（电气工程专业论文）thm全自动并联机组的设计.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t t h et h e s i si sa b o u tt h ed e s i g no ft h mf u l la u t o m a t i cp a r a l l e l i n gg e n e r a t o rs e t a n df u l f i l l e db a s i n go nc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ha n do v e ry e a r sd e s i g n i n ge x p e r i e n c e t h et h e s i sd i s s e r t a t et h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ed i e s e lg e n e r a t o rs e ti nt h ef i r s tp a r t , e s p e c i a l l yd e t a i l e da n a l y z et h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h ea u t o m a t i cp a r a l l e l i n gg e n e r a t o r s e t ，a n dc o n f m n t h ed i s a d v a n t a g eo ft h ed i e s e lg e n e r a t o rs e tr e a c t i v e p o w e r s h a r i n g ，r e a l i z i n gt h a td e s i g na n dp r o d u c et h eh i g hi n t e l l i g e n tp a r a l l e l i n gd i e s e l g e n e r a t o rs e t 埘t i le q u a ld i s t r i b u t i o no fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r , h i 曲r e l i a b i l i t y , l o wc o n s u m p t i o ni st h ed e v e l o p m e n tt r e n d a f t e rc o n f i r m i n gt h ea p p l i c a b l ev a l u eo f d e s i g n i n gt h mf u l la u t o m a t i cp a r a l l e l i n gg e n e r a t o rs e t ，a n dt h e nf o c u so nt h e o p t i o no fd i e s e le n g i n e ，p o w e rm a t c h i n g ，a n do u t p u ti n t e r f a c e ，c o n t r o lm o d u l eo ft h e c o n t r o ls y s t e ma n dt h eo p t i o no fc o n t r o lm o d u l e f u r t h e r m o r e ，m a k i n gs u r et h e d e s i g no ft h ec i r c u i td i a g r a mo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o g r a ma n ds e to ft h e c o n t r o l l e ri n p u ta n do u t p u ti n t e r f a c e p u te m p h a s i so nf u r t h e rr e s e a r c hf o rt h e i n t e r f a c em a t c h i n gb e t w e e ne n g i n e & c o n t r o ls y s t e m ，a l t e r n a t o r & c o n t r o ls y s t e m , t h e ng e tt h ei n t e r f a c ep l a na n dr e a l i z et h eh i g he f f i c i e n c ys h a r i n go fa c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e rf o rt h ed i e s e lg e n e r a t o rs e t f i n a l l y , a f t e rt e s t i n gt h ew h o l es e t ，g e t sa ne x c e l l e n tr e s u l to f a c t i v ea n dr e a c t i v e p o w e rs h a