船舶軸帶發(fā)電機(jī)中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)分析

繆昶昌

（江蘇新?lián)P子造船有限公司，江蘇 靖江 214521）

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在船舶運(yùn)行過(guò)程中，軸帶發(fā)電機(jī)的主要作用是實(shí)現(xiàn)主機(jī)綜合效率的進(jìn)一步提升，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)航運(yùn)燃料用量及其費(fèi)用的有效降低，使其達(dá)到良好的節(jié)能效果。在這樣的情況下，作為其應(yīng)用過(guò)程中的一種關(guān)鍵技術(shù)形式，軸帶發(fā)電機(jī)中的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也開(kāi)始備受關(guān)注。因此，相關(guān)研究者與技術(shù)人員一定要加強(qiáng)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究，以此來(lái)促進(jìn)軸帶發(fā)電機(jī)在船舶中的良好應(yīng)用與發(fā)展。

1 船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其工作原理概述

1.1 軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

所謂船舶軸帶發(fā)電機(jī)，就是通過(guò)船舶主機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而為船舶電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)裝置，該裝置可將主機(jī)中儲(chǔ)備的一部分功率加以充分利用，不僅可達(dá)到良好的增效作用，也可以實(shí)現(xiàn)能源的進(jìn)一步節(jié)約。

在船舶軸帶發(fā)電機(jī)的具體應(yīng)用中，其主要的環(huán)節(jié)有：1）發(fā)電環(huán)節(jié)；2）整流以及逆變環(huán)節(jié)；3）無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)；4）調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流環(huán)節(jié)；5）調(diào)節(jié)逆變角環(huán)節(jié)；6）電網(wǎng)以及負(fù)載環(huán)節(jié)。

1.2 主要工作原理

在軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，其6個(gè)環(huán)節(jié)的主要工作原理如下：

1）在發(fā)電環(huán)節(jié)中，每相發(fā)電機(jī)定子繞組電壓以及勵(lì)磁電流都與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比關(guān)系，其公式為：

式中：E為發(fā)電機(jī)的每相電壓輸出值；K為比例系數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度；If為發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁電流；Iq為定子各相繞組中的有效電流值；Xd為定子各相繞組同步電機(jī)。

2）在整流逆變環(huán)節(jié)中，序號(hào)2是控硅整流器，其主要組成是二極管，可以將來(lái)自于發(fā)電機(jī)的三相交流電轉(zhuǎn)變成直流電；序號(hào)3是可控硅形式的有源逆變器，其主要組成為可控硅橋形式的變流器，可以實(shí)現(xiàn)直流電到恒壓交流電的轉(zhuǎn)換。其中的有效電流值計(jì)算公式為：

式中：E為發(fā)電機(jī)中輸出的電壓；α為整流角，主要通過(guò)二極管整流，其取值是0°；U為電網(wǎng)中整流逆變之后的電壓；β為逆變角，其作用是對(duì)晶閘開(kāi)關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通控制；Z為整流逆變中的總阻抗。

3）在無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)中，軸帶發(fā)電機(jī)在通過(guò)整流逆變之后僅僅實(shí)現(xiàn)有功功率的發(fā)出，因此一定要將無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)置到此類(lèi)電機(jī)中（一般為步進(jìn)電機(jī)），以此來(lái)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，讓電網(wǎng)中的功率因數(shù)得以有效提升，使其電壓保持穩(wěn)定[1]。

4）在勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，序號(hào)6是可控硅形式的觸發(fā)控制裝置，其主要功能是按照發(fā)電機(jī)的輸出功率以及電壓水平等實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的脈沖指令信號(hào)生成；序號(hào)7是可控硅形式的整流裝置，其主要功能是按照指令信號(hào)進(jìn)行勵(lì)磁電流的輸出。

5）在逆變角調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，如果主機(jī)轉(zhuǎn)速處于額定值的75%～100%，發(fā)電機(jī)的發(fā)電便保持正常，其逆變角也會(huì)處在最小值，且保持不變，這時(shí)的發(fā)電機(jī)既可以實(shí)現(xiàn)額定功率輸出，也可以在額定功率120%的超負(fù)荷狀態(tài)下維持30 s的供電。如果主機(jī)轉(zhuǎn)速處于額定值的40%～75%，發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁電流將會(huì)達(dá)到最大值，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)其輸出功率的最大化，如果主機(jī)轉(zhuǎn)速在這一范圍內(nèi)逐漸降低，其逆變角則會(huì)逐漸變大，進(jìn)而有效防止其輸出功率突變，以此來(lái)確保船舶電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。如果主機(jī)轉(zhuǎn)速處于額定值的40%，發(fā)電機(jī)的工作便會(huì)停止。

6）在電網(wǎng)以及負(fù)載這一環(huán)節(jié)中，電能需要在電網(wǎng)中保持恒壓狀態(tài)，但是發(fā)電機(jī)卻并不具備無(wú)限大的容量，每一個(gè)負(fù)載所占比例都將會(huì)比陸地電網(wǎng)大很多，在這樣的情況下，船舶上的電網(wǎng)電壓、頻率都易發(fā)生變化，要想使其得到良好的調(diào)節(jié)，就需要對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)加以合理應(yīng)用，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)和對(duì)逆變角的調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)中所輸出的有功功率和輸出的頻率都會(huì)得到良好的控制，而將無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)加以合理應(yīng)用，則可以使其無(wú)功功率保持平衡，并使其電壓保持穩(wěn)定。

