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柴油发电机组智能控制系统探究

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柴油发电机组智能控制系统探究

责任编辑:礼德动力    发布时间:2020-09-16     【

[摘 要] 柴油发电机和柴油发电机组作为主要的电源或者备用电源在动力工程领域得到极其广泛的应用,在柴油机控制策略中嵌入智能控制系统,有助于提高柴油机的工作效率和自动化水平,更为重要的是,智能控制系统可以优化柴油机的能耗策略,减少能够消耗和污染排放。

[关键词] 柴油发电机组;智能控制;嵌入式控制系统

由于柴油发动机具有更好的燃烧特性和动力特性,在供电设备的动力选取中,通常以柴油发电机组为首选,尤其是在军事设备、医疗抢险设备和通信设备等对工作稳定性和可靠性要求较高的领域,更是直接作为设备的主要电源或者备用电源。虽然柴油发电机组拥有以上的工作优势,但是由于在柴油油质、工作负载以及故障发生率等等方面的不足,使得柴油发电机组在实际运行中往往频繁出现冷却系统失灵、漏油缺油、压力异常以及空转等等紧急故障,使得柴油发动机组的运行效率大打折扣,这些运行故障一旦得不到及时处理,就会使得柴油发动机的输出电压失稳以及电相漏缺。严重时甚至会直接烧毁发电机组的电芯,导致出

现发电机组停运等重大生产事故。因此,对于柴油发电机组的运行情况进行可控的智能化控制。是保障柴油发电机组安全、高效运行的首选策略之一。

一、柴油发电机组智能控制系统的需求分析

1.1 柴油发电机组的结构组成和功能介绍

柴油发电机组是—个结构复杂,功能多样的复合系统,一般来说,柴油发电机组主要有以下及部分组成:柴油发动机、供油系统、冷却水系统、启动系统、发电机、励磁控制系统、保护单元、电控单元(ECU)、通信系统、主控系统等等,粗略来看,又可以将这些系统分为机械系统和控制系统,发动机、供油系统、冷却水系统、启动系统、发电机可以统一归纳为柴油发电机组的机械部分,而励磁控制器、保护控制器、电控系统(ECU)、通信系统、主控系统可以统称为柴油发电机组的控制部分。机械部分的设计属于机械制造领域的技术开发,而本文所涉及到的智能控制系统属于控制策略设计。控制系统中主要以模块化设计为主,将控制系统内部的各个功能部件进行集成,配置专门的微处理器,各个模块之间通过现场通信总线进行连接,由智能控制主控系统进行协调分配,通过嵌人专门的控制管理软件系统,还可以实现无人管理,高效优化的智能管理控制系统可以合理的分配发电机组的工作效能,最大限度的减少机组的机械磨损,延长发电机组的工作寿命。

1.2 柴油发电机组智能控制系统的需求分析

经典的控制系统可以分为两类:模拟控制系统和数字化控制系统,传统的模拟控制电路励磁控制系统一般称为AYR采用模拟器件构成自动电压调节器,体积比较大,控制规律单一,一般是只能同—个型号的AYR系统对应同—个型号的发电机系统,难以适应高精度、高柔性变化的柔性控制,基本上已经难以适应新型电机的功能需求。而数字化励磁控制系统,可以通过集成高性能的CPU,在专业控制算法和控制策略的协助下,实现精确控制,甚至是智能控制,因此,数字化控制以及成为电机控制系统的首选。数字式励磁控制器具有精度高,反应快,控制算法适应性强,对于不同特性的电机只要通过调整程序参数就能适应,甚至可以实现更高端的自适应智能控制算法等优点,又随着高性能的工业级处理器,如高速单片机、DSP的蓬勃发展,因此数字式励磁控制器在近几年来有着取代传统的模拟电路型的励磁调节器的趋势。因此,在柴油发电机组中嵌入的智能控制系统应该具有以下几个主要功能:

