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

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——由扭矩速度特性及噴油泵速度特性所決定的。

• 目的：根據(jù)柴油機負荷變化自動調節(jié)柴油機循環(huán)供油量，保證柴油機的轉速穩(wěn)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)動機的轉速波動太大，電站就無法提供有穩(wěn)定頻率的電源，電源質量就不得保證。

• 電能的質量指標：電壓和頻率的穩(wěn)定性

1.2 柴油機噴油泵速度特性

• 在沒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(jié)流作用 ）

• 負載增大循環(huán)供油量減少；

★兩種惡性循環(huán)會導致超速運行和意外熄火情況發(fā)生

2.調速器的種類

• 機械式調速器（對于大型柴油機，調節(jié)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（結構簡單，精度高，易于自動化，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)保問題，微電子技術和控制理論的發(fā)展極對自動化水平要求的提高，推動了柴油機電控技術，特別是以微機為核心的數(shù)字式電子控制技術的發(fā)展。

• 現(xiàn)代控制理論，自適應控制，自學習系統(tǒng)等的進展使電子調速器具有調節(jié)精度高，結構簡單，易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，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(shù)字電路組成的數(shù)字式電子調速器；

• 90年代以來，數(shù)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，成為市場主流。 

★具有代表性的電子調速器：

• 日本NABCO公司的 MG-800數(shù)字調速器

• 德國REGULATEURS EUROPA公司生產的Viking系列電子調速器 

• SEIMENS公司的SPC-33系列數(shù)字調速器

• 德國MTU公司的R082型數(shù)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(shù)字信號

• 比較偏差PID 運算控制量       

• 功率放大后的控制量執(zhí)行器驅動機構

4.2 PID控制

★主要運用于大慣性、大時延的控制對象

• D：（微分控制）阻止偏差進一步變大，是根據(jù)被控量變化趨勢來進行提前控制

• P：（比例控制）快速控制減少動態(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硬性關系

★ PID調節(jié)器特點：

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

• 輸出信號同時傳達給執(zhí)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公司生產的Viking系列電子調速器中的一員

• 當今世界最先進電子調速器的代表之一

• 我國煙臺—大連火車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：

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

• 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(jié)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，并通過伺服器來改變供油量

• 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(jié)載荷側的標記。

• 高頻的從轉速傳感器2號，其這個信號源于啟動器(電動機)輸出環(huán)齒 

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

（附）轉速傳感器（結構原理）

• 轉速傳感器是由一個裝在線圈內的磁棒構成

• 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生相對運動時，使線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

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

★轉速設置初始化

• 開始運轉時，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）

★在進行轉速自動控制時，柴油機的供油量是由調速器根據(jù)偏差轉速大小來控制的

• 調速器為了把柴油機的轉速快速調節(jié)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(tǒng)應對柴油機的供油量進行限制 

★四種燃油限制：

• 啟動時燃油限制  

• 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 啟動燃油限制

★要使柴油機順利地起動起來，必須在柴油機起動時供給適量的燃油

• 為了使起動供油量不受設定轉速的影響，實現(xiàn)定油量起動，遙控系統(tǒng)在柴油機起動期間自動阻斷設定轉速命令，給出一個最佳起動轉速及最大允許起動油量，以確保柴油機能安全可靠地起動 

5.3.2 增壓空氣壓力限制

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

• 為了防止加速過程中冒黑煙的現(xiàn)象，遙控系統(tǒng)將自動按增壓空氣壓力的高低來限制柴油機的供油

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

• ★增壓空氣壓力—供油量函數(shù)

5.3.3 轉矩限制

★在高負荷運行時，限制柴油機的機械負荷，實現(xiàn)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函數(shù)對燃油的一種控制 

5.4 傳感器失效

★ Viking的一些傳感器會因輸出的電流信號小于2毫安而失效，進而導致柴油機停車。

★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(guī)故障報警

• 各種傳感器的失效報警

• 執(zhí)行機構線路斷開報警

• Viking Vision程序發(fā)出停車命令的報警

• 無接收錯誤報警

• 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(wěn)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(tǒng)方法：

• 通過速度降實現(xiàn)

• 柴油機并車，轉速設定值就應減小

• 從空載增加到滿負載時，速度下降量用下降百分比來表示

★電子調速器：數(shù)臺柴油機等時負載分配。是一個速度降為零的恒速系統(tǒng)。

★主機：根據(jù)燃油量相等原理進行分配

• 當兩臺主機并行時，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，兩主機同時作用于負載，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，以此進行調節(jié)

• 附1：各個調速器之間可以通過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16B的CRC（循環(huán)冗余碼校驗）值保護，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。如果數(shù)據(jù)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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