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柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)的原理及示值參數(shù)

頁面更新時間：2016-02-28 08:44

　　在完善的UPS供電系統(tǒng)中，除了UPS之外大都配置了柴油發(fā)電機組。市電中斷瞬間UPS將蓄電池的直流電能逆變?yōu)榻涣麟�，不間斷地供給負載，然后再啟動柴油發(fā)電機組，將其發(fā)出的電能代替市電供給UPS，使其再轉(zhuǎn)回日常的雙變換工作狀態(tài)并對電池充電。這樣，UPS充分發(fā)揮了對負載不間斷提供優(yōu)良電能的特點，柴油發(fā)電機組也充分發(fā)揮了依靠燃油可以長時間發(fā)電，并且可以帶動UPS不宜供電的感性負載設備。
　　
　　柴油發(fā)電機組是由將燃燒柴油產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為曲軸、飛輪旋轉(zhuǎn)的機械能的柴油發(fā)動機和將機械能轉(zhuǎn)換為電能的同步發(fā)電機結合在一起組成的。它們的工作方式、性能及調(diào)控特點各不相同，要想使這個組合體各自充分發(fā)揮其功能的最佳工作狀態(tài)，從而形成一個良好性能的運行整體，則必須有一個統(tǒng)一的監(jiān)測、指揮中心——柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)。
　　
　　1 控制系統(tǒng)的構成
　　
　　盡管柴油發(fā)電機組的輸出功率、結構形式、工藝技術特點各不相同，但機組的控制系統(tǒng)是大同小異的�？刂葡到y(tǒng)由控制屏(或稱控制柜)以及與其相連接的分布在柴油發(fā)動機和同步發(fā)電機重要部位的各種傳感器構成。
　　
　　一般小功率柴油發(fā)電機組的控制屏多以電壓、電流、頻率、油壓、油溫、液位、水溫、轉(zhuǎn)速等模擬指針表和一些控制開關組成，其內(nèi)部測量及控制電路比較簡單。安裝在柴油發(fā)動機和同步發(fā)電機重要部位的傳感器，將表征該部位工作狀況的模擬電信號傳送到控制屏的電子處理電路(有的采用單片機)，經(jīng)調(diào)理、整定后用相應的模擬指針表指示出數(shù)值�？刂撇考话闶怯檬謩娱_關。
　　
　　現(xiàn)代中、大型柴油發(fā)電機組的控制屏都是以16位或32位微處理器(也有的用可編程控制器)為核心的數(shù)字處理裝置，其LCD(液晶顯示器)取代了很多的模擬指針表，顯示各種參量的實時數(shù)字值，從而使得數(shù)據(jù)分析、處理及控制完全實現(xiàn)了智能化和遙測、遙信、遙控功能。由控制屏和柴油發(fā)電機組每個重要部位的各種傳感器構成的控制系統(tǒng)如圖1所示。
　　

　　2 系統(tǒng)的工作原理及示值參數(shù)分析
　　
　　從柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)方框圖可知:柴油發(fā)動機是柴油發(fā)電機組的動力源，其工作狀況對整個機組的性能起著重要的作用，所以監(jiān)測的傳感器就多些。根據(jù)柴油發(fā)動機的功率不同，所要監(jiān)控的項目有多少之分，但基本上有框圖中的八個方面的參數(shù)需要監(jiān)控。
　　
　　同步發(fā)電機是直接給負載供電的設備，因此電能的質(zhì)量是關注的重點，其電力輸出自動控制裝置也是個重要的部件，控制屏與其通訊設備也是不可少的。從圖中可見，同步發(fā)電機一般有五個方面的參數(shù)應該監(jiān)控。
　　
　　安裝在柴油發(fā)電機組各重要部位和機構的傳感器，有的在柴油發(fā)電機組處于待機狀態(tài)時就已經(jīng)在工作，機組啟動后則全部投入運行。這些傳感器將其所在部位和機構的工作狀態(tài)信息實時地、連續(xù)地傳送到控制系統(tǒng)的核心——控制屏內(nèi)，屏內(nèi)的微處理器按著程序?qū)Ω鱾鞲衅鹘涌谶M行掃描并采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)和信息被微處理器按程序運算、比較、判別后將結果送入存儲器，同時在LCD顯示器和部分模擬指針表上指示出來。此外微處理器還將一些處理結果轉(zhuǎn)換成反饋調(diào)節(jié)量去調(diào)控相應部位或機構的工作狀況，甚至保護停機。
