（轮机工程专业论文）船舶电站管理系统的设计与研究.pdf

中文摘要 摘要 随着现代造船技术的发展，船舶对电站管理系统的可靠性和经济性要求越来 越高，因此船舶电站的控制、监视和管理的重要性显得越来越突出。本论文在对 现有的国内外船舶电站自动控制装置进行充分研究和分析的基础上，基于可编程 控制器( p l c ) 、先进的工业控制技术和计算机技术设计了一套集散式船舶电站管 理系统。 本文设计的电站管理系统由一个主站和三个子站组成。主站计算机是以 w i n d o w sx p 作为操作系统的工业p c 控制机，使用图形操作界面实现数据采集、 查询、显示、记录等功能。每个子站由一台s 7 3 0 0p l c 构成，独立控制一台发电 机组，子站s 7 3 0 0p l c 进行数据检测和控制。利用西门子公司的编程软件s t e p 7 设计了p l c 控制程序，实现了电站的综合控制功能，主要设计了自动起动模块、 自动准同步并联运行模块、自动调频调载模块、自动解列模块和自动停机模块等。 本文利用s i m a t i cn e t 、s t e p 7 、w i n c c 等软件和p r o f i b u s 总线实现了工业p c 控制机和s 7 3 0 0p l c 之间以及三个s 7 3 0 0p l c 之间的通讯。根据船舶电站管理 系统的控制功能和操作规范，并利用w i n c c 进行了工业p c 控制机监控单元的设 计。 最后通过模拟试验，验证了基于可编程控制器( p l c ) 设计的集散式船舶电站 控制系统运行的可靠性和经济性。 关键词：船舶电站；集散式；p l c ：w i n c c 英文摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g nf o rs h i pp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m a b s tr a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms h i p b u i l d i n gt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n tf o r r e l i a b l es h i pp o w e rm a n a g e m e ms y s t e mi sm o r ea n dm o r en e c e s s a r y t h e r e f o r e ， c o n t r o l l i n g ，m o n i t o r i n g a n df o l l o w - u pm a n a g i n go fs h i pp o w e ra r em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t b a s e do nt h es u f f i c i e n tr e s e a r c ha n da n a l y s i so nc u r r e n td o m e s t i ca n d o v e r s e a s s h i p a u t o - c o n t r o le q u i p m e n t ，id e s i g n e dat o t a ld i s t r i b u t e ds h i pp o w e r m a n a g e m e n ts y s t e mb yu s i n gt h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , a d v a n c e d i n d u s t r i a l c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h es h i pp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mi sc o m p o s e do fa l lo p e r a t i n gs t a t i o nc o m p u t e r a n dt h r e es l a v ec o m p u t e r s m a s t e rc o m p u t e r ( o p e r a t i o ns t a t i o nc o m p u t e r ) i sc o m p o s e d o fa ni n d u s t r i a lp cw i t l lw i n d o w sx pa st h eo p e r a t i n gs y s t e m u s i n gg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，m a s t e rc o m p u t e rh a sd a t ac a p t u r i n g ，d i s p