功分配調節，以及在並俥和解列時的負載轉移，其實就是相對地平移機組調速特性曲線的過程，從而達到有功功率的合理分配及負載轉移的要求。 並俥前1號機承擔電網的全部功率P，電網頻率為 fN，穩定運行工作點在1號機特性曲線上的A點。按同步條件併俥合閘後的2號機，運行在特性曲線2上、功率為零；既沒有有功功率的輸出也沒有輸入，僅是浮接在電網上。轉移負載的過程，就是使2號機『加速』，特性曲線2平行上移，功率增加的過程；與此同時，1號『減速』，特性曲線1平行下移，功率減少，並保持頻率fN不變，直到兩機功率相等(同容量，各為P/2)。這時兩曲線的交點B，即為新的穩定並聯運行工作點。而解列時與上述過程正好相反。

第五節 調差係數與功率分配間的關係 並聯運行發電機組之間有功功率能否自動的、穩定的按容量比例合理分配，與並聯機組的調速器的調速特性(或發電機的頻率-功率特性)有關。 要保證並聯運行的穩定必須是功率分配穩定。要使功率分配穩定，兩並聯機組的調速特性必須是有差特性。 要使並聯機組在任意負載下都能穩定的按容量比例自動分配功率，則不僅是有差特性而且特性曲線的下降斜率(即調差係數Kn)也要一致。

當n台發電機組並聯運行時，各機組具有相同的頻率。有功功率的分配取決於各機組的調速特性。如圖8所示，假如兩台發電機並聯運行的頻率為f1，1號機和2號機分別承擔的功率為P1和P2，當系統總功率增加ΔP時，系統頻率下降至f2，1號機和2號機分別承擔的功率為P'1和P'2。依有影線的兩個三角形可以得到 式中 Kn1，Kn2 ─ 分別為1號發電機和2號發電機 調速特性的調差係數； Δf ─ 頻率的變化量。

根據上述分析，發電機之間有功負載分配與調速特性的斜率成反比關係。同時，原動機的轉速或發電機的頻率隨系統負載的變化而變化。

由於船上多採用同型號、同容量的機組並聯運行，希望調速器的型號亦相同，及調速特性的斜率相同，Kn1=Kn2=Kn，則由式(5)可得 可見，同型號、同容量的機組並聯運行，在相同斜率的調速特性下，兩機組能均分系統的負載增量。

實際上，當調速器的調差係數不可調時，很難滿足Kn完全一致。另外，由於調速器結構中的間隙，使調速器有失靈區，其調速特性並不是一條理想的直線，而是一條寬帶，此時功率分配仍可能不均勻。所以，兩台具有相同調速特性的發電機組並聯運行時，功率分配不可能做到完全均勻。因此，功率分配也就在一定的偏差。

例如，圖9為調差率不同的並聯機組，並聯轉移負載後兩機組的功率分配相等P1=P2，頻率為額定fN。但當電網功率增加後，電網頻率下降為f1，這時兩機組的功率分配不再相等。由頻率f1與兩特性曲線的交點可以看出，特性曲線斜率小的比斜率大的增加的功率大，即ΔP1>ΔP2；如果是電網功率減小，頻率上升，則是斜率小的比斜率大的減小的功率更大。如果兩曲線的斜率都稍大些，這種分配差就小一些。

從功率分配的角度來看，調速特性的斜率(調差係數)Kn越大，其分配的誤差越小，但當系統負載波動時，頻率的波動越大。而從頻率穩定的角度來看，要求調速特性的斜率為Kn越小越好，兩者存在著矛盾。 一般調速器的調差係數以3%~5%為宜。 採用自動調頻調載裝置能比較理想的解決這一矛盾，既能使系統頻率穩定在給定的範圍內，又能使功率分配誤差量縮小。

一般來說，若調速器選配恰當，在調速器自動調節(一次調節)下，功率分配的靜態誤差和頻率的靜態誤差不會太大，否則就加裝自動調頻調載裝置進行二次調節。 即使加裝自動調頻頻載裝置後，一般只要求功率分配之差在各發電機額定容量的±15%~±10%以內，頻差在±0.5Hz之內。否則，靜態指標要求過高，調節變的過分頻繁，對伺服機構不利。

第六節 自動調頻調載裝置 一.基本功能 在具有多台機組的船舶交流電站中，當需要兩台以上的機組併聯供電時，或者雖然只需要單機供電，但為了能夠不間斷的供電，都需要進行併車、解列的負載轉移和分配的操作。 為了實現船舶電力系統自動化，『頻率自動調整和有功功率的自動分配』是不可缺少的環節。 通常把執行頻率和有功功率自動調整任務的裝置稱為自動調頻調載裝置。它的基本功能如下: (1)自動維持電力系統頻率為額定值； (2)依並聯運行各機組的容量按比例自動分配負載有功功率； (3)接到『列解』指令時，能自動控制負載轉移，待其負載接近零時，才使其發電機主開關自動跳閘，與電網脫離。

二.構成和基本單元 1.自動調頻調載裝置的構成 頻率及有功功率自動調整裝置(簡稱調頻調載裝置)是協助原動機調速器自動的保持電網頻率為額定值，維持並聯運行發電機之間有功功率按比例分配的一種自動化裝置。同時，它可以與自動併俥裝置配合使用，以實現對待並發電機的頻率調節，創造同步合閘的條件，並在並聯投入之後，能使運行機組負載自動轉移。

自動調頻調載的電路很多，可用圖10方框圖來描述。其基本原理都是透過頻率檢測環節和有功功率檢測環節，把匯流排頻率改變及各機組承擔有功功率轉換成電壓(或電流)信號，並進入到運算環節進行運算，根據頻率偏差和有功功率分配的偏差而向調整器發出信號，控制執行機構，自動調節原動機油門，從而使電網頻率維持在額定值和各機組間有功功率均勻或按發電機容量比例進行分配。