　　
　　控制系統(tǒng)就是這樣實時、智能化地檢測和控制著柴油發(fā)電機組，使其保持著良好的工作性能。
　　
　　控制屏的各種不值和參數(shù)清楚地表明了柴油及電機組各重要部位和機構的工作狀態(tài)。因此了解和分析這些示值參數(shù)的意義，對用好和管好柴油發(fā)電機組有著重要的作用。
　　
　　表征柴油發(fā)動機工作狀況的主要示值參數(shù)有:
　　
　　(1)燃油液位參數(shù)，它表明燃油箱內(nèi)柴油的儲存量。柴油發(fā)動機就是靠燃燒柴油而工作的，因此這是個必須要知道的示值。一般是用液位傳感器監(jiān)測儲油量，它將線性模擬信號送入控制屏，經(jīng)電子邏輯調(diào)理、整定后用指針表將數(shù)值指示出來，或者是經(jīng)A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換后以實時數(shù)字形式在LCD上顯示。
　　
　　根據(jù)各種柴油發(fā)動機的機型不同，一般在油箱內(nèi)的燃油當機組運行10min左右時控制屏就會發(fā)出燃油液位低的報警信號。到燃油快沒有時控制屏會自動停機，以保護機器。平時要注意屏上的液位表，經(jīng)常保持油箱容積百分之九十以上的柴油為宜。
　　
　　(2)潤滑油(俗稱機油)是柴油發(fā)動機工作必不可少的潤滑劑，其作用是減小相對運動部件(曲軸和連桿、活塞與氣缸壁、凸輪及推桿等)之間的機械摩擦，提高運行效率。柴油發(fā)動機的潤滑油是流動的，這樣就可以帶走部件摩擦產(chǎn)生的熱量和金屬粉末。要使?jié)櫥驮趶碗s的各部件之間流動就必須對它加壓，形成一定的流動推力。因此潤滑油的油溫和油壓是應當關注的兩個重要參量。
　　
　　油溫傳感器通常安裝在柴油發(fā)動機的油底殼回油管附近，油壓傳感器則安裝在主路油管中。兩個傳感器連續(xù)不斷地將信號送到微處理器接口，控制屏則以油溫表、油壓表或LCD指示其數(shù)值。工作時潤滑油的油溫、油壓示值隨著柴油發(fā)動機的額定功率大小而不同;一般中、大型發(fā)動機的油溫在90℃~120℃之間，而油壓則處于150~9OOkPa范圍之內(nèi)。
　　
　　潤滑油的油溫過高應檢查機油冷卻器。油壓過高則要注意壓力調(diào)節(jié)閥，過低時重點查驗機油泵和濾清器。潤滑油的油溫、油壓示值超過該柴油發(fā)動機的額定范圍時，控制屏都會報警提示。特別是油壓過低時發(fā)動機主要部件之間的機械摩擦就會迅速增加，此時控制屏會指令停機保護柴油發(fā)動機。
　　
　　(3)冷卻液(俗稱冷卻水)是用來降低柴油發(fā)動機汽缸及其相關聯(lián)機構工作溫度的流動液體。機器工作時，由于汽霧狀的柴油不斷地在汽缸內(nèi)爆燃，產(chǎn)生的巨大熱能除大部分轉(zhuǎn)換為活塞運動的機械能外，另一部分則被汽缸體及其相關聯(lián)機構吸收。流動的冷卻液就是將這些熱量吸收帶走，從而保證這些部件處于一個合適的溫度環(huán)境之中。
　　
　　冷卻液的液位傳感器安裝在發(fā)動機前部的水箱內(nèi)，溫度傳感器則處于冷卻液管道的出口處，檢測回流冷卻液的溫度即可知道汽缸及其相關聯(lián)機構的工作溫度是否處于最佳狀態(tài)。這兩個傳感器的信號送到控制屏經(jīng)分析、處理后也是以指針表示值或以實時數(shù)字從LCD上顯示出來。
　　
　　冷卻液的液位應該保持在水箱容積的90%以上。其工作溫度根據(jù)柴油發(fā)動機的功率大小有所差異;一般在75℃~100℃之間。液溫高需檢查離心式水泵及傳動部分和風扇的三角帶是否松動，液溫低應仔細探察水溫調(diào)節(jié)器的工作狀況�？刂破習谶^高的液溫時發(fā)出報警信號以致停車保護機器。因為液溫過高意味著柴油發(fā)動機汽缸及相關聯(lián)機構的部件之間的正常間隙難以保持，發(fā)動機效率會迅速下降，高溫還會使?jié)櫥妥兿е虏考g的摩擦力增大，所以必須加以保護。
　　