l a y i n g ，r e c o r d i n ga n dr e l e v a n td a t a e n q u i r i n gf u n c t i o n s e v e r ys l a v ec o m p u t e r , c o r e db ys i e m e n ss 7 3 0 0p l c c o n t r o l sa g e n e r a t o ri n d e p e n d e n t l y s l a v ec o m p u t e r sh a v ed a t ad e t e c t i o na n dd a t ac o n t r o lf u n c t i o n w ed e s i g n e dt h ep r o g r a mo fp l cb yu s i n gt h es i e m e n s p r o g r a ms o f t w a r e ( s t e p 7 ) t o r e a l i z et h es u r v e i l l a n c ef u n c t i o no ft h es h i pp o w e rs t a t i o n a u t o - s t a r tm o d u l e ，a u t o m a t i c q u a s i - s y n c h r o n o u sp a r a l l e lo p e r a t i o nm o d u l e ，a u t o m a t i cf r e q u e n c ya n dl o a dr e g u l a t i o n m o d u l e ，a u t o m a t i cp a r a l l e lo f fm o d u l ea n da u t o m a t i c s t o pm o d u l ea r ed e s i g n e d t h em a s t e rc o m p u t e ra n ds l a v ec o m p u t e r sa r ec o m m u n i c a t i n gt h r o u g ht h es o f t w a r e o fs i m a t i cn e t ，s t e p7a n dw i n c ca n dp r o f i b u sf i e l d - b u s a c o r d i n gt ot h ec o n t r o l f u n c t i o na n do p e r a t i o nr u l e so fs h i pp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e d t h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo fp c ，u s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nt e s tv e r i f i e st h er e l i a b i l i 够a n de c o n o m i ce f f e c to ft h et o t a l d i s t r i b u t e ds h i pp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ；d i s t r i b u t e dc o n t r o l ；p l c ；w i n c c 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕 士学位论文 ：监壁皇塑筻堡丕筮的遮盐生婴窒：。除论文中已经注明引用的内容外，对论 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加 明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承 担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论 文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中 国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版 发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名 船舶电站管理系统的设计与研究 第1 章绪论 1 1 船舶电站管理系统概述 船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，电站运行的可靠性和经济性对保 证船舶安全航行营运具有重要意义。随着计算机和网络技术的发展及其在现代船 舶上的应用，船舶电站的管理和操作越来越趋向于自动化与智能化。 船舶自动化电站是无人值班机舱的一个重要部分。