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            柴油發電機組控制系統的原理及示值參數
            頁面更新時間:2016-02-28 08:44

                  

              在完善的UPS供電系統中,除了UPS之外大都配置了柴油發電機組。市電中斷瞬間UPS將蓄電池的直流電能逆變為交流電,不間斷地供給負載,然后再啟動柴油發電機組,將其發出的電能代替市電供給UPS,使其再轉回日常的雙變換工作狀態并對電池充電。這樣,UPS充分發揮了對負載不間斷提供優良電能的特點,柴油發電機組也充分發揮了依靠燃油可以長時間發電,并且可以帶動UPS不宜供電的感性負載設備。
              
              柴油發電機組是由將燃燒柴油產生的熱能轉換為曲軸、飛輪旋轉的機械能的柴油發動機和將機械能轉換為電能的同步發電機結合在一起組成的。它們的工作方式、性能及調控特點各不相同,要想使這個組合體各自充分發揮其功能的最佳工作狀態,從而形成一個良好性能的運行整體,則必須有一個統一的監測、指揮中心——柴油發電機組的控制系統。
              
              1  控制系統的構成
              
              盡管柴油發電機組的輸出功率、結構形式、工藝技術特點各不相同,但機組的控制系統是大同小異的?刂葡到y由控制屏(或稱控制柜)以及與其相連接的分布在柴油發動機和同步發電機重要部位的各種傳感器構成。
              
              一般小功率柴油發電機組的控制屏多以電壓、電流、頻率、油壓、油溫、液位、水溫、轉速等模擬指針表和一些控制開關組成,其內部測量及控制電路比較簡單。安裝在柴油發動機和同步發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),經調理、整定后用相應的模擬指針表指示出數值?刂撇考话闶怯檬謩娱_關。
              
              現代中、大型柴油發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字值,從而使得數據分析、處理及控制完全實現了智能化和遙測、遙信、遙控功能。由控制屏和柴油發電機組每個重要部位的各種傳感器構成的控制系統如圖1所示。
              

              2  系統的工作原理及示值參數分析
              
              從柴油發電機組的控制系統方框圖可知:柴油發動機是柴油發電機組的動力源,其工作狀況對整個機組的性能起著重要的作用,所以監測的傳感器就多些。根據柴油發動機的功率不同,所要監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需要監控。
              
              同步發電機是直接給負載供電的設備,因此電能的質量是關注的重點,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,同步發電機一般有五個方面的參數應該監控。
              
              安裝在柴油發電機組各重要部位和機構的傳感器,有的在柴油發電機組處于待機狀態時就已經在工作,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信息實時地、連續地傳送到控制系統的核心——控制屏內,屏內的微處理器按著程序對各傳感器接口進行掃描并采集數據。這些數據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換成反饋調節量去調控相應部位或機構的工作狀況,甚至保護停機。
              
              控制系統就是這樣實時、智能化地檢測和控制著柴油發電機組,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。因此了解和分析這些示值參數的意義,對用好和管好柴油發電機組有著重要的作用。
              
              表征柴油發動機工作狀況的主要示值參數有:
              
              (1)燃油液位參數,它表明燃油箱內柴油的儲存量。柴油發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測儲油量,它將線性模擬信號送入控制屏,經電子邏輯調理、整定后用指針表將數值指示出來,或者是經A/D(模擬/數字)轉換后以實時數字形式在LCD上顯示。
              
              根據各種柴油發動機的機型不同,一般在油箱內的燃油當機組運行10min左右時控制屏就會發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。柴油發動機的潤滑油是流動的,這樣就可以帶走部件摩擦產生的熱量和金屬粉末。要使潤滑油在復雜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指示其數值。工作時潤滑油的油溫、油壓示值隨著柴油發動機的額定功率大小而不同;一般中、大型發動機的油溫在90℃~120℃之間,而油壓則處于150~9OOkPa范圍之內。
              
              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節閥,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動機。
              
