船舶同步发电机自动并车装置的基本原理及实现

第１２卷　第１期　２０１２生　中　国水运　Ｎｏ．１　２０１２　１月　Ｃｈ　ｉ　１３ａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　船舶同步发电机自动并车装置的基本原理及实现　王玲珍　，袁摘强　（１舟山中远船务工程有限公司，浙江舟山３１６０００；２浙江海洋学院海运学院，浙江舟山３１６０００）　要：论述船舶电站自动并车装置对并车信号检测的基本要求、　信号检测的原理以及并车条件的实现。　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１２）０１—００９１－０３　关键词：船舶电站；自动并车条件；信号检测；同步发电机　中图分类号：Ｕ６６５．１　ｌ　前言　一、自动并车装置自动完成手动并车操作的全过程，它由频　率预调、并车条件监视和提前时间或提前相角捕获电路等组　成，其原理框图如图１所示。它可分为两大部分，一部分为　频率预调，一部分为合闸控制。　１．频差脉动电压　船舶电站是由原动机、发电机、测量仪表、控制设备、开　关电器及保护装置组合而成，它是整个船舶的核心。船舶电力　负荷随船舶工作情况的变动而经常变动，如航行工况与停泊无　装卸工况的负荷差别很大。对发电机而言，一般都设计在接近　满负荷使用时具有最高的效率。因此，船舶电站总是由　台以　上的发电机组成。在小负荷时，适宜于单机运行（在电网上运　行的发电机简称在网机），而负荷大时，则需将备用发电机（简　从灯光法可知，加在灯泡两端的电压是随频差而变化的　脉动电压。脉动电压为零时，灯熄灭，说明两相位相同，脉　１　称待并机）起动后并入电网并联发电，即采用两台或两台以上　的发电机并联运行给船舶电力负荷供电，从而保证船舶电力系　统在不同工况下连续可靠地、高效率地工作…。　在船舶电站中，将发电机组自动并入电网并联运行（简　动电压的周期（灯管变化周期）表明了频差的大小　—　。　从频差脉动电压获得频差和相位差的信息，图２（ａ）为一个　简单的频差脉动电压获取电路。把待并机电压与运行机电压　（同名相）相减整流滤波可得：　Ｕｓ：２　ｓｉｎ　称自动并车）是船舶电站自动化的主要功能之一。随着微电　子技术和危机控制技术不断成熟，大部分船舶电站走装有　ＰＭＳ（Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）。自动并车不作为一　个独立装置，而是船舶电站功率管理系统（ＰＭＳ）的一个单　元或一部分。　二、自动并车信号检测的原理　把待并发电机组准确地并入电网，进行自动准同步并车　必须满足以下三个条件ｌ２】：　（１）待并机和在网机电压一致；　式中：ｕ　电压幅值，且　１　＝Ｕ２　＝Ｕ　；　ｃｏｓ：　ｌ—ｏＪ２一角频差；　：　。一　一初相位差。　如图２（ｂ）所示。　（２）待并机和在网机频率一致；　（３）待并机和在网机相位一致。　只有这样，才能保证并车时无大的冲击电流，并且并联　后保持稳定的同步进行。否则，将产生较大的冲击电流，严　重时将造成整个船舶电力系统崩溃，　中断全船供电。　＾（ａ）　Ｕ【Ｕ２　　。（ｂ）　Ｔｓ　＾　ｓ＝Ｕ１一Ｕ２　：｜　０　｜　。　—　Ｉ＿　ｓ　ｆ　—　（ｃ）　图１模拟式自动并车装置原理框图　收稿日期：２０１１—１１—１５　图２正弦波频差脉动电压电路及波形　作者简介：王玲珍（１９８２一），女，浙江金华人，舟山中远船务工程有限公司助理工程师，从事船舶电气及自动化研究。　９２　中国水运　第１２卷　图２（ｃ）中显示８ｏ为０。时图的波形，　＝ｏ对应的是　：ｏｏ，Ｕ。的周期　—　。但这种正弦波的脉动电压存在：　①当Ｕ．≠Ｕ：，Ｕ：≠０，用Ｕ　＝０来判断　＝０。就会出错误，　船舶电网电压波动比较大，这是客观存在的现象；　②无法从中获得频差方向，无法判别待并机频率高于还　是低于电网频率；　③脉动电压与相位差５的关系是正弦关系，而不是线性　关系。　