船舶自动化电站具有的以 下优点i l ，2 】： 1 ) 维持船舶电站供电的连续性和可靠性，增强船舶运行的生命力； 2 ) 提高船舶电站供电质量； 3 ) 改善船员工作条件，减轻值班强度： 4 ) 提高劳动生产率，提高船舶运行的经济指标。 随着造船技术和电力电子技术的发展，船舶电站自动化技术经历了由继电器、 接触器组成的有触点控制系统到分立元件和集成元件组成的无触点控制系统，继 而发展到大规模的、结构化的、模块化的集成电路控制系统。现在已经发展到采 用微机控制系统，使控制部分的体积重量大大减少，工作可靠性提高，控制方式 由硬件控制变为软件控制为主，使功能的组合和扩展变得容易。计算机控制由大 型机集中控制方式发展到多微机分散控制方式，工作可靠性提高；进而出现由多 级计算机构成的分布式控制系统【3 1 。 2 0 世纪末，在集散式控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 产生后，国 外各公司陆续推出了采用局域网络技术的船舶电站控制系统，如德国西门子公司 的未来型系统，美国s p e r r y 公司的航行管理系统，丹麦s t l 公司的i s c 系统等。 在上述系统中都包括电站计算机控制子系统，也就是说在这些代表发展方向的系 统中，电站都是由计算机控制的。w o o d w a r d 公司1 9 9 5 年推出了专用于电站控 制的计算机分散式控制系统，完成柴油机控制，发电机同步并联运行，频载调节 和系统监测等全部自动化任务。美国o n a n 公司也推出智能化电站控制系统 p 0 w e r c o m m a 小m ，实现电站全自动化【4 5 】。 我国目前研制和生产的船舶电站自动化装置的水平与世界主要造船国家的水 平相比，还有较大差距，现在所建造的船舶大多数采用国外的自动控制装置和系 第1 章绪论 统。目前我国船用配套设备国产化率仅为2 0 3 0 左右，在配套设备中，船舶电站 管理系统国产化率更低，大约有9 0 来自国外【6 1 。现在国外发达国家采用计算机和 p l c 控制技术研制的船舶电站管理系统，功能比较完善，技术也较先进，但技术 垄断比较严重。因此，投入人力和物力开发具有自主知识产权的船舶配套设备替 代进口设备，研制集散式船舶电站自动管理系统，具有一定的实际意义。 船舶电站管理系统采用集散控制系统具有连接方便、采用软连接的连接方式 容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大等优点；与计算机集中 控制系统比较，它具有操作管理监督方便、控制功能分散、危险分散、可靠性高 等优点。 1 2 集散式控制系统 集散式控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的集 中分散型控制系统。集散控制系统是进行集中管理的，而系统的体系结构是分布 式的，总体上是一种分布结构的控制系统。 集散控制系统的显著特性是实现集中管理和分散控制。其实质是利用计算机 技术对发电机组进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它 是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术 相互发展而综合产生的。随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统 不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，系统的开放不仅使不同 制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据 的交换，系统的开放也使第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用 【7 ，8 1 o 1 2 1 集散控制系统的基本组成 本文的集散控制系统采用标准化、模块化的设计方式，是由过程控制级、控 制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为桥梁的集中显示和操作，控制 相对分散的多级计算机网络系统。总体上集散控制系统由四大基本部分组成【7 1 。 1 ) 分散过程控制装置 分散过程控制装置是由i o 接口组成的。i o 接口包括数据输入输出接口，主 要分为模拟量和开关量两种。模拟量主要用来进行模拟信号和数字信号的转换。 船舶电站管理系统的设计与研究 发电机组的各种过程变量，如压力、温度、流量、液位等信号通过a d 转换器接 入到集散控制系统中。各种控制输出信息，如调节阀、变频器输出等信号通过d a 转换器从集散控制系统传输到发电机组的各种执行机构。开关量主要用来进行各 种开关信号的采集和控制，如变频器的启停、阀门的开关信号等。 2 ) 控制器 本文的控制器就是p l c ，他是集散控制系统的主要控制部件，它向下通过i o 接口与现场的各种仪表与设备相连接，向上利用通信网络与操作管理装置相连接。 