              (3)冷卻液(俗稱冷卻水)是用來降低柴油發動機汽缸及其相關聯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爆燃,產生的巨大熱能除大部分轉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境之中。
              
              冷卻液的液位傳感器安裝在發動機前部的水箱內,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機構的工作溫度是否處于最佳狀態。這兩個傳感器的信號送到控制屏經分析、處理后也是以指針表示值或以實時數字從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。其工作溫度根據柴油發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節器的工作狀況?刂破習谶^高的液溫時發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動機汽缸及相關聯機構的部件之間的正常間隙難以保持,發動機效率會迅速下降,高溫還會使潤滑油變稀導致部件之間的摩擦力增大,所以必須加以保護。
              
              (4)用于柴油發電機組的柴油發動機,工作時曲軸和飛輪的轉速通常設定為每分鐘1500轉。穩定的轉速才能保證它所帶動的同步發電機的輸出頻率保持在50Hz;陔姶呕蚬怆娫淼霓D速傳感器一般設置在飛輪側,它將轉速變為電信號傳送到控制屏,經處理后在LCD上顯示實時數值。發動機的飛輪轉速偏高或偏低時控制屏都會通過CAN總線將數據傳送給電子調速器,它會根據數據調節電動噴油器,從而使轉速保持在額定值。轉速過高而又無法調控說明噴油器總成或電子調速器存在問題,控制屏會指令停機予以保護。   
              (5)柴油發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A/D轉換后在LCD上指示出來的。柴油發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。根據機組對啟動電流的要求,以串聯或并聯的形式構成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,發動機啟動后,則由主軸通過齒輪、皮帶輪帶動充電發電機給電池充電。通常在浮充狀態下,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,但它們是柴油發電機組啟動的關鍵設備。
              
              (6)電子調速器與電動噴油器構成的組合是所謂電噴發動機的控制中心。這種柴油發動機的燃油噴射系統的核心是電子調速器,它實際上也是一個以微處理器為主的計算、分析、調控裝置。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速等與柴油發動機運行密切相關的重要參數,經程序運算、分析后得出最佳反饋調節量送到電動噴油器,使其按照運算結果調節噴油時間和噴油量,從而保證柴油發動機處于優良的工作狀態。
              
              作為柴油發電機組整機控制中心的控制屏和柴油發動機調節中心的電子調速器之間通過CAN總線不斷地進行著數據通訊?刂破翉恼麄機組的要求對電子調速器進行著指揮,例如同步發電機的輸出電壓和頻率因巨大負載的接入或脫離會發生突然變化,控制屏就會將參數實時傳給電子調速器,電子調速器根據這些參數和從轉速傳感器來的參數一起計算、分析,以最佳反饋值去調節電動噴油器,從而使同步發電機的輸出電壓和頻率恢復到額定值。
              
              柴油發電機組內的同步發電機是向負載供應電能的重要設備,控制屏對其監測和控制直接關系到電能的質量,也是非常重要的。從方框圖可知,同步發電機基本上有五個方面的參量與控制屏密切聯系。
              
              (1)同步發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,經調理、整定后以模擬指針表或經A/D轉換后從LCD指示出實時線電壓值。
              
              柴油發電機組出廠時同步發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電機的勵磁電路收到,控制屏的控制及勵磁電路的反饋調節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。電壓穩定時間和穩態電壓調整率就是表征同步發電機這方面性能的兩個重要參數,電壓穩定時間指的是從負載突變到發電機輸出電壓開始穩定所需要的時間。一般同步發電機的這個參數為0.5~1s。穩態電壓調整率用符號δu表示,它的定義是:負載變化后輸出穩定電壓的最大值或最小值(用U1表示)與發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,即:
              