r i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo fg e n e r a t o rs e ti sr e l i a b l ea n df u l l ym e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d i e s e lg e n e r a t o rs e t ；a u t o m a t i cp a r a l l e l i n g ；a c t i v ep o w e rs h a r i n g ；r e a c t i v e p o w e rs h a r i n g ；p i d 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：傅孑匀签字日期： 跏? 年f 月，多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 碍盘 导师签名( 手写) ： 签字日期：加g 年6b t 弓 日 签字日期：螂 月够日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 国外柴油发电机组发展状况 柴油发电机组是用途十分广泛的发电设备，般应用于舰船电站、移 动电站、智能大厦应急电源及其它各种应急电站。为了满足国防、工业、 农业、商业、交通、邮电、建筑等各行各业的需要，国外有众多的公司投 入了大量的人力、物力开发出许多性能先进的各类柴油发电机组。国外按 使用方式不同分为通讯机组、战区机组、险区用机组、建筑用机组、场站 用机组、商业机组、舰船用机组；尽管分类不同，但它们却有一些共同的 发展趋势。 ( 1 ) 高可靠性 在现代工程技术产品中，无论是军用产品还是民用产品，使用可靠性 都是第一位的，为使机组能达到国际先进水平，各发电机组制造商均在全 世界范围内选择和进口各种原装名牌柴油机和发电机，最大限度地保证机 组运行地可靠性。例如：富豪柴油发电机组是选用原装瑞典富豪潘达 ( v o l v o p a n t a ) 水冷柴油机和原装法国利莱森码( l e r o y - s o m e r ) 交流发电机 及控制屏组成的。又如，法国s d m o 公司，全称为法国西部电力公司，是 欧洲最大、最优秀的发电机组生产厂商，也是世界三大发电机组生产厂之 一，也是世界上少数几家通过发电机组国际质量标准i s 0 8 5 2 8 认证的企业 之一，其生产的x s 系列柴油发电机组使用的是德国m t u 柴油机和法国利 莱森码( l e r o y - s o m e r ) 交流发电机等。 ( 2 ) 经济性好 由于能源问题日益严重与迫切，因此各国的发电机组制造商们十分注 重研究和提高机组运行的经济性。他们主要从两方面提高经济性：第一， 挖掘发动机本身的潜能，如普遍采用新型的涡轮增压器，增加了发动机的 进气量，提高了发动机的功率。废气涡轮增压的优点是驱动压气机所需的 动力来自废气能量而不是曲轴。装有中冷器的t w d 、t a d 型机使从涡轮增 压器里出来的压缩空气温度进入发动机前从高于1 5 09 c 分别冷却到9 0 、 5 0 。c 。新型的空气滤清器其清洁率从9 8 提高到9 9 4 ，进气流速也从 1 2 7 m m i n 增大到2 0 m m i n 。采用先进的电控喷油技术，使喷油效率更高、 压力更大、雾化更好、效果更佳。第二，燃油费用低是获得高经济性的良 好途径。因此目前国际上许多新型的移动电站具有使用多种燃料、燃用双 第1 章绪论 燃料或燃用混合燃料、或燃用低质燃料的功能。例如：在慕尼黑新机场供 电的美国d e u t z m w m 公司的七台1 5 8 k w 柴油发电机组燃用双燃料，必要时 可转换成1 0 0 的柴油而不影响连续正常供电；芬兰沃特斯勒英迪安柴油 机公司生产的柴油发电机组可用低级的剩余燃油有效的运行；英国的米里 利斯布莱克司通公司的1 2 缸v 型发动机驱动的电热联供发电机组用9 5 的天燃气和5 的燃油运行，燃料费用大减，当供气中断时，可转换燃油 而不停机；美国扩乐公司1 9 8 9 年与燃气部门研制的5 k w 柴油发电机组， 可经济地为家庭办公室及工业设备供电；英国莱佛顿公司向其本国油田提 供了一台6 0 k w 双燃料发电机组；许多移动电站尤以使用低质燃料引人注 目。对柴油机而言，即由燃用a 重油向b 重油或c 重油燃料的方向发展， 这是因为经济效率特别明显，若与专用轻油相比，至少省5 0 的燃料费用。 ( 3 ) 适应性 德国发电机组协会于1 9 9 0 年就提出了关于“负载的非线性影响 的 问题。例如水泥厂的大量电动机、钢铁厂的变化激烈的电弧炉负载、电解 槽一类的高频整流器负载、直流电机、转换器、其它非线性负载、高峰负 载等，均要求控制技术和性能的对应。人们从多方面尤其从励磁方面采取 措施。如美国的勒罗伊萨默股份有限公司为美国发电机组市场提供了一系 列复励无刷交流发电机，有对负载和功率因数变化的最佳励磁相应。同时， 现代单个大负载使用越来越多，要求电站动态性能越来越高，如某个中频 电动机达1 5 k w 转速高达1 2 0 0 0 r p m ，这对选择电站容量提出了挑战，按常 规选用则电站容量较大，而提高电站的瞬态指标则有助于选用较小的电站 容量，目前，在提高柴油机的瞬态性能研究越来越多，如负载预感技术应 用越来越成熟，使得柴油机的瞬态指标达到可调节的地步。 