　　(4)用于柴油發(fā)電機組的柴油發(fā)動機，工作時曲軸和飛輪的轉(zhuǎn)速通常設定為每分鐘1500轉(zhuǎn)。穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速才能保證它所帶動的同步發(fā)電機的輸出頻率保持在50Hz�；陔姶呕蚬怆娫淼霓D(zhuǎn)速傳感器一般設置在飛輪側，它將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡娦盘杺魉偷娇刂破粒?jīng)處理后在LCD上顯示實時數(shù)值。發(fā)動機的飛輪轉(zhuǎn)速偏高或偏低時控制屏都會通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給電子調(diào)速器，它會根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)電動噴油器，從而使轉(zhuǎn)速保持在額定值。轉(zhuǎn)速過高而又無法調(diào)控說明噴油器總成或電子調(diào)速器存在問題，控制屏會指令停機予以保護。　　
　　(5)柴油發(fā)動機啟動用的蓄電池的電壓值，是直接從電池上取樣，在控制屏的電壓表或經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在LCD上指示出來的。柴油發(fā)電機組用的啟動電池大都是富液鉛酸蓄電池，因為它們的瞬間電流沖擊特性較好。根據(jù)機組對啟動電流的要求，以串聯(lián)或并聯(lián)的形式構成l2V或24V的電池組。機組待機時，市電通過控制屏內(nèi)的充電器變成直流電壓、電流與蓄電池相適配的形式為其充電，發(fā)動機啟動后，則由主軸通過齒輪、皮帶輪帶動充電發(fā)電機給電池充電。通常在浮充狀態(tài)下，電池的電壓應光標稱值的1.125倍。電壓太高或太低于標稱值，問題可能出在充電器或蓄電池，要及時更換和維護。因為充電器、蓄電池雖然維護簡單，但它們是柴油發(fā)電機組啟動的關鍵設備。
　　
　　(6)電子調(diào)速器與電動噴油器構成的組合是所謂電噴發(fā)動機的控制中心。這種柴油發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)的核心是電子調(diào)速器，它實際上也是一個以微處理器為主的計算、分析、調(diào)控裝置。該裝置實時采集潤滑油的油溫、油壓，冷卻液的液溫，燃油的壓力和飛輪的轉(zhuǎn)速等與柴油發(fā)動機運行密切相關的重要參數(shù)，經(jīng)程序運算、分析后得出最佳反饋調(diào)節(jié)量送到電動噴油器，使其按照運算結果調(diào)節(jié)噴油時間和噴油量，從而保證柴油發(fā)動機處于優(yōu)良的工作狀態(tài)。
　　
　　作為柴油發(fā)電機組整機控制中心的控制屏和柴油發(fā)動機調(diào)節(jié)中心的電子調(diào)速器之間通過CAN總線不斷地進行著數(shù)據(jù)通訊�？刂破翉恼麄€機組的要求對電子調(diào)速器進行著指揮，例如同步發(fā)電機的輸出電壓和頻率因巨大負載的接入或脫離會發(fā)生突然變化，控制屏就會將參數(shù)實時傳給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器根據(jù)這些參數(shù)和從轉(zhuǎn)速傳感器來的參數(shù)一起計算、分析，以最佳反饋值去調(diào)節(jié)電動噴油器，從而使同步發(fā)電機的輸出電壓和頻率恢復到額定值。
　　
　　柴油發(fā)電機組內(nèi)的同步發(fā)電機是向負載供應電能的重要設備，控制屏對其監(jiān)測和控制直接關系到電能的質(zhì)量，也是非常重要的。從方框圖可知，同步發(fā)電機基本上有五個方面的參量與控制屏密切聯(lián)系。
　　
　　(1)同步發(fā)電機輸出電壓的大小是以線電壓值表示的。取樣變壓器從輸出相線之間取出線電壓信號輸入控制屏，經(jīng)調(diào)理、整定后以模擬指針表或經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后從LCD指示出實時線電壓值。
　　