              δu=(U1-U)/U×l00%
              
              一般同步發電機的穩態電壓調整率δu值在±(1%~3%)之間。
              
              控制屏對電壓參數監控的目的是使同步發電機在額定負載范圍內保持輸出電壓穩定。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出報警,還會指令輸出控制開關跳閘,既保護發電機又保護了用電設備。這時要重點檢查和維護同步發電機的勵磁電路和同步整流器等部件。
              
              (2)同步發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、電工規范控制屏一般是用相電流表征發電機的輸出電流的。取樣信號在控制屏經調理、整定后將各相負載電流的實時值顯示在指針表或LCD上。
              
              根據同步發電機額定輸出功率的不同,它們的輸出電流范圍也各異?刂破粮鶕緳C的額定電流范圍對實時取樣數值按程序進行運算、判別,并將結果傳送給勵磁電路,調節、保持輸出電流的穩定。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,維護發電機輸出配電系統。
              
              (3)同步發電機的輸出頻率是項重要的參數,它若不穩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,與此同時它還將數據傳送給柴油發動機的電子調速器,以控制發動機的轉速來穩定發電機的輸出頻率。發電機技術指標中的頻率穩定時間和穩態頻率調整率這兩個參數就表明柴油發電機組的這種調控功能。
              
              從負載突變時起算到發電機輸出頻率開始穩定,所經過的時間就是頻率穩定時間。一般同步發電機的頻率穩定時間應該在2~5s范圍內。穩態頻率調整率(用δf表示)的意義是:負載變化后的穩態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。其公式為:
              
              δf=(f1-f2)/f×100%
              
              同步發電機的這個參數處在0.5%~3%的范圍內。
              
              發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速傳感器可能出現的故障,但主要還是柴油發動機轉速失控的間題。需著重檢測電子調速器和電子燃油噴射系統。
              
              (4)控制屏與同步發電機勵磁機構之間的信息通訊,對發電機輸出電能的質量有很大的作用;在接入重負載后輸出電流要增大,輸出電壓也隨之降低。雖然同步發電機的勵磁電路本身對此會產生負反饋調節,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,控制屏會指令發動機停車保護發電機,這也補充了勵磁機構的性能。
              
              (5)從方框圖可知,控制屏與控制發電機電能輸出的自動空氣斷路器也有著緊密的聯系。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控力度。當由于負載原因發電機輸出電流過大(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。既保護發電機也保護負載。
              
              在負載量符合發電機的額定范圍機器正常工作時,控制屏也可以根據需要智能化地控制自動空氣斷路器的分斷和投入。實現對負載的自動定時供電。
              
              控制屏除了對柴油發動機和同步發電機進行監測、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),這樣就可以實現市電突然中斷時,ATS自動將電力開關從連接市電的一側投到連接柴油發電機組的一側,并同時發出啟動柴油發電機組的信號。從而使用電設備由市電供電轉為發電機供電。
              
              3  控制系統的維護技術
              
              控制系統是柴油發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。傳感器是控制系統的前沿,由于它們直接與被監測物質接觸,長期工作在高溫、高壓以及流動物質的沖擊下,易出現靈敏度下降、失效甚至損壞。這時它們所連帶的控制屏上的儀表或LCD顯示數值就會失常。這種現象還很容易和柴油發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。一般情況下柴油發動機運行聲音、節奏、排煙正常,同步發電機輸出電壓、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,則要在柴油發電機組二級技術保養時重點檢查。
              
              控制屏是控制系統的核心,即使柴油發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電機組,還要經常打開控制屏的側板或上蓋,察看機箱內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。柴油發電機組應至少半個月人為地自動(切斷市電由ATS驅動)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在LCD上顯示,看是否都處于正常狀態。這也是全面檢查柴油發電機組和控制屏性能的有效而實用的好辦法。
              
              控制系統是將柴油發動機和同步發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為一體,并使其聯合工作出優良性能的總指揮。系統、深入地了解其工作原理,掌握各項運行參數的意義及額定范圍,做好技術維護工作,即可保持柴油發電機組總是處于良好的工作狀態。
              
             責任編輯:小柯 

             

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