它按照p l c 程序完成过程控制中所需要的各种计算，如p i d 调节、顺序控制、批 量控制等。同时还对输入量与输出量进行软件滤波和各种处理运算。 3 ) 人一机界面 集散控制系统的人一机界面主要是发电机组的监控界面。操作人员通过监控 界面了解发电机组的运行状况，并通过它发出操作指令来控制发电机组。机组的 各种参数在监控界面上显示，以便于操作人员监视和操作。 4 ) 通信网络 集散控制系统的数据传输主要依赖于通信网络。通信网络连接集散控制系统 的各个部分，完成数据、指令和其他信息的传递。通信系统应该具备高传输速率、 低误码率、快速的实时响应能力，以及适应船舶机舱的恶劣环境。随着计算机技 术和网络技术的不断发展，可通过标准的网络通信手段，与其他的系统相连接， 以完成更加复杂的功能。 1 2 2 集散控制系统的特点 1 ) 突出的控制功能 控制功能是集散控制系统的“心脏 。带微处理机的控制器根据生产过程的要 求，可实现单回路、双回路甚至多回路的控制。控制算法也由最初的几十种达到 现在的上千种，可以实现串级、前馈、解耦和自适应等先进控制，运算功能越来 越强。 控制方式从早期只有连续控制的状况，已经发展到普遍具有逻辑控制、顺序 控制和批量控制的功能。 连续控制指的是一般的常规控制，调节器的输出量随着现场检测值的变化按 第1 章绪论 照一定的控制算法而变化，输出信号不断改变，进而修正输入信号。连续控制算 法一般有p i 、p i d 、微分先行的p i d 、积分分离p i d 、分程控制、模糊控制、带模 型预估的控制算法、自适应控制、多变量解耦控制等常规及高级控制算法。 逻辑控制是由逻辑块来实现的。在集散控制系统中，逻辑运算包括与( a n d ) 、 或( o r ) 、异或( x o r ) 、进行延时( o nd e l a y ) 、停止延时( o f fd e l a y ) 、脉 冲( p u l s e ) 等。逻辑控制可直接用于过程控制，进行工艺联锁，也可作为顺序 控制中的功能模块，进行条件判断、状态变换等。 顺序控制是根据生产要求，预先设定好一定的顺序或逻辑，分段执行各部分 的信息处理。顺序控制的方法有顺序表法、程序语言方式和梯形图法3 种。顺序 表法是将设定的控制顺序按逻辑关系和执行时间的前后关系预先编成顺序记录， 存储于文件中，然后逐项进行执行。程序语言方式是通过语言编程来实现顺序控 制的，而这种语言是一种面向现场、面向过程的简单直观的控制语言。梯形图法 是由继电器逻辑电路发展成的一种解释执行程序设计语言。它的书写方式简单， 逻辑关系更加直观，实现起来也比较简单。 批量控制主要是用顺序程序把一些相关联的操作步骤连接起来，定义每一步 操作的具体条件和要求，以得到生产所要求的产品( 7 j 。 2 ) 友好的人一机接口 集散控制系统的人一机接口功能主要是由操作站来实现的。操作站除了可以 显示测量值、设定值、趋势曲线、故障状态、控制输出值等数值外，还可以设置 流程图画面、维护画面、报警画面等内容。操作人员通过操作站，可以监视现场 装置的情况；可以实现各种状态量的监视和组态，诸如电机、开关阀的远程控制， 极大地方便了操作人员的操作，从而实现了集中的操作和监控管理【7 】。 3 ) 系统的适应性和扩充性 集散控制系统的硬件和软件系统均采用开放式、标准化和模块化设计，具有 灵活的配置方案，船舶电站的设计者可以根据实际需要改变系统的配置，在电站 容量发生改变时，很方便地扩大或缩小系统的规模，或调整控制方式。以上的变 化都不需要重新对软件进行开发，只需要使用组态软件进行简单的组态修改即可。 集散控制系统具有良好的适应性和扩充性【7 1 。 4 ) 运行安全可靠 4 船舶电站管理系统的设计与研究 集散控制系统的结构采用容错设计，在任何一个环节出现故障的情况下，仍 然可以保持系统的正常工作；系统的硬件包括操作站、控制站、通信网络及其他 一些关键设备均采用双重或多重冗余设计；系统的软件采用程序分段与模块化设 计结构，在进行组态修改时可以进行在线下载，而不影响其他程序段的运行；系 统还设有无中断自动控制系统和完善的自诊断功能，使系统的平均无故障时间多 达1 0 0 0 0 0 天【7 1 。 5 ) 开放的通信网络 集散控制系统的通信网络负责各从站之间的数据、指令及其他信息的传递， 以完成控制系统的控制功能、显示功能和优化处理。集散控制系统中用于将各种 数据设备互连的通信网络称为局域网。它具有较高的通信速率，较低的误码率， 快速的实时响应能力，并且能够在恶劣的环境下工作，具有极高的可靠性。集散 控制系统的通信网络采用m o p t o p 标准通信网络协议，将集散控制系统与信息 管理系统连接起来，扩展成为综合的自动化系统【7 , 9 1 。 1 3 本文研究的主要工作 本文主要是基于p l c 的船舶电站管理系统的设计和研究，在充分了解船舶电 站的组成、工作原理、主要功能和具体要求等的基础上，应用先进的工业控制技 术和计算机技术，基于p l c 设计一套集散式船舶电站管理系统，目的是提高系统 的可靠性和经济性。 主要的工作有：， 1 ) 在详细论述系统的设计方案与实现方法的前提下，对与系统设计相关的理 论进行了必要的分析和论证。 