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

1.調(diào)速裝置的功能及必要性

• 柴油機上均要用到調(diào)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(diào)節(jié)柴油機循環(huán)供油量，保證柴油機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速大變；

★而船舶電站的負載是多變的，柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動太大，電站就無法提供有穩(wěn)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(wěn)定性

1.2 柴油機噴油泵速度特性

• 在沒有調(diào)速機構(gòu)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(diào)速器的種類

• 機械式調(diào)速器（對于大型柴油機，調(diào)節(jié)機構(gòu)摩擦阻力較大，靈敏度低 ）

• 液壓式調(diào)速器（結(jié)構(gòu)復雜，制造精度要求高，成本高，只用于大功率機型 ）

• 電子調(diào)速器（結(jié)構(gòu)簡單，精度高，易于自動化，成本低）

• 左圖：機械式調(diào)速器工作原理示意圖 

• 右圖：液壓式調(diào)速器工作原理示意圖 

• 能源短缺，環(huán)保問題，微電子技術(shù)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(shù)，特別是以微機為核心的數(shù)字式電子控制技術(shù)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(diào)速器具有調(diào)節(jié)精度高，結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是今后調(diào)速器的主要發(fā)展方向。 

4.電子調(diào)速器

★發(fā)展歷程：

• 20世紀70年代：模擬電子調(diào)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(diào)速器；

• 90年代以來，數(shù)字式電子調(diào)速器在工作可靠性、調(diào)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(diào)速器：

• 日本NABCO公司的 MG-800數(shù)字調(diào)速器

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

• SEIMENS公司的SPC-33系列數(shù)字調(diào)速器

• 德國MTU公司的R082型數(shù)字調(diào)速器 

• 美國WOOD WARD公司的PROACT系列電子調(diào)速器 

4.1 電子調(diào)速器工作原理

• 脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器 脈沖信號（負反饋）

• 頻率—電壓轉(zhuǎn)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(qū)動機構(gòu)

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(guān)系

★ PID調(diào)節(jié)器特點：

• 具有可調(diào)節(jié)的動態(tài)參數(shù)，所以相同的調(diào)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(gòu)和燃料板，并接收燃料板位置給出的內(nèi)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(diào)速器

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

• 當今世界最先進電子調(diào)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(diào)速器

★用于高精度發(fā)電機組，是一種雙脈沖電子調(diào)速器：

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

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

★轉(zhuǎn)速控制分為：

• 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分：由檢測出的偏差轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制示意圖

5.1 轉(zhuǎn)速的測取

★轉(zhuǎn)速信號是由兩個轉(zhuǎn)速傳感器的測速頭測取的：

• 低頻的主轉(zhuǎn)速傳感器1號，其信號源于柔性聯(lián)軸節(jié)載荷側(cè)的標記。

• 高頻的從轉(zhuǎn)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(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速差，系統(tǒng)將自動選用較高的那個轉(zhuǎn)速信號

（附）轉(zhuǎn)速傳感器（結(jié)構(gòu)原理）

• 轉(zhuǎn)速傳感器是由一個裝在線圈內(nèi)的磁棒構(gòu)成

• 安裝在與柴油機曲軸同步運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速設置

★轉(zhuǎn)速設置是通過對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)作用調(diào)整供油。即通過檢測偏差轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速設置初始化

• 開始運轉(zhuǎn)時，設置的轉(zhuǎn)速必須初始化為怠速轉(zhuǎn)速 

5.3 燃油限制（負荷限制）

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

• 調(diào)速器為了把柴油機的轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)到設定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速命令，給出一個最佳起動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)速控制差錯報警

• 多主錯誤報警

• 內(nèi)存失效報警

• 聯(lián)結(jié)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)速器（先合上斷路器 的調(diào)速器）向從屬調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)

• 附1：各個調(diào)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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