另外，可变频技术开始得到了越来越广泛的应用。所谓可变频技术是 指发电机组用发动机不再受所配发电机转速的制约而能输出满足要求的 电功率的技术。发电机组可在任一转速下输出电功率。通过新型的电子控 制装置的转换，使其输出的电压和频率满足要求：该控制装置能快速、精 确地跟踪负载的变化，自动地调节发动机转速。该类发电机组是美国利比 公司最先推向市场的。该发电机组的特点是：应用了可变频技术；永磁式 交流发电机；控制装置为固态反馈控制结构，其控制器所需功率取自交流 发电机。 ( 4 ) 安全性能优良 作为安全性的基本要求，发电机组不能对人体有危害或损坏其它工 件；发电机组不能对其它电器设备其它部件的功能有电气或磁性的障碍， 2 第1 章绪论 或不受外界磁性的干扰；发电机组应有一定的抗干扰能力，这种干扰有来 自电磁等方面的。例如英国的戴尔电气公司针对原子核破坏造成的电磁脉 冲研制的柴油发电机组( 1 6 5 k v a ，p e t t e p 6 0 0 3 柴油机，马康b g l 8 4 交流 发电机，d a l a 7 0 0 0 控制装置) ，当市电电源受到核电磁脉冲破坏或临时中 断供电时，可提供持续电能。 作为安全性能指标重要内容之一，电站上一般装有安全控制保护装 置，当发电机组出现水预热故障、预润滑故障、电瓶异常、水位低、燃油 油位低、低油压、发动机过热、发动机超速、过电压、欠电压、逆功率等 现象时，这些保护装置执行停机和报警等功能。 ( 5 ) 注重控制技术的先进性 为达到可靠、精确、迅速地控制，很多公司致力于微机类自动控制装 置及集散控制( d c s ) 和基于现场总线控制的( f c s ) 的各种柴油发电机组的 控制系统的研究，例如：扩乐公司1 9 8 4 年研制出新的“决策者 型微机 控制器，以1 块自包含的单卡数字电路微处理片为基础，有记忆、逻辑、 数据线、控制线及i o 部分，封装于1 块4 0 脚的集成电路片中。基于大 规模集成电路，经改进，使分离元件由第一代产品的6 2 2 个改进为1 0 2 个 的新产品，可实现快速反应机组的全部功能控制。 d e l t a 控制设备公司作为一个著名的发动机和发电机控制装置、配电 系统和专用控制屏的制造商，1 9 8 6 年前曾把主要研制手段集中在机组控制 系统的新产品上，与美国圣迭戈( i n t e l l i c o n ) 公司联合研制成功电子计 算机化的发电机组配电装置控制系统( c a s ) ，可操纵任何一种发动机或燃 气轮机组，尤其适用于联合发电站。该系统基于上用单揿阴极射线电视显 示屏代替了普通的全套测量仪表和控制屏，显示屏可按操作者的指令显示 机组的所有功能和工作情况。随着电子技术的飞速发展和用电设施的迅速 提高，要求作为( 应急) 备用的固定式柴油发电机组实现高精度自动控制 的呼声最为强烈，要求在市电断电后l o s 内能启动成功并供电。虽当今技 术水平以可实现，但批量产品要满足此要求尚待努力。 ( 6 ) 注重柴油机调速技术的研究开发 发动机上最早出现的自动调节器是17 8 4 年j a m e s w a t t 发明的离心式 机械式调速器。第一次工业革命后，随着发动机的发展，有关调速器的发明 也越来越多，至今，调速器已经历了四代产品。离心式机械调速器是第1 代产品，它采用离心飞块感受转速的变化，依靠离心力与弹簧力的不平衡 作用，通过机械机构驱动油量调节齿杆改变供油量来调速。2 0 世纪4 0 年代 末5 0 年代初出现了间接作用的机械液压式调速器，可以视为第2 代产品， 第1 章绪论 这种调速器的飞块产生的离心力仅用于移动控制滑阀，因而可以做得很 小，用滑阀控制压力油的流动路线，压力油进入动力油缸使动力活塞移动 产生很大的驱动力，作用于发动机燃油齿杆控制供油量，因而具有较大的 工作能力。这种调速器在船用发动机上得到了广泛的应用。无论是机械式 还是机械化液压式电子调速器，由于其转速偏差信号的测量与放大都是通 过机械元件来实现的，这就不可避免地存在惯性滞后及摩擦阻力大等固有 缺陷，因此用这种调速器就很难实现较复杂的调节规律和控制功能，无法 满足进一步降低油耗、减少有害排放、提高调节精度和自动化程度的要求。 所以研究人员就把目光转向了新兴的电子技术。自5 0 年代以来，人们尝试 用电子器件代替机械器件，用电信号代替机械信号来设计调速器并取得了 突破，出现了初具雏形的电子调速器。6 0 年代，美国wo odw a r d 公司 推出了2 3 0 l eg 一3p 型电液调速器，它由转速传感器、电子控制器和电液 执行器组成，这就奠定了模拟电子调速器( 第3 代电子调速器) 的基本结构 模式。其后又有许多国际大公司研制出了各种不同型号的电子调速器，它 们的共同点是均由磁电式转速传感器，以模拟式pid 或pi 调节器为核 心的转速控制器、执行器以及其它一些功能附件组成，其主要差别是控制 器为适应不同场合而设置了不同的控制功能，以及所用的执行器有所不 同。6 0 年代至8 0 年代初是模拟式电子调速器发展的鼎盛时期，并在越来越 多的场合取代了传统的机械或机械化液压式调速器。由于模拟式电子调速 器各项功能均由硬件电路组成，要实现更为复杂的控制规律或扩展更多的 功能，必然造成结构复杂、成本提高、可靠性降低、通用性差，影响电子调 速器潜力的发挥。