2 ) 重点设计了自动频载调解单元，实现发电机组的自动起动、自动并联运行 及有功功率的自动调节。 3 ) 对电压、电流、频率和相位等信号采集、处理电路做出设计。 4 ) 以模块化设计的思想对p l c 程序和工控机程序进行程序编写。 5 ) 用组态软件w i n c c ，并用p r o f i b u s d p 协议将工业p c 控制机与p l c 连接， 实现对p l c 的实时监控。 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 船舶电站管理系统的主要任务是保证船舶电站供电的安全可靠、改善劳动条 件和提高电站运行的经济性。随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化也必 然由局部的、独立的控制发展到综合的、集中的控制，继而成为机舱自动化以至 船舶自动化的重要组成部分。船舶电站管理系统是由电站自动控制系统、自动监 测报警系统和安全系统三个互相独立又互相关联的系统组成【8 】。 2 1 船舶电站管理系统的主要功能 本船舶电站管理系统设计的自动操作功能如图2 1 1 , 1 0 - 1 5 】： 图2 1 电站管理系统方框图 f i g 2 1b l a c kd i a g r a mo f t h es h i pp o w e rs t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 1 ) 自动起动一台备用发电机组。当备用柴油发电机组处于停机状态时。而且 发电机主开关也没有合闸，如有令发电机起动的信号时，该机就能实现自动起动。 2 ) 自动准同步并联运行。若电网上有发电机组供电，则备用发电机组自起动 成动后，即由自动准同步单元与自动调频调载单元配合工作，将新起动的发电机 组自动投入电网并联运行。 3 ) 自动恒频及有功功率自动分配。当两台机组并联运行时起动调频调载单元 与原动机调速器配合工作，使电网频率维持恒定，偏差不大于o 2 5 h z ，并使两台 机组承担的有功功率按机组容量成比例分配。 船舶电站管理系统的设计与研究 4 ) 实际情况一台发电机组解列时，电站管理系统应将其负载自动转移至运行 发电机组后，才接受跳闸指令实现自动解列。 5 ) 自动恒压及无功功率自动分配。无论单机还是并联运行，励磁自动调节单 元总能保持电网电压维持恒定，误差不大于2 5 u 。同时能调整并联运行发电 机的无功分配，使之合理分担。 6 ) 配备自动分级卸载单元。当电网负载超过额定负载时，可分次卸掉次要负 载。 2 2 电站的功率管理 备用发电机组的起动、有功功率的自动分配、机组的解列停机等实质就是电 站的功率管理。功率管理是根据电网运行所需要的功率确定应投入和切断并网运 行的发电机组的台数。在电网功率余量( 储备) 不足时起动备用机组投入运行； 功率余量过剩时退出多余机组【1 3 1 。 2 2 1 备用发电机的起动需求 确定备用发电机组的起动需求值一般是以负载功率余量为依据的。负载功率 余量也有称为功率储备的，对单机运行来说是发电机的额定功率减去实际承担的 功率，电网的负载功率余量等于发电机的负载功率余量。多机并联的电网，电网 的负载功率余量等于各运行发电机负载功率余量的总和【1 3 , 1 5 】。 不同容量 台机组并联运行的电网，电网的负载功率余量只可以表示为 nn 只= p j 一易 ( 2 1 ) l = li = 1 式中气第f 台机的额定功率； 只第f 台机的实际负载功率。 船舶上较多的采用同容量发电机组组成的电站，对同容量( p ) 发电机并联 且各机分配均匀( 都是p ) ，则电网的负载功率余量只可以表示为 只= a 一人霉= 门( 岛一p ) ( 2 2 ) 对发电机组来说它的负载余量表现在功率上，对发电机来说它的负载余量表 现在电流上。很多自动电站都是用负载电流余量来确定机组的起动停机。 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 不同容量聆台机组并联的电网，电网的负载电流余量，可以表示为 nn t = 一l i = l，= l 式中，m 第i 台发电机的额定电流； 示为 j 一第i 台发电机的实际负载电流。 ( 2 3 ) 对同容量机组并联且各发电机电流分配均匀，则电网的负载电流余量，。可表 is = n ( i n i j ( 2 4 ) 为计算方便起见，通常以发电机的额定功率或额定电流为基值的标准值或百 分比表示，单机( 7 = 1 ) 运行有 争一旦：孚或孕一争：争即k ：1 一群(25)p p n ln p n ? in i n in r 。 其中 k ，实际负载率，k ，= e r 或k ，= ，凡； k 负载余量，k = 只r 或k = l 。 例如发电机的实际负载k ，= 0 8 或8 0 ，则负载余量k - 0 2 或2 0 。 对单机来说，如果允许的负载余量定为k = 0 1 5 ，则当发电机的实际负载达 k ，= 1 0 1 5 = 0 8 5 以上时应起动备用机组。 这里所说的负载可以是功率，也可以是电流。