　　柴油發(fā)電機組出廠時同步發(fā)電機的輸出線電壓一般額定值為400V，也有的是380V。在接入負載特別是超過額定功率一半以上的負載時，同步發(fā)電機的輸出電壓會有明顯的降低，這個變化信號會同時被控制屏和發(fā)電機的勵磁電路收到，控制屏的控制及勵磁電路的反饋調(diào)節(jié)功能會以最快的時間盡力提高輸出電壓，使其恢復或接近額定值。電壓穩(wěn)定時間和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率就是表征同步發(fā)電機這方面性能的兩個重要參數(shù)，電壓穩(wěn)定時間指的是從負載突變到發(fā)電機輸出電壓開始穩(wěn)定所需要的時間。一般同步發(fā)電機的這個參數(shù)為0.5~1s。穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率用符號δ_u表示，它的定義是:負載變化后輸出穩(wěn)定電壓的最大值或最小值(用U₁表示)與發(fā)電機空載時的額定電壓值(用U表示)之間變化量比率的百分數(shù)，即:
　　
　　δ_u=(U₁-U)/U×l00%
　　
　　一般同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率δu值在±(1%~3%)之間。
　　
　　控制屏對電壓參數(shù)監(jiān)控的目的是使同步發(fā)電機在額定負載范圍內(nèi)保持輸出電壓穩(wěn)定。一般機組輸出電壓的范圍可在額定值的±10%左右。超過這個范圍控制屏會發(fā)出報警，還會指令輸出控制開關跳閘，既保護發(fā)電機又保護了用電設備。這時要重點檢查和維護同步發(fā)電機的勵磁電路和同步整流器等部件。
　　
　　(2)同步發(fā)電機三相輸出電流的取樣是在每相輸出線的電流互感器上得到的，這里取到的是相電流。按照電力、電工規(guī)范控制屏一般是用相電流表征發(fā)電機的輸出電流的。取樣信號在控制屏經(jīng)調(diào)理、整定后將各相負載電流的實時值顯示在指針表或LCD上。
　　
　　根據(jù)同步發(fā)電機額定輸出功率的不同，它們的輸出電流范圍也各異。控制屏根據(jù)本機的額定電流范圍對實時取樣數(shù)值按程序進行運算、判別，并將結果傳送給勵磁電路，調(diào)節(jié)、保持輸出電流的穩(wěn)定。如果負載電流大大超出額定值或負載端短路，控制屏會立即報警并發(fā)出指令讓控制電路輸出的自動空氣斷路器跳閘切斷負載，從而起到保護作用。引起輸出電流過大的原因往往是負載造成的，要著重查測用電設備及其電源連接線，維護發(fā)電機輸出配電系統(tǒng)。
　　
　　(3)同步發(fā)電機的輸出頻率是項重要的參數(shù)，它若不穩(wěn)定就會影響很多與頻率直接相關的用電設備的工作，例如UPS的旁路頻率跟蹤電路�？刂破链蠖际菑南嗑€上取樣，然后對信號進行分析、整定并從LCD上指示出實時頻率值，與此同時它還將數(shù)據(jù)傳送給柴油發(fā)動機的電子調(diào)速器，以控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定發(fā)電機的輸出頻率。發(fā)電機技術指標中的頻率穩(wěn)定時間和穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率這兩個參數(shù)就表明柴油發(fā)電機組的這種調(diào)控功能。
　　
　　從負載突變時起算到發(fā)電機輸出頻率開始穩(wěn)定，所經(jīng)過的時間就是頻率穩(wěn)定時間。一般同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定時間應該在2~5s范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率(用δ_f表示)的意義是:負載變化后的穩(wěn)態(tài)頻率的最大值或最小值(用f₁表示)與額定負載時的頻率(用f₂表示)之間的變化量同額定頻率(用f表示)比率的百分數(shù)。其公式為:
　　
　　δ_f=(f₁-f₂)/f×100%
　　
　　同步發(fā)電機的這個參數(shù)處在0.5%~3%的范圍內(nèi)。
　　
　　發(fā)電機輸出頻率超出額定范圍，控制屏會立即報警甚至停機予以保護。這其中的原因有頻率傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器可能出現(xiàn)的故障，但主要還是柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速失控的間題。需著重檢測電子調(diào)速器和電子燃油噴射系統(tǒng)。