自8 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了以微处 理器为核心的数字式电子调速器，即第4 代电子调速器。其代表产品为德 国m t u 公司的r 0 8 2 型，美国w o o d w a r d 公司的p r o a c t 系列，日本n a b c 0 公 司的m g 一8 0 型电子调速器等。该类产品由专用的控制用微处理机和一些 输入输出接口电路组成，除了输入输出信号转换之外，系统的各部分均由 软件编程实现，对信号的依赖性降低，具有极强的适应性和功能扩展能力。 如r 0 8 2 调速器的主要功能为：调速、限制功能( 如油量、增压压力等) ；测 量输出模拟信号( 转速，齿杆位置) ；r 0 8 2 故障操作显示输出：向外部监测 系统输出调速器的重要参数；看门狗功能：测试和备用功能；停车和紧急 停车。 目前，国外电子调速技术已经相当成熟，电子调速器的性能较好，其 代表产品有美国g a c 公司的e s d 系列，德国m t u 公司的r 0 8 2 型，日本n a b c 0 公司的m g - 8 0 型电子调速器及德国海阴茨曼的e 系列等，在国外一些发达 4 第1 章绪论 国家，使用电子调速器的发电机组在发电机组行业总产量所占比例已经超 过9 0 。 。 1 2 国内柴油发电机组的发展水平 国内柴油发电机组的生产厂家很多，但总体水平不高。在诸如可靠性、 安全性、经济性、适应性、人机工程指标和最新技术发展及应用等方面均 存在一定程度的距离。近些年来随着国家改革开放政策的贯彻，不少国内 厂家纷纷引进国外的先进技术或与国外合资办厂，例如，目前在国内以引 进康明斯技术生产的康明斯在国内应用最为广泛、引进最为成功，在国内 已形成了4 b t 、6 b t 、6 c t 、m 11 、n t 8 5 5 、k t l 9 、k t 3 8 等系列产品生产或供 货能力，具有强大的技术支持和坚实的维护保障能力，广泛应用于运载车 和各种动力；此外生产先进的德国发动机就有好几种，渭阳柴油机厂和华 北柴油机厂引进德国道依茨技术生产的b f l 4 1 3 f 、b f 5 l 4 1 3 f 系列柴油机， 北京内燃机总厂的道依茨b f 6 l 9 1 3 风冷增压柴油机、石家庄柴油机厂的 f 4 l 9 1 3 风冷柴油机、上海柴油机厂桑塔纳轿车用汽油机等，还有世界其它 著名的发动机生产厂象斯太尔、曼阿姆、沃尔沃、卡特彼勒、m t u 也分别 在中国合资建厂或其产品进入中国市场，这样就使国内移动电站的性能提 供了较好的保证。另外，移动电站的关键配件电子调速器的制造技术也有 提高，例如誉满全球的发动机控制系统供应公司g a c 向全球提供崭新和特 有的发动机调速控制产品，g a c 公司的品质保证部门保持一个完善的质量 体系，并必须执行由i s 0 9 0 0 1 认证的生产过程，从1 9 9 6 年起g a c 公司依 照e m c 标准，使多种调速器及自动均衡器得到了c e 标准的认可，为康明 斯、道依茨、卡特彼勒、帕金斯、富豪等等世界知名发动机提供产品和服 务过；成都仪表厂与世界著名的车用调速器的生产厂家德国海茵茨蔓公司 合资生产的e 系列的电子调速器都具有国际八十年代水平，它们在国内各 类电站中均得到了范围较广的应用，某些产品在一些性能指标上已接近国 外同类产品。例如为我国9 1 年最新研制某型号自行高炮配套的某型号高 炮电源车就是选用的上海桑塔纳汽车发动机作为原动机，选用兰州电源车 辆研究所研制的d t - 3 0 电子调速器作为调速装置，其技术性能达到了国家 军用标准二类电站标准。e 型系列的电子调速器在国内分别与北京内燃机 发电设备厂的6 1 3 5 、1 2 v 1 3 5 发动机；与上海柴油机厂的6 1 3 5 型柴油机； 与贵州柴油机厂的6 1 3 5 a 8 v 1 3 5 发动机；济南柴油机厂1 2 v 1 9 0 发动机； 与北京二七机车厂的1 2 2 4 0 柴油机；与天津动力机厂的6 1 3 0 柴油机配套 使用，其调速性能可达到国军标二类甚至是一类电站的指标。上海船舶研 5 第1 章绪论 究所的p d 一1 型调速器和7 1 1 所生产的e s a i o o o a 型调速器已广为柴油机使 用，性能和可靠性都不错，稳态调频率指标可达1 以内甚至更好，瞬态指 标也有大幅度的提高。 进入9 0 年代以后，为了提高电站的控制精度和安全可靠性，国内一 些电站的生产厂家和研究部门着手开发由各类微机系统控制的电站，即电 站向电子数字化方向发展，并且取得一定进展，例如，无锡动力工程股份 有限公司生产的专供部队使用的9 0 k w 自动化柴油发电机组，该机组由p c 机实现其自动控制，可进行自启动、自投切、自保护、对蓄电池浮充电， 该机组已通过军捡；9 3 年哈尔滨船泊工程学院用8 0 8 8 微机开发了“电站 柴油机微机控制电子调速器分别为四缸二冲程、1 5 0 0 r p m 、3 0 k w 的a 3 - 2 0 4 型和六缸四冲程1 5 0 0 r p m 、7 5 k w 7 5 x 3 型柴油发电机组配机，试验结果：各 项主要调速性能指标均达到或超过了g b 3 4 7 5 - - 8 3 所规定的一类电站的调 速精度的要求；广西空军桂林高炮学院于1 9 9 1 年用m c 一5 1 单片机开发了 “d y 一1 3 5 系列备用电源自动控制器”。以上高技术的开发还处于起步阶段， 还远未达到大规模成熟的应用阶段。 