柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電負(fù)載均衡分配的條件
柴油發(fā)電機(jī)組并列后每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)載分配器,同時(shí)投入工作,各自調(diào)整自已的轉(zhuǎn)速,使其兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的功率平均分配,其工作原理,就是根據(jù)本柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率的大?。措娏鞯拇笮。?,自動(dòng)調(diào)整機(jī)組的轉(zhuǎn)速,使其負(fù)載平衡。
一、并聯(lián)供電負(fù)載均衡分配的條件
1、并車原理
發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的原理電路如圖1所示,由圖1可得如下兩個(gè)方程式:
u=u1-i1r1=u2-i2r2.....................(公式1)
i=i1+i2.....................(公式2)
式中,u1,u2——是發(fā)電機(jī)g1,g2的電壓;
u——表示匯流條的電壓,r為負(fù)載電阻;
r+1,r+2——發(fā)電機(jī)g1,g2的正線電阻;
i1,i2——是發(fā)電機(jī)g1,g2的輸出電流;
i——是負(fù)載總電流。
由此可得i1和i2的表達(dá)式:
.....................(公式3)
.....................(公式4)
兩臺(tái)發(fā)電機(jī)負(fù)載分配的均衡程度,可用兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電流差表示:
.....................(公式5)
(公式3),(公式4),(公式5)三式是發(fā)電機(jī)負(fù)載分配的基本表達(dá)式,從這三個(gè)公式可以看出,只有在u1=u2和r1=r2的條件下,兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的負(fù)載分配才是均衡的,無(wú)論負(fù)載電流i怎樣變化,兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電流i1和i2始終相等,各為總負(fù)載電流的一半,即:
.....................(公式6)
或者說(shuō)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電流差di總等于0。
如果把調(diào)壓器對(duì)負(fù)載分配的影響考慮進(jìn)去,那么發(fā)電機(jī)電壓隨負(fù)載變化的情形,將由調(diào)壓器調(diào)節(jié)下的發(fā)電機(jī)外特性決定。由于調(diào)壓器的坡率性不可能完全相同,所以在調(diào)壓器調(diào)節(jié)下,兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的外特性也不相同。
2、并車條件
并聯(lián)系統(tǒng)組成如圖2所示,要使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)負(fù)載分配均衡,必須同時(shí)備下面三個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn):
(1)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的空載電壓相等,即u10=u20;
(2)兩臺(tái)調(diào)壓器的坡率系數(shù)相等,即k1=k2;
(3)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的正線電阻相等,即r+1=r+2=r+。
圖1 發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的原理圖
圖2 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)并列系統(tǒng)框圖
二、提高負(fù)載分配均衡性的措施
并聯(lián)供電系統(tǒng)即便是在空載電壓,坡率系數(shù)和正線電阻的差值不是太大的情況下工作,電流差也是很大的,遠(yuǎn)不能滿足負(fù)載分配均衡的要求。為了提高負(fù)載分配的均衡性,而在調(diào)壓器中增設(shè)均衡元件。由于調(diào)壓器型式不同,采用的均衡元件也各異。
1、炭片調(diào)壓器采用均衡線圈提高負(fù)載分配的均衡性
帶炭片調(diào)壓器的并聯(lián)供電系統(tǒng),通過(guò)調(diào)壓器鐵芯上的均衡線圈weq與接在發(fā)電機(jī)負(fù)極電路中的負(fù)極電阻構(gòu)成r-均衡電路。
負(fù)極電阻是由電阻溫度系數(shù)很小的鎳鉻合金制成,阻值很小,通常兩個(gè)負(fù)極電阻的阻值相等r-1=r-2,兩個(gè)均衡線圈的匝數(shù)相等weq1=weq2,阻值也相等。
