柴油發(fā)電機、船舶柴油機、電控柴油發(fā)動(dòng)機電子調速器故障維修技術(shù)資料的原理及應用

1.調速裝置的功能及必要性

• 柴油機上均要用到調速裝置，這是柴油機自身的特點(diǎn)——由扭矩速度特性及噴油泵速度特性所決定的。

• 目的：根據柴油機負荷變化自動(dòng)調節柴油機循環(huán)供油量，保證柴油機的轉速穩定，從而保證柴油機具有良好的工作性能。

1.1 柴油機扭矩速度特性

• 燃燒輸出扭矩變化不大；

• 阻力扭矩（外負荷）微變轉速大變；

★而船舶電站的負載是多變的，柴油發(fā)動(dòng)機的轉速波動(dòng)太大，電站就無(wú)法提供有穩定頻率的電源，電源質(zhì)量就不得保證。

• 電能的質(zhì)量指標：電壓和頻率的穩定性

1.2 柴油機噴油泵速度特性

• 在沒(méi)有調速機構的情況下：

• 負載減小循環(huán)供油量增加；（柱塞套油孔的節流作用 ）

• 負載增大循環(huán)供油量減少；

★兩種惡性循環(huán)會(huì )導致超速運行和意外熄火情況發(fā)生

2.調速器的種類(lèi)

• 機械式調速器（對于大型柴油機，調節機構摩擦阻力較大，靈敏度低 ）

• 液壓式調速器（結構復雜，制造精度要求高，成本高，只用于大功率機型 ）

• 電子調速器（結構簡(jiǎn)單，精度高，易于自動(dòng)化，成本低）

• 左圖：機械式調速器工作原理示意圖 

• 右圖：液壓式調速器工作原理示意圖 

• 能源短缺，環(huán)保問(wèn)題，微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展極對自動(dòng)化水平要求的提高，推動(dòng)了柴油機電控技術(shù)，特別是以微機為核心的數字式電子控制技術(shù)的發(fā)展。

• 現代控制理論，自適應控制，自學(xué)習系統等的進(jìn)展使電子調速器具有調節精度高，結構簡(jiǎn)單，易實(shí)現自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是今后調速器的主要發(fā)展方向。 

