柴油发电机、船舶柴油机、电控柴油发动机电子调速器故障维修技术资料的原理及应用

柴油发电机、船舶柴油机、电控柴油发动机电子调速器故障维修技术资料的原理及应用

1.调速装置的功能及必要性

• 柴油机上均要用到调速装置，这是柴油机自身的特点——由扭矩速度特性及喷油泵速度特性所决定的。

• 目的：根据柴油机负荷变化自动调节柴油机循环供油量，保证柴油机的转速稳定，从而保证柴油机具有良好的工作性能。

1.1 柴油机扭矩速度特性

• 燃烧输出扭矩变化不大；

• 阻力扭矩（外负荷）微变转速大变；

★而船舶电站的负载是多变的，柴油发动机的转速波动太大，电站就无法提供有稳定频率的电源，电源质量就不得保证。

• 电能的质量指标：电压和频率的稳定性

1.2 柴油机喷油泵速度特性

• 在没有调速机构的情况下：

• 负载减小循环供油量增加；（柱塞套油孔的节流作用 ）

• 负载增大循环供油量减少；

★两种恶性循环会导致超速运行和意外熄火情况发生

2.调速器的种类

• 机械式调速器（对于大型柴油机，调节机构摩擦阻力较大，灵敏度低 ）

• 液压式调速器（结构复杂，制造精度要求高，成本高，只用于大功率机型 ）

• 电子调速器（结构简单，精度高，易于自动化，成本低）

• 左图：机械式调速器工作原理示意图 

• 右图：液压式调速器工作原理示意图 

• 能源短缺，环保问题，微电子技术和控制理论的发展极对自动化水平要求的提高，推动了柴油机电控技术，特别是以微机为核心的数字式电子控制技术的发展。

• 现代控制理论，自适应控制，自学习系统等的进展使电子调速器具有调节精度高，结构简单，易实现自动化等优点，是今后调速器的主要发展方向。 

4.电子调速器

★发展历程：

• 20世纪70年代：模拟电子调速器 ；（主要由电阻、晶体管和运算放大器组成）

• 20世纪80年代：由微处理器（MPU）和数字电路组成的数字式电子调速器；

• 90年代以来，数字式电子调速器在工作可靠性、调速控制性能、人机操作界面等各方面都得到了大幅度提升，成为市场主流。 

★具有代表性的电子调速器：

• 日本NABCO公司的 MG-800数字调速器

• 德国REGULATEURS EUROPA公司生产的Viking系列电子调速器 

• SEIMENS公司的SPC-33系列数字调速器

• 德国MTU公司的R082型数字调速器 

• 美国WOOD WARD公司的PROACT系列电子调速器 

4.1 电子调速器工作原理

• 脉冲式转速传感器 脉冲信号（负反馈）

• 频率—电压转换模拟电压量数字信号

• 比较偏差PID 运算控制量       

• 功率放大后的控制量执行器驱动机构

4.2 PID控制

★主要运用于大惯性、大时延的控制对象

• D：（微分控制）阻止偏差进一步变大，是根据被控量变化趋势来进行提前控制

• P：（比例控制）快速控制减少动态偏差，偏差越大，控制作用就越大

• I：（积分控制）逐渐消除静态偏差，控制作用与被控量之间无硬性关系

★ PID调节器特点：

• 具有可调节的动态参数，所以相同的调速器可以与一些具有不同动态参数的装置相匹配

• 输出信号同时传达给执行机构和燃料板，并接收燃料板位置给出的内反馈或外反馈，达到限制燃料的目的

★随着科技的发展，控制器除采用PID控制外，模糊控制、最优控制、自适应控制等也逐渐被采用并不断趋向成熟

5.VIKING电子调速器

• 德国REGULATEURS EUROPA公司生产的Viking系列电子调速器中的一员

• 当今世界最先进电子调速器的代表之一

• 我国烟台—大连火车轮渡船舶所应用的电子调速器

★用于高精度发电机组，是一种双脉冲电子调速器：

• 单脉冲调速器只进行转速调节，而转速变化滞后于负载变化，此调节使柴油机输出波动较大。

• 双脉冲调速器可以在分析了由转速传感器和负载传感器得来的两种信号后，在转速未发生明显变化前改变供油量。

★转速控制分为：

• 转速调节部分：由检测出的偏差转速得出相应的控制油量信号1

• 燃油限制部分：轮机长设定最大油量信号2、转矩限制允许最大油量信号3、增压空气压力限制允许最大油量信号4

• 由1、2、3、4中选出最小值，作为伺服器油量设定值，并通过伺服器来改变供油量