为了克服正弦波脉动电压的①至③的缺陷，可以采用三　角波频差脉动电压，如图３所示，这是Ｕ。与Ｄ的关系是线　性关系，并且不受电压差和波形失真的影响。　图３三角波频率脉冲电压　２．频率预调　当手动并车时，人民借助灯光或同步表旋转方向来判另Ｕ　待并机频率是高于还是低于电网　频率，从而对待并机减速或加速、调节频差满足并车要　求并抓获相位差为０。时刻，而自动并车装置则需有一个频　差符号自动检测和调速控制电路来取代上述手动操作，这部　分称之为频率预调。　检测频差方向通常采用移相法。取电网电压，其中一个　事先移相一个角度成为　，如图４所示，这样，待并机电压　【７　与Ｕ　和　的脉动电压分别为Ｕ　和　。当待并机频率高于　电网频率（即Ａｆ＞０），ｕ　到达最大值时间　提前，而待并　机频率低于电网频率（即／ｘｆ＜Ｏ）。　到达最大值时间较ｕ。　提前，所以只要这个鉴幅器。若ｕ。的鉴幅器先翻转，就输出　一个减速信号，同时封锁加速信号输出；若　的鉴幅器先翻　转，就输出一个加速信号，同时封锁减速信号输出，这样就　能检测出频差方向。　图４移相法检测频率方向　调速控制电路有定脉宽和定频率两种，定脉宽方式是调　速脉冲宽度不变，其频率随△ｆ变化，△ｆ越大频率越高，即　调速脉冲随△ｆ变化而变化。定频率方式的调速脉冲频率不　变，其脉冲宽度随△ｆ变化而变化：△ｆ越大，调速脉宽就越　宽；反之，脉宽就越窄。　三、自动并车检测条件的实现　合闸控制电路由电压差允许鉴别、频率差允许鉴另日和恒　定提前时间或相角提前时间或相角捕获电路等组成。电压允　许鉴别的方法很简单，只要在　＝０。时刻，正弦波的脉冲电　压ｕ。过一定值（这个值与允许值ＡＵ≤±１０％），就说明电压　差满足并车要求，作为允许合闸的一个条件。　频率差允许鉴另Ⅱ的方向获取，以图３所示的三角波脉动　电压为例，三角波斜率表明的长短即△ｆ的大小。△ｆ越小，　三角波斜率就越小；△ｆ越大，斜率就越大。所以，只要有一　个微分电路和鉴幅器，就克鉴别频差允许的条件。恒定提前　相角捕获电路是采用频差脉动电压之前那加入比例微分电路　组成的。　最后，合闸控制电路把电压差允许鉴别的条件、频差允　许鉴别条件与恒定提前时间捕获脉冲通过一个合闸与门，送　出合闸控制信号，使主开关合闸操作。　图５是采用模块式的传播电站自动同步器的实例，共有　四个功能模块（卡板方式）：并车和合闸指令控制模块　（ＥＩＮ一２１５卡）；合闸条件检测模块（ＥＩＨ一２２１卡）；频差和　频差符号检测模块（ＥＩＨ一２２２卡）；整步调速控制模块　（ＥＩＨ一２　１２卡）。当ＥＩＮ一２　１　５接到某备用机组起动成功请求　并车的信号或由手动控制开关发来的某机组并车的指令时，　首先向ＥＩＨ一２１２发出该待并机组同步的信号，然后ＥＩＨ－２１２　检测电网和发电机电压的频差及频差符号，生成与频差相匹　配的定时调速脉冲信号，并向ＥＩＨ一２　１２发出相应的加速或减　速指令，使ＥＩＨ一２　１　２向待并机调速器的伺服电动机发出加速　或减速的控制电压，待并机进行自动同步，ＥＩＨ一２２１检测发　电机和电网电压的频差、相位差和电压差，当满足允许的合　闸条件时向ＥＩＨ一２１５发出合闸信号。如果一切正常，则　ＥＩＨ一２１５即向待并机的自动开关发出合闸控制指令。　主开关　报警　电网、发电　【电压值号　晒　图５模块式自动同步器的原理框图　该自动同步器有故障自检和安全保护功能。当调速控制上　海ＥＩＨ一２　１２向频差卡ＥＩＨ一２２２和合闸条件卡ＥＩＨ一２２　１发出　接通电源信号后，对两卡的工作情况进行检测，２Ｓ后向指令　卡ＥＩＮ一２　１　５反馈正常或不正常信号。如果反馈的是非正常工　作的信号，则ＥＩＮ一２１５将发出禁止合闸的信号并发出整步故　障报警。若ＥＩＨ一２２　１和ＥＩＨ一２２２正常而ＥＩＨ一２　１２有故障，　则当ＥＩＮ一２　１　５发出并车指令后３０－１２０ｓ（可调）内未得到　ＥＩＨ一２１２的反馈信号，同样发出禁止合和报警的信号Ｉ３】。　