1 3 现场总线技术 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串 行多节点数字通信的系统，也被称为开放式，数字化，多点通信的底层控 制网络。它在制造业流程工业，交通，楼宇等方面的自动化系统中有广泛 的应用前景。现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网 络集成式全分布控制系统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由专用网络的 封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭，专用的解决方案变成了基于 公开化，标准化的解决方案。现场总线是新型自动化系统，有是低带宽的 底层控制网络。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协 议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。 1 3 1 现场总线系统的技术特点 现场总线在技术上有以下特点 ( 1 ) 系统的开放性 ( 2 ) 互可操作与互用性 ( 3 ) 现场设备的功能化与功能自治性 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 ( 5 ) 对现场环境的适应性 6 第l 章绪论 1 3 2 现场总线的优点 现场总线结构的简化，使控制系统从设计，安装，投运到正常生产运 行及其检修维护都体现出优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传 感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的 控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术 等功能单元及其复杂接线，还可以用工控机p c 作为操作站，从而节省了一 大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可以减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可 挂接多个设备，因而电缆、端子等的用量大大减少。当需要增加现场控制 设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，机节省了投资， 也减少了设计、安装的工作量。据有关典型实验工程的一测算资料，可节 约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断于简单故障处理的能力，并通过数字通 讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊 断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，从而缩短了维护停工时 间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了 某一品牌的产品被“框死 了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容 的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手 中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性于可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化、与模拟信号相比，它从根本上 提高了测量于控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简 化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输， 提高了系统的工作可靠性。 总之，现场总线技术不是一项仅以芯片换电缆的技术，是计算机及其 数字化通信技术向工厂底层，即设备层的延伸。现场总线技术的发展，使 其传统系统结构发生变革，并带来了传统系统无法比拟的优越性，如丰富 的现场信息、系统的开发性、产品的可互换性。 7 第1 章绪论 1 3 3 几种有影响的现场总线技术 自8 0 年代以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定 的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点也显示了较强的生命 力。 ( 1 ) 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在自动化领域 得到广泛支持和有良好发展前景的技术。它以i s o o s i 开放模型为基础， 取其物理层，数据链路层，应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层 上加了用户层。 ( 2 ) l o n w o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国 e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于是1 9 9 0 年正 式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了面 向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通 信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双 绞线) ：支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信 介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 ( 3 ) p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场 总线标准。由p r o f i b u s - d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s - p a 组成了p r o f i b u s 系列。它采用了o s i 模型的物理层，数据链路层。f m s 还采用了应用层。 ( 4 ) h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。这 种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信 号传输线上实现数字通讯，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程 控制的过渡性产品，因而在当前的过渡期具有较强的市场竞争能力，得到 了较好的发展。h a r t 通信模型由3 层组成：物理层、数据链路层和应用层。 ( 5 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局城网络。由于其高 性能、高可靠性、及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。国外已有许 多大公司的产品采用了这一技术。c a n 最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监 测、控制系统而设计的。众所周知，现代汽车越来越多地采用电子装置控 制，如发动机的定时、注油控制，加速、刹车控制( a s c ) 及复杂的抗锁定 刹车系统( a b s ) 等。由于这些控制需检测及交换大量数据，采用硬接信号 线的方式不但烦琐、昂贵，而且难以解决问题，采用c a n 总线上述问题便 得到很好地解决。据资料介绍，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和 j a g u a r ( 美洲豹) 等都已开始采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各 检测和执行机构间的数据通信。c a n 总线在汽车发动机上的成功应用，很自 8 第1 章绪论 然就会把其用在柴油机的控制上，瑞典v o l v o 首先在其1 2 升电喷柴油机上， 使用了c a nj 1 9 3 9 的通信协议，目前，在其新开发的7 升、9 升和1 6 升系列 电喷柴油机上，已全部使用了c a nj 1 9 3 9 。德国m t u 的2 0 0 0 系列和4 0 0 0 系 列电喷柴油机中，所有到监视器和控制系统的测量值和报警的传送均是通 过c a n 总线来实现。 基于以上情况和c a n 总线本身的特点，柴油发电机组的控制和并联柴 油发电机组之间的控制，由摸拟信号的控制变成数字信号，特别是通过c a n 总线实施通信方式将成为趋势，捷克的c o m a p 控制器已能通过c a nj 1 9 3 9 协议控制v o l v o 柴油机的运行，并联柴油发电机组之间的控制均采用的是 c a n 总线通信方式。 1 4 柴油发电机组的调速和调压系统 1 4 1 调速系统 柴油发动机调速系统是通过安装在飞轮壳上的转速电磁传感器检测出 转速的变化，通过电子调速器的控制，由执行器带动油门拉杆，调节供油量 大小，从而现转速自动调节的目的。 该调速系统主要由转速检测单元、电子调速器单元及执行机构等部分 组成。检测部分主要是由转速电磁传感器及飞轮齿圈组成，电磁传感器从飞 轮齿圈测得发动机的转速，并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给 电子调速器，电子调速器将转速信号与给定转速信号进行对比，并进行相应 的控制运算，再由功率输出环节驱动执行机构( 执行器) ，改变供油量大小， 自动调节柴油机的转速。 电子调速器是一个按“偏差调节原理组成的负反馈调节系统，主要由 测速环节( 含整形放大模块) 、给定环节、控制运算环节( 由于采用数字微处 理器，运算、模糊f u z z y 运算其算法可多样化，如p i d 等) 、保护模块、显 示模块、驱动模块等组成。