以k 表示设定的起动需求值的 负载，则当k r k 1 时起动备用机组。 不同容量多机组并联时可表示为 已 k ，= ，；】 同容量多机组并联时可表示为 k = n ( 1 一k 1 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 从这个公式可得到两个确定起动备用机组的原则：设定发电机组的起动需求 值k ；设定电网的负载余量k 。 发电机组的起动需求值k 。一旦设定，电网的负载余量k 就随并联机组的台数 8 船舶电站管理系统的设计与研究 改变。例如上例取k 产0 8 5 ，一台机的k = o 1 5 ，二台机的k = o 3 ，三台机的 k = 0 4 5 。并联的发电机越多电网的负载余量越大。因此，按这种原则确定的数值 经济性不够好。 电网的负载余量k 一旦设定，发电机组的起动需求值墨就随并联运行的发电 机的台数改变，即 k 1 - 1 - ( k i n ) ( 2 8 ) 例如取k = 0 1 5 ，求得一台机的k 1 _ 0 8 5 ，二台机的k 1 - 0 9 2 5 ，三台机的 k f0 9 5 。按这种原则确定的数值，经济性比上一种好。 上述两种起动需要值的确定方法各有其特点，但从保证连续供电方面来看， 为了防止发电机过载保护动作脱扣，在保守动作值之前加上一个预警值，通常称 为“脱扣预报”，处理方法是分级卸去次要的负载。现在对自动电站提出更进一步 的要求，为了防止发电机的过载保护动作脱扣和分级卸载动作，在分级卸载动作 值之前加一个预警值，处理的方法是起动备用机组投入运行。因此，功率管理需 要起动备用发电机的动作值应小于分级卸载的动作值；分级卸载的动作值应小于 发电机过载保护的动作值。动作时间是在同一功率值或电流值下，动作值小的时 间短。三个动作值和时间取值应协调。过载保护和分级卸载一般都是按发电机的 电流取值设定，一般自动电站的起动需求值也是按发电机的电流取值。这也是因 为通常电流过载总是先于功率过载。有的功率管理装置同时监视电流和功率，功 率的取值与电流的取值原则基本相同，但功率的取值一般小于电流的取值。 按设定发电机的起动需求值k 的原则，k 的取值应小于第一级分级卸载的动 作值，这是起动需求值取值的理论依据。取值应小多少，取决于经验，一般取小5 左右。例如第一级分级卸载的电流动作值取发电机额定电流值的0 9 倍，则k 应 取0 8 5 。动作的延时时间是为了躲过短时的过载，般的经验数据是3 0 s 。这个时 间要与分级卸载的延时时间相协调，一般分级卸载具有反时限特性是可以满足的。 按设定电网负载余量k 的原则，从上面的例子可以看出，取k = 0 1 5 ，一台机 k 1 = o 8 5 ；二台机k 1 0 9 2 5 ；三台机k l - 0 9 5 ，如果分级卸载的电流动作值仍取 发电机额定电流值的0 9 倍，动作上己不协调。例如两台机并联时，如果负载达到 分级卸载的动作值，但还未达到起动需求值k 产0 9 2 5 ，出现先卸载后起动备用机 9 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 组的情况，显然不合理。按这种原则取值必须考虑最多几台机并联时得到的起动 需求值与分级卸载动作值的协调。考虑到无论几台机并联，k 的值都不会大于1 ， 分级卸载的动作值可取1 0 0 ，这样动作的取值总是协调的。 从实现这种功能来看，设定发电机组的起动需求值k 的原则较方便，各发电 机的设定独立；设定电网负载余量k 的原则较复杂，必须对运行的发电机的容量 和各发电机承担的负载分别进行总和。一般船舶航行时，多是一台机长期运行， 在某些情况下才需要两台机或更多机并联段时间。在自动电站中很多都采用按 设定发电机的起动需求值k 的原则。 2 2 2 多余发电机的解列需求 多台机组并联运行，如果负载减少到解列退出一台机组后电网负载余量k 仍 过剩时，功率管理装置就发出解列需求。也就是说，解列一台机组后各留用机组 负载的增加不应超过起动需求值墨。通常把发电机可以解列时的电网负载值称为 解列需求值【1 3 , 1 5 】。 下面以k ，来表示解列需求值，它也有两种取值方法： 一种是按解列一台机组后电网的实际负载k 严k k ，按功率解列由下式表 一 不： 最 k 2 = 可上l 一= k 1 尸f r i = l 式中r 被解列的一台发电机的额定功率。 同功率机组并联由下式表示： ( 2 9 ) 三k ，= ( 2 1 0 ) n l 式中k ，每台发电机的实际负载率。 例如设定丘= 0 8 ，有三台机并联，当每台发电机负载降低到 k ，：丝蔓k ：垒掣：o 5 3 时可以解列一台机组。 如果是两台机并联，则当每台发电机负载降低到k 产0 4 时可以解列一台机组。 1 0 船舶电站管理系统的设计与研究 由此看出，k ，确定后解列一台机组的负载值是随并联的台数的增加而增加。按这 种原则取值经济性较好。 另一种是根据k ，取一个固定的解列负载值，这个值应该是最低的才能适用于 不同的并联台数。