如果負(fù)載分配不均衡,設(shè)i1>i2,則a,b兩點(diǎn)電位不相等,于是就有電流自b點(diǎn)經(jīng)過(guò)weq2和weq1流向a點(diǎn),產(chǎn)生相應(yīng)的磁勢(shì)。在輸出電流大的發(fā)電機(jī)調(diào)壓器中,均衡線圈磁勢(shì)與工作線圈磁勢(shì)方向相同,使調(diào)壓器鐵芯合成磁勢(shì)增強(qiáng),調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓u1降低;輸出電流小的發(fā)電機(jī)調(diào)壓器,均衡線圈磁勢(shì)與工作線圈磁勢(shì)方向相反,使鐵芯合成磁勢(shì)減弱,調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓u2升高。結(jié)果原來(lái)輸出電流大的發(fā)電機(jī)輸出電流i1減小,原輸出電流小的發(fā)電機(jī)輸出電流i2增大,使負(fù)載分配趨于均衡。
可見(jiàn),均衡線圈減小電流差的實(shí)質(zhì)是將與電流差有關(guān)的信號(hào)反饋到調(diào)壓器的檢測(cè)電路,借以改變調(diào)節(jié)點(diǎn)的電壓,從而提高負(fù)載分配的均衡性。
2、晶體管調(diào)壓器采用均衡電阻提高負(fù)載分配的均衡性
以jty-12型晶體管調(diào)壓器為例,調(diào)壓器電路中,r24為均衡電阻,阻值較小為10w。兩個(gè)均衡電阻的一端接于發(fā)電機(jī)負(fù)端a,b兩點(diǎn),為了取出電流差信號(hào),發(fā)電機(jī)負(fù)端是通過(guò)負(fù)極電阻接地的。
設(shè)由于某種原因造成發(fā)電機(jī)負(fù)載不平衡且i1>i2,此時(shí)ja<jb,若均衡電路接通,均衡電阻上的壓降ieqr24使第一臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓器敏感點(diǎn)的電壓ua升高,勵(lì)磁控制電路晶體管的導(dǎo)通比減小,平均勵(lì)磁電流減小,發(fā)電機(jī)電壓u1降低,輸出電流i1減??;第二臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓器敏感點(diǎn)的電壓ua2降低,勵(lì)磁控制電路晶體管的導(dǎo)通比增大,平均勵(lì)磁電流增大,發(fā)電機(jī)電壓u2升高,輸出電流i2增大,最終使得電流差di=i1-i2減小。
可見(jiàn)均衡電阻均衡負(fù)載的基本原理是:將敏感到的電流差信號(hào),反饋到調(diào)壓器的檢測(cè)電路,借以改變檢比電路輸出的偏差信號(hào),使功率管的導(dǎo)通比改變,發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓改變,從而使電流差減小,達(dá)到均衡負(fù)載的目的。這與炭片調(diào)壓器中均衡線圈均衡負(fù)載的原理是相似的。
上述發(fā)電機(jī)的空載電壓uo,,正線電阻r+和調(diào)壓器的坡率系數(shù)k直接影響著負(fù)載的分配,此外,還有一些因素則是通過(guò)以上幾種參數(shù)間接影響負(fù)載分配的,如激磁電路電阻,發(fā)電機(jī)正極至反流割斷器“f”之間的線路電阻等,這里不再詳述。
三、并機(jī)柜的作用
并機(jī)柜(俗稱并車柜)是專門用于柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行監(jiān)控的電子裝備。在早期提出柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的需求時(shí),就是采用專門的并機(jī)柜,實(shí)時(shí)測(cè)試機(jī)組的相關(guān)參數(shù)并反饋調(diào)控各并聯(lián)工作中的機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),來(lái)達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行要求的。隨著電子技術(shù)、動(dòng)態(tài)控制理論及機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代并機(jī)柜已經(jīng)是高度智能化的性能優(yōu)良的電子設(shè)備。它不僅能監(jiān)控同型號(hào)、同輸出功率的柴油發(fā)電機(jī)組的并聯(lián),而且還能實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)、不同輸出功率的機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行,還可以將柴油發(fā)電機(jī)組并入市電網(wǎng)上運(yùn)行。
并機(jī)柜的工作原理如圖3所示。1號(hào)、2號(hào)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后,分別通過(guò)各自的信號(hào)線a1、a2將本機(jī)的相序、頻率、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)相位、波形等參數(shù)送入同步監(jiān)控及顯示單元。在這里第一條程序就是鑒別參與并聯(lián)運(yùn)行的各機(jī)組輸出的三相線電壓是否相序?qū)?yīng)一致。這也是整個(gè)系統(tǒng)的"開(kāi)關(guān)",只有一致了,下面的程序才可運(yùn)行,否則就會(huì)報(bào)警開(kāi)指示錯(cuò)誤。其它的參數(shù)經(jīng)過(guò)該單元的調(diào)理、運(yùn)算并與設(shè)定的標(biāo)定參數(shù)相比較;對(duì)于還未達(dá)到并機(jī)條件的參數(shù),則同步監(jiān)控及顯示單元會(huì)給出相應(yīng)的誤差調(diào)節(jié)信號(hào),通過(guò)b1、b2兩條信號(hào)線送至相連接的中央控制器及自動(dòng)負(fù)載分配單元。