4.電子調速器

★發(fā)展歷程：

• 20世紀70年代：模擬電子調速器 ；（主要由電阻、晶體管和運算放大器組成）

• 20世紀80年代：由微處理器（MPU）和數字電路組成的數字式電子調速器；

• 90年代以來(lái)，數字式電子調速器在工作可靠性、調速控制性能、人機操作界面等各方面都得到了大幅度提升，成為市場(chǎng)主流。 

★具有代表性的電子調速器：

• 日本NABCO公司的 MG-800數字調速器

• 德國REGULATEURS EUROPA公司生產(chǎn)的Viking系列電子調速器 

• SEIMENS公司的SPC-33系列數字調速器

• 德國MTU公司的R082型數字調速器 

• 美國WOOD WARD公司的PROACT系列電子調速器 

4.1 電子調速器工作原理

• 脈沖式轉速傳感器 脈沖信號（負反饋）

• 頻率—電壓轉換模擬電壓量數字信號

• 比較偏差PID 運算控制量       

• 功率放大后的控制量執行器驅動(dòng)機構

4.2 PID控制

★主要運用于大慣性、大時(shí)延的控制對象

• D：（微分控制）阻止偏差進(jìn)一步變大，是根據被控量變化趨勢來(lái)進(jìn)行提前控制

• P：（比例控制）快速控制減少動(dòng)態(tài)偏差，偏差越大，控制作用就越大

• I：（積分控制）逐漸消除靜態(tài)偏差，控制作用與被控量之間無(wú)硬性關(guān)系

★ PID調節器特點(diǎn)：

• 具有可調節的動(dòng)態(tài)參數，所以相同的調速器可以與一些具有不同動(dòng)態(tài)參數的裝置相匹配

• 輸出信號同時(shí)傳達給執行機構和燃料板，并接收燃料板位置給出的內反饋或外反饋，達到限制燃料的目的

★隨著(zhù)科技的發(fā)展，控制器除采用PID控制外，模糊控制、最優(yōu)控制、自適應控制等也逐漸被采用并不斷趨向成熟

5.VIKING電子調速器

• 德國REGULATEURS EUROPA公司生產(chǎn)的Viking系列電子調速器中的一員

• 當今世界最先進(jìn)電子調速器的代表之一

• 我國煙臺—大連火車(chē)輪渡船舶所應用的電子調速器

★用于高精度發(fā)電機組，是一種雙脈沖電子調速器：

• 單脈沖調速器只進(jìn)行轉速調節，而轉速變化滯后于負載變化，此調節使柴油機輸出波動(dòng)較大。

• 雙脈沖調速器可以在分析了由轉速傳感器和負載傳感器得來(lái)的兩種信號后，在轉速未發(fā)生明顯變化前改變供油量。

★轉速控制分為：

• 轉速調節部分：由檢測出的偏差轉速得出相應的控制油量信號1

• 燃油限制部分：輪機長(cháng)設定最大油量信號2、轉矩限制允許最大油量信號3、增壓空氣壓力限制允許最大油量信號4

• 由1、2、3、4中選出最小值，作為伺服器油量設定值，并通過(guò)伺服器來(lái)改變供油量

• 轉速控制示意圖

5.1 轉速的測取

★轉速信號是由兩個(gè)轉速傳感器的測速頭測取的：

• 低頻的主轉速傳感器1號，其信號源于柔性聯(lián)軸節載荷側的標記。

• 高頻的從轉速傳感器2號，其這個(gè)信號源于啟動(dòng)器(電動(dòng)機)輸出環(huán)齒 

• 如果在兩個(gè)測出值間有超過(guò)2轉/分鐘的轉速差，系統將自動(dòng)選用較高的那個(gè)轉速信號

（附）轉速傳感器（結構原理）

• 轉速傳感器是由一個(gè)裝在線(xiàn)圈內的磁棒構成

• 安裝在與柴油機曲軸同步運轉的飛輪齒圈緣處

• 當磁棒頂端與飛輪齒圈輪齒間產(chǎn)生相對運動(dòng)時(shí)，使線(xiàn)圈感應出交變脈沖頻率信號

•  此脈沖作為負反饋被送入控制器

5.2 轉速設置

★轉速設置是通過(guò)對轉速的調節作用調整供油。即通過(guò)檢測偏差轉速，將其按照PI或PID規律運算后輸出相應的控制油量信號1 

★轉速設置初始化

• 開(kāi)始運轉時(shí)，設置的轉速必須初始化為怠速轉速 

5.3 燃油限制（負荷限制）

★在進(jìn)行轉速自動(dòng)控制時(shí)，柴油機的供油量是由調速器根據偏差轉速大小來(lái)控制的

• 調速器為了把柴油機的轉速快速調節到設定轉速，有可能使主機供油量太大而超載，為此遙控系統應對柴油機的供油量進(jìn)行限制 

★四種燃油限制：

• 啟動(dòng)時(shí)燃油限制  

• 增壓空氣壓力燃油限制  

• 轉矩燃油限制

• 附加燃油限制

5.3.1 啟動(dòng)燃油限制

★要使柴油機順利地起動(dòng)起來(lái)，必須在柴油機起動(dòng)時(shí)供給適量的燃油

• 為了使起動(dòng)供油量不受設定轉速的影響，實(shí)現定油量起動(dòng)，遙控系統在柴油機起動(dòng)期間自動(dòng)阻斷設定轉速命令，給出一個(gè)最佳起動(dòng)轉速及最大允許起動(dòng)油量，以確保柴油機能安全可靠地起動(dòng) 

5.3.2 增壓空氣壓力限制

★柴油機在低負荷運行時(shí)，增壓器輸出的增壓空氣壓力較低，如果這時(shí)如給柴油機注入太多的燃油，就會(huì )出現油多氣少的現象，導致燃燒不充分而冒黑煙

• 為了防止加速過(guò)程中冒黑煙的現象，遙控系統將自動(dòng)按增壓空氣壓力的高低來(lái)限制柴油機的供油

• 保證噴入氣缸的燃油充分燃燒，同時(shí)也可防止柴油機受熱件的過(guò)熱現象 

• ★增壓空氣壓力—供油量函數

5.3.3 轉矩限制

★在高負荷運行時(shí)，限制柴油機的機械負荷，實(shí)現對柴油機得得保護

5.3.4 附加燃油限制

★附加燃油限制是作為模擬輸入信號的一個(gè)函數對燃油的一種控制 

5.4 傳感器失效

★ Viking的一些傳感器會(huì )因輸出的電流信號小于2毫安而失效，進(jìn)而導致柴油機停車(chē)。

★這些傳感器有：                         

• 增壓空氣壓力傳感器

• 附加傳感器

• 功率傳感器

• 載荷控制傳感器

• 基本載荷傳感器

5.5 常規故障報警

• 各種傳感器的失效報警

• 執行機構線(xiàn)路斷開(kāi)報警

• Viking Vision程序發(fā)出停車(chē)命令的報警

• 無(wú)接收錯誤報警

• 齒條限制偏差報警

• 轉速控制差錯報警

• 多主錯誤報警

• 內存失效報警

• 聯(lián)結斷開(kāi)報警

6.負載分配

★負載分配的控制目標：

• 保證負載分配的精度

• 保證負載分配的穩定

• 避免負載震蕩 

★兩種分配方法：

• 齒條主控/從屬同步孤島式

• 下降式 

6.1 負載分配方法1

★傳統方法：

• 通過(guò)速度降實(shí)現

• 柴油機并車(chē)，轉速設定值就應減小

• 從空載增加到滿(mǎn)負載時(shí)，速度下降量用下降百分比來(lái)表示

★電子調速器：數臺柴油機等時(shí)負載分配。是一個(gè)速度降為零的恒速系統。

★主機：根據燃油量相等原理進(jìn)行分配

• 當兩臺主機并行時(shí)，主控調速器（先合上斷路器 的調速器）向從屬調速器發(fā)出與燃料板位置成比例的信號，燃料板相互間用電聯(lián)動(dòng)，兩主機同時(shí)作用于負載，由此消除負載震蕩

6.2 負載分配方法2（Viking）

★發(fā)電柴油機：柴油機上附加一個(gè)負載傳感器，調速器由此得到測出的發(fā)電機負載信號，并用此信號與平均負載信號比較，得出偏差信號，以此進(jìn)行調節

• 附1：各個(gè)調速器之間可以通過(guò)EIA 485 聯(lián)機互相連接，它們都有單獨的地址號碼

• 附2：所有的通信都被一個(gè)16B的CRC（循環(huán)冗余碼校驗）值保護，以保證數據的可靠性。如果數據不可靠，它將不被采用，接收單元將等待下一次的傳輸 

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