2.自動調頻調載裝置的基本單元 圖10中的自動調頻調載裝置主要由頻率檢測、有功功率檢測、運算環節和調整器四個基本單元組成。這些單元的電路型式多種多樣，但基本功能不變，下面就典型的單元電路加以介紹。 (1)頻率檢測 對頻率檢測的要求是:當被測頻率為額定值(50或60Hz)時，測量環節輸出為零；當頻率偏離額定值時，依偏差的方向，輸出不同極性的直流電壓信號。偏差越大，輸出的直流電壓信號越大。 時

下面以諧振式頻率檢測器為例說明其作用原理。 圖11是一種按差動諧振電路工作原理構成的頻率測量單元。被測頻率的電壓信號u加在變壓器T原邊UV兩端，變壓器的副邊有兩個繞組，分別供給兩個獨立的LC電路。

在這兩個電路中L1和L2是具有氣隙的鐵芯電感，C1和C2為諧振用的交流電容器，他們分別構成LC串連諧振電路。只要適當選擇L和C的值，兩電路就分別在某一頻率下發生串連諧振。 即 。在L1和C1諧振電路中，使諧振頻率高於60Hz(取60Hz)；在L2和C2諧振電路中，使諧振頻率低於60Hz(取55Hz)。由於諧振時電路電流最大，阻抗呈純電阻，電阻上的壓降與電流相位相同，這時分別在R1和R2上產生的壓降最大。諧振曲線如圖12虛線所示。

如果取R1=R2，諧振電流經D1~D8整流後，輸出電壓Uf=UR2-UR1。由於得到輸出電壓曲線，如圖12中實線所示。當頻率為60Hz時，輸出電壓Uf=0；當f>60Hz時，Uf為負值；當f<60Hz時，Uf為正值，且Δf越大，Uf的數值也越大(f在55~65Hz的範圍內)。圖11中R3的作用是調整f=60Hz時，使得Uf=0(頻率整定)。

(2)有功功率檢測 它的作用是獲得一個與發電機有功功率成比例的直流電壓。下面介紹一種相敏式有功功率檢測電路，其原理如圖13所示。為了測量發電機的有功功率，接入線路的電流和電壓必須屬於同相，例如電壓為Vw相，電流亦為Vw相。

圖13中，發電機電壓Uvw經電壓互感器TV1接入，副邊電壓U1=U2；發電機電流經電流互感器TA1和TA2、TA11和TA21接入，TA11和TA21的副邊形成差接，則有 ，其中K1為變比係數，等於兩級電流互感器變比係數的乘積，Ivw在電阻rm上產生的壓降為Uf，根據相敏電路原理可以得出如圖14所示的矢量圖。

(3)運算環節 為了提高調節精度，可採用積分式運算環節，其原理方框圖如圖15所示。它由比較放大器A、B、C(放大係數為α)、加法器D和積分器E組成一個無差調整環節。

加法器D求出各放大器輸出之和，這個和值使積分器E工作，積分器E的輸出量US增加或減少到一直使加法器D輸出至零為止。所以，積分器E不斷工作，當US達到某一定值時，下列關係式成立:

若U1>US，則說明1號發電機承擔負載大於平均值，這時便向調整器1送出減少油門信號； 經過反覆調整，直到U1=U2=U3=US，各發電機所承擔的有功功率均勻為止。 同樣，若電網的頻率偏離額定值，則頻率變換器輸出Uf不等於零，透過比較放大器A、B、C向調整器發出信號，同時增大或減少原動機油門(或汽門)，使頻率回到額定值。

(4)調整器 調整器又稱執行機構，它是根據運算環節送來的信號電壓的大小與方向，發出相應加大或減小油門的指令來控制伺服馬達正反轉，以實現有功功率的均勻分配和保持頻率恆定。 輸入的信號電壓絕對值越大，則調整器輸出脈衝信號的脈衝頻率高(脈衝寬度一定時)或脈衝寬度越寬(脈衝頻率一定時)，按照預定的調頻準則輸出控制電壓，實現頻率和有功功率的自動調節。

當輸入到調整器的信號電壓為正時，調整輸出相應頻率或寬度的減速脈衝信號，控制減速開關，使接通伺服電動機反轉，以關小油門或汽門，使原動機減速，反之，當輸入到調整器的信號電壓為負時，調整器輸出相應頻率或寬度的加速脈衝信號，控制加速開關，使接通伺服電動機正轉，以開大油門或汽門，使原動機加速。

綜上所述，自動調頻調載裝置實質上就根據恆頻和按比例分配有功負載的要求對調調速器實現調整的自動裝置。它只能根據頻率和功率分配的靜態誤差來調整。 在並聯運行負載經常突變的情況下(如起重機工作時)，各機組的動態特性相差較大，因此，在動態過程中，頻率和功率分配必定變化較大。 在過渡期內，自動調頻調載裝置不宜介入，以免打亂調速器的正常工作。當動態過程結束、系統穩定後，由於調整器的有差特性不完全一致，系統的頻率和功率分配就會出現靜態誤差，自動調頻調載裝置只是根據這個靜態誤差來進行調整。

為了使裝置避開動態過程，一般採用延時的方法來實現。 當負載頻繁變動時，為避免裝置頻繁動作，甚至出現亂調或震盪，一般應將該裝置切除。 在加裝自動調頻調載裝置後，頻率恆定與功率分配的均勻度都得到保證，但是靜態指標要求高了，調節就頻繁，對伺服機構不利。 加裝自動調頻調載裝置後，一般只要求功率分配之差在各發電機額定容量的±5%~±10%以內，頻率差在±0.5Hz以內。