該單元綜合整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)得出調(diào)控參量,再通過(guò)各機(jī)組的自動(dòng)同步單元去調(diào)控柴油發(fā)電機(jī)組的相應(yīng)機(jī)構(gòu),使其相關(guān)運(yùn)行參數(shù)消除誤差。一切符合并機(jī)條件后,同步監(jiān)控及顯示單元即通過(guò)c1、c2兩條信號(hào)線向自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)發(fā)出閉合指令。各發(fā)電機(jī)組的三相電在母排上匯合,共同向負(fù)載供電。同步監(jiān)控及顯示單元實(shí)時(shí)顯示已并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的一致的參數(shù);如電壓、電流(均以有效值表示)相位、相序(常以指示燈表示)、有功功率等。
并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組在帶載運(yùn)行的過(guò)程中,各機(jī)組電力輸出線上的功率取樣單元將電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)實(shí)時(shí)送入中央控制器及自動(dòng)負(fù)載分配單元。這些信息經(jīng)過(guò)分析、運(yùn)算后,求出即時(shí)的有功功率和無(wú)功功率,以及與其它機(jī)組的申央控制器及自動(dòng)負(fù)載分配單元的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后的差別量,一起送入各自的自動(dòng)同步單元。核單元將這些差別量變成控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的等值信號(hào),從而使柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)得以相應(yīng)的改變,達(dá)到各并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組對(duì)有功功率和無(wú)功功率平均分配的目的。
現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組的用戶大多強(qiáng)調(diào)供電的可靠性,所以在采用ups并聯(lián)冗余運(yùn)行模式下,對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行也普遍應(yīng)用了"n十l"的冗余運(yùn)行模式,以便與ups共同構(gòu)成"雙保險(xiǎn)"的高可靠供電系統(tǒng)。在這種需求情勢(shì)下,以并機(jī)板為核心的機(jī)組并聯(lián)控制方式成為主流。并機(jī)板作為柴油發(fā)電機(jī)組控制柜的一個(gè)選件,不僅體積小使用方便,更重要的是各制造廠家生產(chǎn)的并機(jī)板普遍采用了16位或32位的高級(jí)微處理器,集成了新的程序語(yǔ)言和動(dòng)態(tài)控制算法,其性能比體積龐大的并機(jī)柜更為優(yōu)越。同型號(hào)、規(guī)格的柴油發(fā)電機(jī)組如果需要兩臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行,只要在各機(jī)組控制柜的備用插槽插入并機(jī)板,并連接好信號(hào)線,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行。
并機(jī)板的控制邏輯和并機(jī)柜基本上是一樣的。只是由于它的核心是高性能的微處理器,所以數(shù)據(jù)運(yùn)算精度更高,調(diào)節(jié)速度更快。并機(jī)板監(jiān)控并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組的主要目標(biāo)仍然是有功功率和無(wú)功功率在各機(jī)組之間的平均分配。而決定這兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的就是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。為此,并機(jī)板的數(shù)據(jù)分析,運(yùn)算、控制邏輯也主要是求解出對(duì)本機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)的變化量。
總結(jié):
綜上所述,由于多種參數(shù)和因素直接或間接地影響著負(fù)載分配,所以很難使并聯(lián)供電的發(fā)電機(jī)負(fù)載均衡,但在采取均衡措施后,電流差值??上拗圃谝?guī)定范圍內(nèi)。由于除發(fā)電機(jī)空載電壓不等產(chǎn)生的電流差不隨負(fù)載變化外,其他諸參數(shù)不等產(chǎn)生的電流差都隨負(fù)載增大而增大,所以對(duì)負(fù)載均衡性的要求主要著眼點(diǎn)是在接近額定負(fù)載時(shí),兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電流不能相差太大,以免使輸出電流大的
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