四、结论　把信号检测技术与模块控制技术有机结合应用在船舶电　站自动并车装置上，通过实船使用，表明该装置性能稳定，　可靠性高，缩短了并车的过程，减少了　（下转第９４页）　９４　中国水运　第１２卷　连杆活塞机构上，弹出“装配”对话框；　（２）单选“动画”中的“装配一爆炸图”，时间选择１０ｓ；　（３）这时，在设计树展开的栏目中可见部件中各增加了　一个动画图素；　（４）动画演示中，仅是分部件分别进行爆炸的动画过程。　如果要获得装配体中每一个可拆零件的爆炸动画设计，　图４曲轴装配体　则必须使装配体仅实现一级装配，采用上述方式即可实现，　如图７所示为爆炸后的情况。但是可以发现，通过爆炸实现　的动画，往往动画轨迹不符合真实拆卸过程，因此可以采取　前面所述方法对单一零件进行动画设计，或者是对爆炸的路　径进行进一步编辑。　图５曲轴连杆活塞机构装配体　３．装配体的干涉检查　曲柄连杆活塞机构进行装配后会由于两种错误引起干　涉：零件尺寸错误和装配位置有误差，所以在装配后都应该　进行干涉检查。干涉检查的步骤如下：装配完成后，将整个　机构选中，选择主菜单中的“工具”，单击“干涉检查”，程　序即自动检查，并提出干涉报告。　雕　隔疆　图７爆炸后的情况　三、结论　本文采用ＣＡＸＡ三维实体设计软件对６Ｅ３００ＤＣ船用柴　油机的曲轴连杆活塞机构做实体建模及爆炸动画设计，为曲　轴连杆活塞机构后续的模态分析、运动学及动力学研究、工　作性能及机构的优化设计等提供模型借鉴、数据支持等重要　的基础作用。　参考文献　［１］林少芬．ＣＡＸＡ三维实体设计教程【ＭＪ＿北京：机械Ｊ－，］ｋ出　版社，２００８，３．　［２］胡仁喜．ＣＡＸＡ电子图版２００９入门与提高【Ｍ】．北京：化　图６　曲柄连杆活塞机构装配体的干涉检查　二、船用柴油机曲轴连杆活塞机构的爆炸动画设计　学工业出版社，２０１０，６．　［３］胡建生．ＣＡＸＡ三维电子图板・实用案例教程【Ｍ１．北京：　机械工业出版社，２００２，３．　ＣＡＸＡ设计提供的动画设计，可以形象地展示产品内部　的运动关系和结构关系，并可生动地描述各零件的预期动态　效果。计算机的动画设计是在生成对象的一系列独立图像的　基础上，定义预期的运动轨迹与时间后连续播放的动态效果。　简单动画的实现包括使用标准智能动画和生成自定义动画，　并能够快速实现装配零件的爆炸动画效果。　ＣＡＸＡ实体设计中，自带了专门为装配件所用的爆炸动　【４］侯慈．ＣＡＸＡ三维实体设计软件在吊管机设计中的应用Ｕ１　中国科技信息，２００９，叭：９６—９７．　［５］张瑛．Ｗ２．８５型空压机曲轴一连杆一活塞机构的运动学仿　真卟煤矿机械，２００８，０７：６０—６１．　【６】陈琪．ＣＡＤ技术的发展趋势卟制造就业信息化，２００２，　０４：２０－２２．　画图素。在爆炸动画图素库中，在使用之前必须使所设计的　部件实现装配关系。　具体操作步骤如下：　［７】宋宪一．我国ＣＡＤ／ＣＡＭ技术应用现状及其发展趋势Ｕ１．　ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化，２００４，１０：９－１０．　【８】杨瑞峰，崔志琴．柴油机曲轴的动态特性研究　内燃机，　２００２，　（５）：３－５．　（１）选择曲轴连杆活塞机构，拖放“装配”图素到曲轴　（上接第９２页）　并车过程对电网的冲击，提高了电力系　统的供电品质。它使船舶电站自动化总体水平有了进一步提　高，具有广阔的市场前景。　参考文献　…解源，杨国豪，王恒等．船舶电站自动并车装置信号检测　原理与实现Ⅲ．传感器技术，２００１，（３）：４２—４４．　［２］黄伦坤，朱正鹏，刘宗德．船舶电站及其自动装置【Ｍ】．北　京：人民交通出社，１９９４．２１－２３．　【３】赵殿礼，张春来，等．船舶电气设备与系统【Ｍ】．大连：大　连海事大学出版社，２００９，２９３—２９６．