最低解列负载值是出现在两台机并联时，如果以墨来表示每台 机的解列需求值的负载，不同容量多机组并联可用下式表示： 民一r 墨= k 2 旦百一 ( 2 1 1 ) t = l 考虑两台机并联，上式中台数行= 2 ，分子是解列一台r 后留用机组的功率，分母 为原来运行机的总功率。 同容量两台机并联可用下式表示： k ：= k 2 2 ( 2 1 2 ) 如果取k 2 = o 8 ，则k 3 = 0 4 。两台机并联时，k 2 = 0 8 ，即两台机并联负载 降低到4 0 时解列一台，留任机的负载增加到8 0 ；三台机并联时负载降低到4 0 解列一台机，留任( 两台) 机的负载增加到6 0 。由此看出，解列一台机后留 任机的负载，随并联机组台数的多少改变，留任机组台数越多，负载增加越少。 按这种原则取值经济性较差。从实现电路来看较方便，并联机组在三台以下是可 取的。 k 的取值依据是k 2 q ，取多少只能靠经验，一般取k = ( 0 9 0 9 5 ) k 1 ，例 如k 取0 9 ，则疋可取0 8 - 0 8 5 ；k 1 取0 9 5 ，则k 2 可取o 8 5 - 0 9 。k 2 取的高经 济性差；取的低稳定性好。这里说的稳定性是指不出现频繁地起动停机操作。 2 2 3 重载起动询问 重载是指电站中相对发电机容量来说比较大的电力负载，一般是电动机。由 于电站一般运行在经济运行状态，只要保证电网的功率余量大于增机设定值即可。 因此，当船上的一些重载设备起动前，应先自动询问一下电站当前运行机组的供 电状况是否满足重载设备启用的需要。若能满足需要，则该重载设备可立即起动； 若不能满足需要，则应先自动起动一台备用发电机组，待其并网运行并确认电网 的功率裕量可以满足需要后，再允许该重载设备启用【1 3 , 1 5 】。 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 1 ) 允许起动信号 纳入这个功能控制的电动机的功率用己表示，各运行发电机的功率余量( 剩 余功率) 总和用只表示，起动询问时控制系统把只与乞进行比较，然后向该电动 机起动器发出允许起动信号。 ( 1 ) 当只己时：这表示电网有足够的功率余量，允许该电动机起动，相应的 允许起动信号触点接通，此时按该起动器的起动按钮，电动机就可以起动。 ( 2 ) 当只 f l 6 = 2 丌( f 2 一f 1 ) t ( b ) 经，时间后 图2 2 频率不一致时并联运行相量图 f i g 2 2v e c t o rd i a g r a mo fd i f f e r e n tf r e q u e n c y 从上面分析可知，当并联运行的任一条件不满足时，发电机间必将产生冲击 电流。当冲击电流在许可的范围内时，它能帮助同步发电机并联运行拉入同步。 但当并联运行条件超过允许范围后，过大的冲击电流可能导致并联运行失败或使 系统电压下降，甚至出现断电、损坏机组等事故，这些都是应该避免的【1 , 1 0 , 1 3 】。 2 3 3 并联运行对原动机的要求 两台及两台以上的交流同步发电机要保证完全稳定的并联运行，其原动机必 须满足如下几项条件【1 0 , 1 3 】： 1 ) 各并联运行发电机组的原动机必须有相同而均匀的角速度 因为原动机角速度不同将引起并联运行机组的频率不同而产生振荡；另外， 如果转速不均匀，也同样会引起振荡。 2 ) 参与并联运行发电机的原动机具有合适的下斜特性的速度变化率 发电机稳定的并联运行，则要求在网上的负荷变动时，参与并联运行的各台 发电机能按其容量成比例地分担负荷的变量。这就要求各台发电机原动机的速度 变化率( 调速特性) 应该完全致，实际上这只是理想的情况，调速特性总会有 微小的差异。 例如图2 - 3 绘出的两台同容量发电机g 1 与g 的调速特性。g 1 的速度变化率比 g 2 大，正常运转时g 1 与g 并联运行，速度为万，都带尸负荷。假如负荷增加后， 两机的速度下降到n ，对g 1 来说，分担功率的增量为暑；对g 2 来说，功率增量为罡。 1 6 n c = 、 -1，l 一 也 亿 船舶电站管理系统的设计与研究 最 鼻，说明速度变化率小的发电机，当其原动机的速度稍有变化时，其所带负 荷即有较大变动；与此相反，当负荷只有微小变化时，速度变化率小的发电机便 很难做出准确的调整，因此要求参与并联运行的发电机其原动机的调整特性应该 下倾，并且速度变化率不能太小。但速度变化率过大则会引起发电机电压波动， 因此要求其速度变化率要合适。 n 1 3 1 图2 3 调速特性 f i g 2 3g o v e r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s p k w 3 ) 参与并联运行发电机的各原动机其调速器的灵敏度要适当 调速器的灵敏度过高时，稍微有一点负荷波动也会引起速度的变化，为此又 要相应地调节原动机的输入功率，造成负荷分配的不稳定，这也是并联时产生振 荡的原因之一；反之，如果调速器灵敏度过低，则会使调节速度过于迟缓，使原 动机的瞬时速度变化率过大，这当然也不合适。 综上所述，并联运行的同步发电机组由于原动机的转速不均匀或速度变化率 过小或调速器的灵敏度过高等原因将造成振荡现象，振荡严重时将导致机组并联 运行失步，因此应采取以下预防措施： 1 ) 为了使调速器的灵敏度不致过大，装设阻尼器，使调速器的动作有一延时 时限。 