　　
　　(4)控制屏與同步發(fā)電機勵磁機構之間的信息通訊，對發(fā)電機輸出電能的質(zhì)量有很大的作用;在接入重負載后輸出電流要增大，輸出電壓也隨之降低。雖然同步發(fā)電機的勵磁電路本身對此會產(chǎn)生負反饋調(diào)節(jié)，但其精確性、快速性是離不開控制屏的配合的。不僅如此，控制屏還會根據(jù)本機額定負載范圍判斷負載量是否合適，對于負載電流大于額定值115%以上特別超重的負載，控制屏會指令發(fā)動機停車保護發(fā)電機，這也補充了勵磁機構的性能。
　　
　　(5)從方框圖可知，控制屏與控制發(fā)電機電能輸出的自動空氣斷路器也有著緊密的聯(lián)系。雖然自動空氣斷路器本身具有欠壓、過流(過載)、短路等自動保護能力，但由于控制的接入就進一步加強了它對輸出電能這幾方面的監(jiān)控力度。當由于負載原因發(fā)電機輸出電流過大(過流)、輸出電壓過低(欠壓)或短路時，控制屏會立刻報警并將信息傳給斷路器，斷路器綜合本機的檢測和控制屏的指令迅速跳閘，切斷負載供電。既保護發(fā)電機也保護負載。
　　
　　在負載量符合發(fā)電機的額定范圍機器正常工作時，控制屏也可以根據(jù)需要智能化地控制自動空氣斷路器的分斷和投入。實現(xiàn)對負載的自動定時供電。
　　
　　控制屏除了對柴油發(fā)動機和同步發(fā)電機進行監(jiān)測、控制以外，作為智能化的控制中心，它還有其它方面的許多功能:例如ATS(電力自動轉(zhuǎn)換器)接口，可以接入ATS設備(也有的型將ATS功能集成在控制屏內(nèi))，這樣就可以實現(xiàn)市電突然中斷時，ATS自動將電力開關從連接市電的一側投到連接柴油發(fā)電機組的一側，并同時發(fā)出啟動柴油發(fā)電機組的信號。從而使用電設備由市電供電轉(zhuǎn)為發(fā)電機供電。
　　
　　3 控制系統(tǒng)的維護技術
　　
　　控制系統(tǒng)是柴油發(fā)電機組的中樞和指揮部，因此也就成為日常維護的首選項目。傳感器是控制系統(tǒng)的前沿，由于它們直接與被監(jiān)測物質(zhì)接觸，長期工作在高溫、高壓以及流動物質(zhì)的沖擊下，易出現(xiàn)靈敏度下降、失效甚至損壞。這時它們所連帶的控制屏上的儀表或LCD顯示數(shù)值就會失常。這種現(xiàn)象還很容易和柴油發(fā)電組相關部位的機械故障混淆，到底是傳感器的問題還是機械部分的問題要仔細觀察，進行綜合分析。一般情況下柴油發(fā)動機運行聲音、節(jié)奏、排煙正常，同步發(fā)電機輸出電壓、電流、頻率正常，應考慮可能是傳感器或控制屏電子電路的問題。這時可以運行控制屏的自檢、測試程序或者用更換傳感器對比法進行排查。
　　
　　傳感器的日常維護很重要，對于可看到可摸到的傳感器要仔細觀察其安裝是否松動、離位，引出電纜及接頭是否良好。那些被其它部件擋住的傳感器，則要在柴油發(fā)電機組二級技術保養(yǎng)時重點檢查。
　　
　　控制屏是控制系統(tǒng)的核心，即使柴油發(fā)電機組沒有啟動它也在依靠蓄電池工作。日常維護時應注意電壓表示值是否正常，再仔細檢查各個電纜接口、插接件是否牢靠。特別是對于安裝在濕度較大或灰塵較多地點的柴油發(fā)電機組，還要經(jīng)常打開控制屏的側板或上蓋，察看機箱內(nèi)各電路板上有無水露、灰塵。若有，應及時清除�？刂破磷鳛橐晕⑻幚砥鳛楹诵牡闹悄芑O備，都具有測試、自檢功能，有的還帶仿真實驗軟件，這些都為維護控制屏提供了便利條件。柴油發(fā)電機組應至少半個月人為地自動(切斷市電由ATS驅(qū)動)或手動啟動一次，并運行20min左右，這時要認真觀察各表頭的示值并用控制屏上的按鍵選擇所有的參數(shù)在LCD上顯示，看是否都處于正常狀態(tài)。這也是全面檢查柴油發(fā)電機組和控制屏性能的有效而實用的好辦法。
　　
　　控制系統(tǒng)是將柴油發(fā)動機和同步發(fā)電機這兩種工作原理和工作方式截然不同的設備智能化地統(tǒng)為一體，并使其聯(lián)合工作出優(yōu)良性能的總指揮。系統(tǒng)、深入地了解其工作原理，掌握各項運行參數(shù)的意義及額定范圍，做好技術維護工作，即可保持柴油發(fā)電機組總是處于良好的工作狀態(tài)。
　　
　責任編輯：小柯　