以下是基于w i n b o n d 7 8 e 5 8 的一个调速系统框图 i 测违模块 l - 控制模块7 l 习匹硎偎状 皿昭o n d i 显示模块 _ 7 8 e 5 8 7 l l 木纩偎塔 图1 1 调速系统框图 9 第1 章绪论 1 4 2 调压系统 柴油发电机组必须保证电压稳定，许多设备必须在额定电压下运行， 如果电压波动太大的话，它们就无法正常工作，对发电机而言，电压偏低， 电流就会增大，导致电机发热。根据电机学理论，同步发电机的端电压同 空载电势和定子电流的关系如下： u f = e o - ji f x t 其中u f 为端电压，e o 为空载电势，i f 为定子电流，x t 为同步电抗，当 u f 和e o 的夹角很小时，可以化简为： 、 u t = e o i f q x t 其中i f q 为发电机的无功电流，从理论上说，在空载电势为恒定时，端 电压与无功电流的关系即电压调节器整特性为一条斜率为负值的直线，但 由于电枢反应的实际作用为一凸曲线如图1 。2 所示，即随无功电流的增加， 发电机端电压低于u e ，为了维持端电压在额定值，需要增大励磁电流以提 升外特性，图2 3 给出了发电机定子电流和励磁电流的关系，通过不断的 调整励磁电流，可以实现发电机端电压的稳定。这就是电压调节器所要完 成的工作。 u ，( 矿) j u 茸 “码 0 ，f q ( a ) d f ，( 均 图1 2 端电压与无功电流的关系图1 3 定子电流和励磁电流的关系 1 5 柴油机组的并联运行 为了保证供电的连续性，经济性，可靠性和供电品质( 电压和频率) ， 满足较大负荷的需要，增加运行的灵活性。常常采用几台发电机组并联运 行。两台或多台发电机的并联需要满足以下四个条件，这是为了避免产生 巨大的冲击电流，以防发电机受到损坏，电网遭受干扰。这四个条件是 1 ) 待并发电机组与运行发电机组相序相同。 2 ) 待并发电机组与运行发电机组的电压大小相等。 3 ) 待并发电机组与运行发电机组的频率大小相等。 l o 第1 章绪论 4 ) 待并发电机组与运行发电机组的相位一致。 1 5 1 常用并车方法 实行并车大约有三种方法： 准同步并车。它的操作过程是启动待并发电并调整其电压进入1 0 的范围内，然后调节频率，检测相位通常需要一些特殊的装置才可以，最 常用的检测相位差的方法有同步指示灯法，同步表法，以及组合式同步表 法。 粗同步并车。粗同步并车以称电抗器并车，它的特点是操作简单， 对并车的条件很宽松，需要一个阻抗很大的电抗器。 自动并车方式。所谓的自动并车方式是指能够代替电气工作人员完 成并车的各项操作，使待并发电机组迅速而准确的投入并联运行。 说到自动并车，我们必须要考虑发电机并联运行时功率的分配问题， 这其中有有功功率和无功功率的分配，改变并联发电机组无功功率的分配 是通过改变各台发电机组的励磁电流来实现的，又因为励磁电流和发电机 的电势直接相关，因此无功功率的分配和电压的调节是密不可分的。 柴油发电机组的有功功率是由原动机的机械功率转化而来的，交流发 电机要求原动机保持转速稳定。从而使得频率稳定。改变并联发电机组的 有功功率是通过改变各台发电机的油门的大小来实现的，当几台同型号的 柴油发电机组并联时一般是平均承担系统的总负荷，这其中即包括有功功 率也包括无功功率的均分。当组成供电系统的柴油发电机组为不同型号的 发电机时，那就将系统的总负荷按各台发电机组的容量按同一百分比来分 配，以利于发挥各并联运行的发电机机组的容量，否则，就会可能出现有 的机组已经超负荷运行，而有的机组承担的负荷不能使其达到额定运行状 态，这是对发电机组本身不利的，从经济角度看也是不合理的。下面分别 介绍并联发电机组有功功率和无功功率的调整和分配。 1 5 2 发电机组并联时有功功率的转移、分配和电网频率的调整 假设电网上已有一台发电机带负载p 运行，第二台机组并入后还处于 空载状态，需要将有功负载转移一半给第二台机组，这个任务调速器不能 自动完成，需要要通过手动操作或自动负荷分配装置来完成。设电压和无 功功率已由调压器保证，我们只考虑如何实现有功功率的转移和保证频率 不变。 我们通过在坐标平面上移动调速成特性的分析方法来说明。如图1 4 第l 章绪论 所示，开始时一号机组运行于l 的a 点，对应于频率f e 和功率p i = p ，并 联的2 号机组空载运行于特征2 的b 点，对应于频率f e 和功率p 2 = o 。我 们增大2 号机组油门，使特征27 向上移到特征曲线2 ，减少一号发电机组 的油门，使特征1 向下平移到特征曲线1 ，与特征曲线2 相交于c 点，在 这点上两台机组的频率为f e ，各自分担的功率为p 2 ，之后由调速器自动 负责功率分配和调节。 频 p 2p 图1 4 机组并联有功功率的转移和分配曲线图 1 5 3 发电机组无功功率的调整 发电机组并联后，不但要进行有功功率的分配和调整，而且要进行无 功功率的转移和分配，发电机组并联运行时，系统提供的无功功率的总和 应等于无功负荷的总和，这样系统的电压才可以保持稳定。无功功率决定 于电压调整特征，可以证明如果参与并联的都为有差特性的机组，大多数 情况是这样的，每台机组承担的无功负荷与机组本身的电压调差系数( 特 征曲线的斜率值取反) 成反比，因此分配关系是恒定的，如两台机组的调 差系数大小相等，那么它们总是平均分担负载。但是，在实际应用中，往 往两台机组的调差系数大小不可能完全相等，通常两台发电机在使用调差 电位器后，单机运行可调到某一功率值时，两台发电机输出电压相同，但 在功率改变后，两台机单机运行的电压值又会不同；造成两台发电机组并 联运行时，在某一功率段无功分配较均衡：其他功率情况下无功分配效果 不理想。