2 船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

2.1 SVG概述

SVG屬于一種無(wú)功補(bǔ)償裝置，在實(shí)際運(yùn)行中，這一裝置將以自換向形式的橋式電力半導(dǎo)體變壓器對(duì)電網(wǎng)實(shí)施有效的無(wú)功補(bǔ)償。在SVG中，自換向形式的變流器類(lèi)似于一個(gè)交流電壓路，其中既可以產(chǎn)生基波電壓，也可以產(chǎn)生諧波電壓。而通過(guò)變流器中的基波電壓相位及其大小控制，或者是直接控制SVG中形成的電流相位及其大小，便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化無(wú)功功率的發(fā)出或者是吸收，以此來(lái)達(dá)到良好的無(wú)功補(bǔ)償效果[2]。

2.2 SVG系統(tǒng)構(gòu)成

作為一種電氣系統(tǒng)，SVG具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，其整體可按照主系統(tǒng)以及二次系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行劃分。其中，主系統(tǒng)的主要組成部分有高壓變壓器、斷路器、電抗器與普通變壓器組成的曲折變壓器、變流器。二次系統(tǒng)的主要組成部分有檢測(cè)器、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制器、檢測(cè)電路、電壓互感器以及電流互感器等。圖2為SVG系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 SVG系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 SVG主電路基本形式

在SVG系統(tǒng)中，其主電路的構(gòu)成部分主要有變流器以及儲(chǔ)能元件，按照直流側(cè)中應(yīng)用到的儲(chǔ)能元件，我們可以將其電路劃分成2種，一種是電壓型，另一種是電流型。

在主電路為電壓型的SVG系統(tǒng)中，將電容器作為儲(chǔ)能元件用在直流側(cè)，通過(guò)電抗器或耦合變壓器將交流側(cè)并入電網(wǎng)，這樣便可防止電網(wǎng)中進(jìn)入高次諧波。在主電路為電流型的SVG系統(tǒng)中，將電感器作為儲(chǔ)能單元應(yīng)用在直流側(cè)，將小電容串聯(lián)在交流側(cè)之后再將其并入電網(wǎng)，這樣便可對(duì)變流器換向過(guò)程中形成的沖擊電壓吸收。在主電路為電流型的SVG系統(tǒng)應(yīng)用中，一直會(huì)有電流存在，且這些電流會(huì)通過(guò)直流電感，使其內(nèi)阻上出現(xiàn)有功損耗，這樣的情況便會(huì)使得電容中的能量在儲(chǔ)存效率方面超出電感[3]。除此之外，由于電壓形式的變流器交流增益比較大，所以就目前來(lái)看，對(duì)于SVG的使用，通常都會(huì)采用電壓形式的主電路。

但是經(jīng)進(jìn)一步的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，如果電路中的開(kāi)關(guān)器件在故障情況下直通，主電路是電流型的SVG并不會(huì)在其影響下出現(xiàn)短路。同時(shí)，伴隨著當(dāng)今超導(dǎo)體儲(chǔ)能元件及其技術(shù)的發(fā)展，主電路為電流形式的SVG也有更好的發(fā)展前景。

2.4 基于SVG的無(wú)功補(bǔ)償

1）不考慮電抗器與變流器損耗

在不對(duì)電抗器以及變頻器中的損耗進(jìn)行考慮時(shí)，SVG的單相等值電路圖如圖3所示：

圖3 不考慮電抗器與變流器損耗的SVG單相等值電路圖

圖4 不考慮電抗器與變流器損耗的SVG

在吸收了滯后形式的無(wú)功功率之后，其無(wú)功電流符號(hào)便為正；在吸收了超前形式的無(wú)功功率之后，其無(wú)功電流符號(hào)便為負(fù)。如果比大，將會(huì)較超前90°，此時(shí)的SVG便會(huì)將電網(wǎng)中的無(wú)功功率吸收；如果比小。將會(huì)較滯后90°，此時(shí)的SVG便會(huì)將電網(wǎng)中的感性無(wú)功功率吸收，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償[4]。

2）考慮電抗器與變流器損耗

在對(duì)電抗器以及變流器所產(chǎn)生的損耗加以考慮時(shí)，SVG的單相等值電路圖如圖5所示。

圖5 考慮電抗器與變流器損耗的SVG單相等值電路圖

其容性無(wú)功與感性無(wú)功吸收向量圖如圖6所示：

圖6 考慮電抗器與變流器損耗的SVG吸收向量圖

3 結(jié)語(yǔ)

在船舶軸帶發(fā)電機(jī)中，SVG是一種非常有效的無(wú)功補(bǔ)償裝置。通過(guò)該裝置的應(yīng)用，可達(dá)到良好的無(wú)功補(bǔ)償效果，進(jìn)而發(fā)揮出該發(fā)電機(jī)的充分作用與優(yōu)勢(shì)。因此，在此類(lèi)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用和研究中，研究者和技術(shù)人員應(yīng)加大力度對(duì)SVG進(jìn)行研究，使其在軸帶發(fā)電機(jī)無(wú)功補(bǔ)償中得以良好應(yīng)用，從而進(jìn)一步促進(jìn)船舶軸帶發(fā)電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展。