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

1.調(diào)速裝置的功能及必要性

• 柴油機(jī)上均要用到調(diào)速裝置，這是柴油機(jī)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(jù)柴油機(jī)負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)柴油機(jī)循環(huán)供油量，保證柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而保證柴油機(jī)具有良好的工作性能。

1.1 柴油機(jī)扭矩速度特性

• 燃燒輸出扭矩變化不大；

• 阻力扭矩（外負(fù)荷）微變轉(zhuǎn)速大變；

★而船舶電站的負(fù)載是多變的，柴油發(fā)動機(jī)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(biāo)：電壓和頻率的穩(wěn)定性

1.2 柴油機(jī)噴油泵速度特性

• 在沒有調(diào)速機(jī)構(gòu)的情況下：

• 負(fù)載減小循環(huán)供油量增加；（柱塞套油孔的節(jié)流作用 ）

• 負(fù)載增大循環(huán)供油量減少；

★兩種惡性循環(huán)會導(dǎo)致超速運(yùn)行和意外熄火情況發(fā)生

2.調(diào)速器的種類

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

• 液壓式調(diào)速器（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，成本高，只用于大功率機(jī)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(jī)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(jī)電控技術(shù)，特別是以微機(jī)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(yīng)控制，自學(xué)習(xí)系統(tǒng)等的進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)70年代：模擬電子調(diào)速器 ；（主要由電阻、晶體管和運(yùn)算放大器組成）

• 20世紀(jì)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(jī)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(fù)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(yùn)算控制量       

• 功率放大后的控制量執(zhí)行器驅(qū)動機(jī)構(gòu)

4.2 PID控制

★主要運(yùn)用于大慣性、大時延的控制對象

• D：（微分控制）阻止偏差進(jìn)一步變大，是根據(jù)被控量變化趨勢來進(jìn)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(diǎn)：

• 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(dá)給執(zhí)行機(jī)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(dá)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(yīng)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(dāng)今世界最先進(jìn)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(yīng)用的電子調(diào)速器

★用于高精度發(fā)電機(jī)組，是一種雙脈沖電子調(diào)速器：

• 單脈沖調(diào)速器只進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而轉(zhuǎn)速變化滯后于負(fù)載變化，此調(diào)節(jié)使柴油機(jī)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(fù)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(yīng)的控制油量信號1

• 燃油限制部分：輪機(jī)長設(shè)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(shè)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(biāo)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(jī))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(jī)曲軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪齒圈緣處

• 當(dāng)磁棒頂端與飛輪齒圈輪齒間產(chǎn)生相對運(yùn)動時，使線圈感應(yīng)出交變脈沖頻率信號

•  此脈沖作為負(fù)反饋被送入控制器

5.2 轉(zhuǎn)速設(shè)置

★轉(zhuǎn)速設(shè)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(yùn)算后輸出相應(yīng)的控制油量信號1 

★轉(zhuǎn)速設(shè)置初始化

• 開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，設(shè)置的轉(zhuǎn)速必須初始化為怠速轉(zhuǎn)速 

5.3 燃油限制（負(fù)荷限制）

★在進(jìn)行轉(zhuǎn)速自動控制時，柴油機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，有可能使主機(jī)供油量太大而超載，為此遙控系統(tǒng)應(yīng)對柴油機(jī)的供油量進(jìn)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(jī)順利地起動起來，必須在柴油機(jī)起動時供給適量的燃油

• 為了使起動供油量不受設(shè)定轉(zhuǎn)速的影響，實(shí)現(xiàn)定油量起動，遙控系統(tǒng)在柴油機(jī)起動期間自動阻斷設(shè)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(jī)能安全可靠地起動 

5.3.2 增壓空氣壓力限制

★柴油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)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(jī)注入太多的燃油，就會出現(xiàn)油多氣少的現(xiàn)象，導(dǎo)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(jī)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(jī)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(fù)荷運(yùn)行時，限制柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)得得保護(hù)

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(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)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(jī)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(fù)載分配

★負(fù)載分配的控制目標(biāo)：

• 保證負(fù)載分配的精度

• 保證負(fù)載分配的穩(wěn)定

• 避免負(fù)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(fù)載分配方法1

★傳統(tǒng)方法：

• 通過速度降實(shí)現(xiàn)

• 柴油機(jī)并車，轉(zhuǎn)速設(shè)定值就應(yīng)減小

• 從空載增加到滿負(fù)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(jī)等時負(fù)載分配。是一個速度降為零的恒速系統(tǒng)。

★主機(jī)：根據(jù)燃油量相等原理進(jìn)行分配

• 當(dāng)兩臺主機(jī)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(jī)同時作用于負(fù)載，由此消除負(fù)載震蕩

6.2 負(fù)載分配方法2（Viking）

★發(fā)電柴油機(jī)：柴油機(jī)上附加一個負(fù)載傳感器，調(diào)速器由此得到測出的發(fā)電機(jī)負(fù)載信號，并用此信號與平均負(fù)載信號比較，得出偏差信號，以此進(jìn)行調(diào)節(jié)

• 附1：各個調(diào)速器之間可以通過EIA 485 聯(lián)機(jī)互相連接，它們都有單獨(dú)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(yàn)）值保護(hù)，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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