• 转速控制示意图

5.1 转速的测取

★转速信号是由两个转速传感器的测速头测取的：

• 低频的主转速传感器1号，其信号源于柔性联轴节载荷侧的标记。

• 高频的从转速传感器2号，其这个信号源于启动器(电动机)输出环齿 

• 如果在两个测出值间有超过2转/分钟的转速差，系统将自动选用较高的那个转速信号

（附）转速传感器（结构原理）

• 转速传感器是由一个装在线圈内的磁棒构成

• 安装在与柴油机曲轴同步运转的飞轮齿圈缘处

• 当磁棒顶端与飞轮齿圈轮齿间产生相对运动时，使线圈感应出交变脉冲频率信号

•  此脉冲作为负反馈被送入控制器

5.2 转速设置

★转速设置是通过对转速的调节作用调整供油。即通过检测偏差转速，将其按照PI或PID规律运算后输出相应的控制油量信号1 

★转速设置初始化

• 开始运转时，设置的转速必须初始化为怠速转速 

5.3 燃油限制（负荷限制）

★在进行转速自动控制时，柴油机的供油量是由调速器根据偏差转速大小来控制的

• 调速器为了把柴油机的转速快速调节到设定转速，有可能使主机供油量太大而超载，为此遥控系统应对柴油机的供油量进行限制 

★四种燃油限制：

• 启动时燃油限制  

• 增压空气压力燃油限制  

• 转矩燃油限制

• 附加燃油限制

5.3.1 启动燃油限制

★要使柴油机顺利地起动起来，必须在柴油机起动时供给适量的燃油

• 为了使起动供油量不受设定转速的影响，实现定油量起动，遥控系统在柴油机起动期间自动阻断设定转速命令，给出一个最佳起动转速及最大允许起动油量，以确保柴油机能安全可靠地起动 

5.3.2 增压空气压力限制

★柴油机在低负荷运行时，增压器输出的增压空气压力较低，如果这时如给柴油机注入太多的燃油，就会出现油多气少的现象，导致燃烧不充分而冒黑烟

• 为了防止加速过程中冒黑烟的现象，遥控系统将自动按增压空气压力的高低来限制柴油机的供油

• 保证喷入气缸的燃油充分燃烧，同时也可防止柴油机受热件的过热现象 

• ★增压空气压力—供油量函数

5.3.3 转矩限制

★在高负荷运行时，限制柴油机的机械负荷，实现对柴油机得得保护

5.3.4 附加燃油限制

★附加燃油限制是作为模拟输入信号的一个函数对燃油的一种控制 

5.4 传感器失效

★ Viking的一些传感器会因输出的电流信号小于2毫安而失效，进而导致柴油机停车。

★这些传感器有：                         

• 增压空气压力传感器

• 附加传感器

• 功率传感器

• 载荷控制传感器

• 基本载荷传感器

5.5 常规故障报警

• 各种传感器的失效报警

• 执行机构线路断开报警

• Viking Vision程序发出停车命令的报警

• 无接收错误报警

• 齿条限制偏差报警

• 转速控制差错报警

• 多主错误报警

• 内存失效报警

• 联结断开报警

6.负载分配

★负载分配的控制目标：

• 保证负载分配的精度

• 保证负载分配的稳定

• 避免负载震荡 

★两种分配方法：

• 齿条主控/从属同步孤岛式

• 下降式 

6.1 负载分配方法1

★传统方法：

• 通过速度降实现

• 柴油机并车，转速设定值就应减小

• 从空载增加到满负载时，速度下降量用下降百分比来表示

★电子调速器：数台柴油机等时负载分配。是一个速度降为零的恒速系统。

★主机：根据燃油量相等原理进行分配

• 当两台主机并行时，主控调速器（先合上断路器 的调速器）向从属调速器发出与燃料板位置成比例的信号，燃料板相互间用电联动，两主机同时作用于负载，由此消除负载震荡

6.2 负载分配方法2（Viking）

★发电柴油机：柴油机上附加一个负载传感器，调速器由此得到测出的发电机负载信号，并用此信号与平均负载信号比较，得出偏差信号，以此进行调节

• 附1：各个调速器之间可以通过EIA 485 联机互相连接，它们都有单独的地址号码

• 附2：所有的通信都被一个16B的CRC（循环冗余码校验）值保护，以保证数据的可靠性。如果数据不可靠，它将不被采用，接收单元将等待下一次的传输 

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