2 ) 适当地加大发电机原动机的速度变化率( 即增大调速特性的斜率) 。 2 3 4 原动机调速器及其调速特性 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 调速器的种类很多，现仅以柴油机常用的离心式调速器为例来说明其工作原 理及特性。它是基于离心力的原理制成的、其结构原理如图2 4 所示f 】0 1 。 1 竖轴2 离心飞锤3 连接器4 套筒5 弹簧6 油压缸 7 燃油泵8 配压阀9 柴油机1 0 蜗轮蜗杆1 1 伺服马达 图2 4 离心式调速器原理 f i g 2 4p r i n c i p l eo f t h ec e n t r i f u g a lg o v e r n o r 调速器的竖轴l 通过齿轮传动装置与柴油机9 的轴连接。当柴油机转动时，轴1 带动球状的( 或其它形状的) 离心飞锤2 一起转动。飞锤2 与杠杆系统连接器3 连接 在一起，穿过连接器的套筒4 把弹簧5 压在联接器上。改变套筒4 的高度，就改变了 弹簧5 的长度，相当于调节弹簧对联接器的压力，所以套筒和弹簧是一个转速整定 装置。在套筒位置不变及弹簧压力一定的情况下，柴油机转速越高，飞锤的离心 力越大，联接器的位置越高；反之，转速越低，联接器位置就越低。因此，柴油 机的转速与联接器的位置是一一对应的。 联接器3 上固定着滑动杠杆a b c ，杠杆的b 端接在油压缸6 的活塞上，活塞的 另一头，通过直角杠杆d e 接到控制燃油泵7 的阀门拉杆上，a b c 杠杆的另一头c 与配压阀8 的活塞相接。当柴油机转速正常时，配压阀的活塞堵住了管a 和管b 的 1 8 船舶电站管理系统的设计与研究 通道，因此高压油不能进入油压缸6 ，油压缸活塞不会移动，柴油机燃油的输入量 不会改变。不难看出，只要配压阀活塞( 即c 点) 保持不变，柴油机就能在给定 的转速下运行。 设柴油机在负荷为只时，调速器杠杆的位置为a 1 b i c i ，如图2 5 的位置。当 负荷由只增加到只= e l + 尸时，则柴油机转速因能量输入不足而降低，飞锤的离 心力减小，联接器的位置从么，点下降到么点。由于油的不可压缩性，此时杠杆的b t 点是不动的，而配压阀活塞上移，c ，点提升到c 点的位置( 图2 5 的位置) ，这 就打开了配压阀上的a 管和b 管的通道。具有一定压力的油从a 管流入油压缸活塞 的上部，活塞下部的油通过b 管便从配压阀排出。活塞在油压的作用下向下移动， 一方面使杠杆b 点下降，另一方面带动直角杠杆d e ，拉动燃油泵的拉杆，使油门 加大。这时进入柴油机气缸的燃油也增加，柴油机的转速开始升高，联接器3 上升， 即么点上升，但由于这时b ，点在下降，因此使配压阀的c 点向下运动。当配压阀 的活塞完全回到原来位置c 点时，a 、b 两管又被堵住，油压缸活塞停止运动，于 是调速器工作在新的稳定平衡状态。此时c l 点位置与原来位置没有变化，而b ，点 移到b ：点，么则移到彳2 点，杠杆处于新的平衡位置a 2 8 2 c i ( 图2 5 中的位置) 。 ， c a 图2 5 调速器杠杆动作过程图 f i g 2 5p r o c e s sd i a g r a mo ft h eg o v e r n o r sm o v e m e n t 由上述分析不难看出，在新的稳定平衡状态下，柴油机承担负荷增大，进油 量也增加，但转速却下降了。所以这种调速器的调速性能是有差的。 同理，当柴油机负荷减少时，调速器的动作过程与此相反。 我们把柴油机转速n ( 或者电网频率厂) 与柴油机输出功率的关系称为调速特 性。如果转速( 或频率) 与输出功率的大小无关，则称为无差调速特性( 图2 6 曲 1 9 、l l ， c 、 第2 章船舶电站管理系统的主要功能及工作原理 线1 ) 。若转速( 或频率) 随柴油机输出功率增加而降低，则称为有差调速特性( 图 2 6 曲线2 ) 。 图2 4 中套筒4 通过蜗轮蜗杆由伺服电机s m 进行控制。转动伺服电机s m ，便 可以改变套筒4 的上下位置，亦即改变弹簧对联接器压力的大小。当套筒位置不变、 弹簧压力为一定时，可得出一条转速玎( 或频率f ) 与输出功率p 的关系曲线。也 就是说只要改变套筒的上下位置，弹簧压力的大小就会改变，就可以实现调速特 性上下平移( 图2 7 的、曲线) 。 性 性 图2 6 调速特性图 f i g 2 6d i a g r a mo ft h eg o v e r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s i s 篓矗雾舀羹 i 翟瑟蒜 图2 7 弹簧压力改变使调速特性平移 f i g 2 7t r a n s l a t i o no fg o v e r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s eo ft h es p r i n gp r e s s u r e sc h a n g e