1)能够实现自主控制,这需要在主控制器中嵌入高性能的T/O数据接口。

2)对于控制系统的具体技术参数要求较高,这就对于数字处理器的工作能力提出了要求,要求选择能够实现高速信号处理的DSP。

3)多通道通信接口和人性化控制界面,扩展存储器的容量增设通信接口的数量,可以大幅度的提高数模转化的速度和精度,采用集成化的后台运行程序可以简化控制操作,实现简练的控制界面。

二、柴油发电机组智能控制系统的总体设计

2.1 基于无刷同步电机励磁的智能控制方案

无刷同步点击励磁系统是最新出现的数字式控制系统,他与传统的控制系统相比,具有两个突出的优势,首先是它没有滑动接触部件,运行可靠性较高,维护简便,可以确保发电机组的长时间连续运行,比较适合于自动化程度较高的电站和环境较为恶劣的地点。其次,其导电部分没有旋转接触,不会产生火花,适用于有大量可燃性气体和粉尘的电站场所。无刷励磁同步电机由主发电机与交流励磁机组成,主发电机F和交流交流励磁机AG都是三相同步发电机,主发电机是旋转磁极式结构,其定子为三相交流电枢,转子是直流励磁绕组,而交流励磁机是旋转电枢式结构,其定子式直流励磁绕组,转子是三相交流电枢。基于无

刷同步电机,可以轻松旋转整流和交流分配的分离,而且由于不需要电刷、滑环等零件,故不需维护,运行安全,没有无线电干扰,其智能化控制策略可以实现快速集成,大大简化了控制系统的升级换代工作。

2.2 基于相复励磁励磁控制器的智能控制方案

相复励磁励磁控制器的工作电源采用从主发电机通过电抗器取电,利用主发电机的剩磁逐渐建立电压来生产初始电源工作。复励与自并励也可以在交流侧叠加,然后经半导体整流供给励磁。叠加方式一般为交流侧并联,由于在交流侧叠加经过适当的相位配合,励磁系统还可以根据发电机电流的相位变化进行反应(功率因数),相复励励磁方式发电机虽说通过相复励原理基本达到了发电机的调节功率,但由于滞磁回线、温度偏差、转速偏差、负载变化和制造工艺偏差,使得此种电机的电压调节精度较差,同时并联运行中存在一定问题。相复励励磁系统的主要特点:动态特性好,反应速度快,起动异步电动机能力大;线路简单,可靠性强;但励磁系统笨重,效率低,励磁调节系统发热量大。基于相复励磁励磁控制器的智能控制,可以在控制系统发生故障时,仍然可以利用不可控部分对发电机进行控制,这使得发电机组的运行可靠性大大增强,保障了电力供应系统的安全与连续性。

2.3 基于永磁副励磁机的智能控制方案

永磁发电机励磁系统的同步交流发电机结构中增加了永磁发电机,副励磁机由转子一永久磁铁及定子一副励磁机电枢绕组组成,自动电压调节器供给励磁机磁场绕组的功率源取自于副励磁机的电枢绕组,而信号源来自于主发电机的输出端。发电机系统由三部发电机组成:主发电机、励磁机、副励磁机。永磁发电机励磁系统的特点不但具有自并励励磁系统的优点,特别是该励磁系统能满足各种非线性负载的要求而正常运行;还有瞬态调压精度高,反应速度更快;起动异步电动机的能力强,具有稳态短路电流维持能力,对用电设备具有良好的保护作用;具有优良的起励能力的各种优特点。但结构稍复杂。作为智能控制系统时可以

针对柴油发电机组中的多工况和多梯度负载运行提供可选的控制策略,在面对瞬态极限工况时,控制系统的反应速度较快,反应精度较高,对于电机的实际运行保护可以起到较好的保护作用,同时在智能化控制界面的设计中,可以实现标准化的参数落ti-t-,大大提高了控制系统的控制效率。

三、总结

本文针对柴油发电机组的控制系统的智能化设计进行了一定的研究,提出在数字化控制中,通过不同的控制系统的选择和励磁算法的编制,可以对不同型号的发电机组进行通用控制,为柴油发电机组的智能化控制提供了新思路。