所以，采用无下垂特性具并联电压调节口的电压调节器很有必要， 当然，并联控制器也须有控制功率因素的电压调节输出口，分别控制两台 发电机的励磁电流，达到两台发电机的无功均衡分配。同时，又可通过改 1 2 第1 章绪论 变两台发电机的励磁电流实现无功功率的转移，因此，并联柴油发电机组 增加对电压调节器控制的功能，对提高柴油发电机组的供电质量和效率均 有好处。 1 ：5 4 目前国内自动并联柴油发电机组的控制 因为并联运行包含有有功率分配和无功分配的问题，所以根据并联功率分配 的方式又可分为两种自动并车方式，一种是当前流行的只控制有功分配而无功分 配靠发电机的下垂来分配的。目前，国内主要使用是美国的g a c 的控制器，此种 并联需要二个控制器，一个是负责负载分配的l s m 6 7 2 模块( 现在还出现一种是 l s m 2 0 1 模块) ，另一种负责同步控制的s y c 6 7 1 4 模块，当一台机组向另一台并联 时，首先起作用的是同步控制器。 同步器的1 号和2 号端子用来检测发电频率，3 号和4 号端子用来检测公 共母线排上的电源的频率：同时，6 号端子输出一电压信号用来控制调速器，由 调速器来控制柴油机的喷油量，从而达到控制转速的目的，当两台发电机机组频 率相同，并达到同步时，同步器1 3 和1 4 号端子闭合从而控制断路器的合闸线圈； 在断路器合闸合，同步器的激励电源输入和调速输出信号通过断路器的辅助触点 断开，此后，同步器不再起作用，而由负载分配器来分配有功功率。 第1 章绪论 图1 5j 司步控制器s y c 6 7 1 4 的原理接线图 l s m 6 7 2 负载分配器是在当两台发电机组同步后起作用，调速器的控制信号 来自负载分配的1 5 号端子，当负载增加时，输入负载分配器的电流增加，则负 载分配器的输出1 5 号端子输出电压增加，从而控制调速器的输出，增加柴油机 的喷油量，保持柴油机转速。同时为了保证两台机组的负载分配均衡，负载分配 器的1 3 号和1 4 号端子是用来连均压线的，其既是输出线也是输入线，同时，保 证两个负载分配器的1 5 号端子输出电压同比增加，从而保证两台机组的喷油量 同比增加达到有功分配的均衡。 1 4 第1 章绪论 目图 c 一一怠“、 ，：翟鬈、。，恶， 、7 t 一 ，。纛、；一i 二 v 、 一一i 。l n 5 ，一 c 黼i 警jq 1 l 黝疆、- 图1 6 负载分配器l s m 6 7 2 的原理接线图 无功的分配是靠电电机的自然下垂的特性，其下垂特性是通过电压调节器来 实现，此处以e a 4 4 0 t 电压调节器来分析，电压调节器有一个s 1 和s 2 输入口， 此口用与一个电流互感器相连，随着无功分量的增加，电压调节器输出电压下降， 其d r o o p 调节电位器用来调节下垂斜率，当两台发电机的下垂斜率调到一样 时，无功分配近似均衡。 第1 章绪论 c t 口口0 口m 0 i k 2 k 1 p 2 p 3 p 4 x xx21 c a a e a 4 4 0 一t 罩 。l1 1 0 一 2 2 0 j 赢 图1 。7e a 4 4 0 t 电压调节器的原理接线图 此种自动并车方式虽然为目前主流并车方式，但是其无功均衡往往达到的效 果不理想；同时，此种方式要想较好的完成优先权、有功率和延时管理等功能， 还必须另外增加p l c ，使本来就比较复杂的线路变得更加复杂、麻烦，所以，我 们在设计并车系统时，考虑用国际上当今最先进的一种并车系统。 1 6 本论文主要研究内容 本论文目的是设计一套具有有功和无功均衡分配、可靠性高、低功耗、智 能化高的并联柴油机组。主要执行以下工作： 1 ) 首先选择一种可靠性高、低功耗、功率适合，并且具有控制转速的调速 口( 电压信号或电流信号) 的柴油机。 2 ) 选择一功率与柴油机匹配的发电机，并寻找一适合的电压调节器与之匹 配( 关键是电压调节器要有辅助电压调节口以使得发电机电压可调节) 。 3 ) 选择、寻找一个有一定知名度、性能可靠、具有有功和无功分配的控制 器( 柴油发电机组专用p l c ) ，并且调速输出和调压输出分别与柴油机的调速口 和电压调节器的调压口相匹配。 4 ) 设计控制线路，保证控制器能正确的完成对柴油机和发电机的控制。 5 ) 对控制器进行编程和设定。 6 ) 利用v i s u a l c + + 通过c o m a p 提供的m o d b u s 协议编辑软件和界面实现对机 组的监控。 7 ) 对自动并联机组进行试验。 1 6 第2 章t h m 全自动并联机组的总体设计 第2 章 l h g 全自动并联机组的总体设计 2 1 任务来源 随着我国经济得到迅速发展，柴油发电机组市场也发生很大变化。主要表现 为：国内外同行竞争加大，产品价格竞争激烈，产品可靠性，安全性，环境保护 能力，智能化程度要求更高，更节能等等。在柴油发电机组的并联技术上，以上 特点集中体现了。首先在产品价格上，选一台大功率的机组和选多台小功率的机 组，同样达到相同的输出功率，多台小机组价格之和远低于大机组的价格；从节 能上考虑在低负载情况上，运行一台大机组比运行一台小机组造成更多的能源损 耗，也不利于环保。但在可靠性、安全性及智能化上对并联技术的要求比单台机 组要求高了。 t h m 全自动并联机组的研制任务是本公司根据汉帛( 中国) 股份有限公司 的需求，结合其具体使用情况，双方综合考虑决定为其研制二套t h m 全自动并 车