鄭真福

（69026部隊(duì)69分隊(duì)，新疆 烏魯木齊830092）

傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)純粹依靠人工，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還浪費(fèi)精力，而且有些人為的因素會(huì)對(duì)機(jī)組造成很大的危害，減少機(jī)組的使用壽命。同步并車(chē)控制器可以避免許多事故的發(fā)生，減輕操作人員的壓力，所以對(duì)大功率柴油發(fā)電機(jī)組同步并車(chē)控制單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)同步器）的設(shè)計(jì)研究，具有很重要的意義。

1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組自動(dòng)化并車(chē)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組并車(chē)大部分都是采用的手動(dòng)準(zhǔn)同期法，需要對(duì)發(fā)電機(jī)組的電壓、相位以及頻率等進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)，最后在并車(chē)操作的時(shí)候，還要根據(jù)整步表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)位置或者是燈光的明暗變化來(lái)進(jìn)行，這樣實(shí)行并車(chē)操作的時(shí)候往往會(huì)受到人們視力誤差或者操作能力的影響，增加了并車(chē)操作的復(fù)雜性。采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組自動(dòng)化并車(chē)，則可以對(duì)這些復(fù)雜因素進(jìn)行明顯的排除：（1）操作簡(jiǎn)便、動(dòng)作準(zhǔn)確，對(duì)手動(dòng)操作中產(chǎn)生沖擊電流的可能性進(jìn)行了有效避免，大大的提高了系統(tǒng)的安全性；（2）還可以根據(jù)負(fù)載的不同，自動(dòng)選擇多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的投入以及退出，從而對(duì)油耗和機(jī)器運(yùn)行成本進(jìn)行了大大降低；（3）在進(jìn)行多臺(tái)機(jī)組并車(chē)的時(shí)候，一部分機(jī)器在運(yùn)行，另一部分機(jī)器處于休息待命狀態(tài)，一旦出現(xiàn)滿(mǎn)功率以及故障信號(hào)的時(shí)候，處于待命狀態(tài)的機(jī)器就會(huì)自動(dòng)投入使用之中，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

2 自動(dòng)同步器的功能

自動(dòng)同步器主要應(yīng)用于并網(wǎng)和機(jī)組自動(dòng)并機(jī)，它的功能很強(qiáng)大，可以使公用電網(wǎng)或機(jī)組和兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的機(jī)組和機(jī)組之間的頻率，實(shí)現(xiàn)相位準(zhǔn)確快速調(diào)整，自動(dòng)跟蹤、同期合閘等功能。自動(dòng)同步器通過(guò)調(diào)節(jié)待并機(jī)組的電子調(diào)速器后，能夠縮小待并機(jī)組和主機(jī)組的相位差，可以進(jìn)行精確的檢測(cè)，當(dāng)相位差的最小值在允許的范圍內(nèi)，可以同期合閘繼電器的動(dòng)作，發(fā)送并機(jī)合閘的信號(hào)，這時(shí)同步過(guò)程才算完成。自動(dòng)同步器共具有五個(gè)功能：（1）可以補(bǔ)償待并機(jī)組的相位；（2）提前角度設(shè)置同期合閘；（3）兩路交流電壓信號(hào)的相位不僅可以精確的檢測(cè)出來(lái)，還可以合成其相位差；（4）可以調(diào)節(jié)自動(dòng)同步的溫度和速度；（5）通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)待并機(jī)組的電子調(diào)速器，不僅可以自動(dòng)同期合閘，還可以滿(mǎn)足同期合閘的條件。

3 同步并車(chē)控制工作原理

并聯(lián)斷路器兩側(cè)的電源狀態(tài)需滿(mǎn)足四個(gè)條件，也就是系統(tǒng)兩側(cè)電源和待并側(cè)之間的電壓和頻率相等、相位差為零、相序相同。這也是電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組，還有發(fā)電機(jī)組同步并聯(lián)運(yùn)行的條件。并網(wǎng)瞬間并聯(lián)點(diǎn)由于電壓差和頻率差的存在，在一定程度上，它的兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的交換，發(fā)電機(jī)組或者電網(wǎng)也會(huì)受到影響。與電壓差和頻率差相比，相位差在一定程度上會(huì)引起次同步諧振，傷害到發(fā)電機(jī)組，特別嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞發(fā)電機(jī)。在一定的范圍內(nèi)，如果允許頻率差和電壓差，就會(huì)加速并網(wǎng)的過(guò)程，與此同時(shí)，并網(wǎng)的完成，需要一個(gè)相位差為“零”并且性能良好的自動(dòng)同步并機(jī)控制器。

自動(dòng)同步器使用PI控制理論，選擇了模擬電路控制系統(tǒng)。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如它的電路相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，瞬態(tài)性能也比較好。它的工作原理分為以下幾個(gè)步驟：（1）當(dāng)自動(dòng)同步器收到同步投入的命令之后，需要檢測(cè)電網(wǎng)和機(jī)組或者是兩臺(tái)待并機(jī)組的交流電壓信號(hào)，發(fā)出校正模擬直流信號(hào)；（2）當(dāng)信號(hào)被PI運(yùn)算電路處理過(guò)后，并把它放到發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速控制器的并機(jī)端上，在這種情況下，兩臺(tái)待并機(jī)組或者電網(wǎng)的相位差會(huì)在短時(shí)間消失；（3）在相位差消失后，通過(guò)同步檢測(cè)電路，可以根據(jù)同步后輸出合閘的信號(hào)提示，把同步的過(guò)程完成。

自動(dòng)同步器的電路組成包括對(duì)信號(hào)的取樣、相位角補(bǔ)償調(diào)節(jié)、隔離整形、相位角差合成電平信號(hào)、信號(hào)穩(wěn)定度靈敏度的調(diào)節(jié)、合閘角調(diào)節(jié)、控制電調(diào)信號(hào)輸出等，通過(guò)有效的組合，各個(gè)電路可以形成一個(gè)相對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)同步原理框圖

4 抗干擾設(shè)計(jì)

自動(dòng)同步器需要根據(jù)相位采樣的兩臺(tái)電網(wǎng)或機(jī)組交流電壓信號(hào)相位差進(jìn)行同步處理。如果是由于外部環(huán)境的干擾，交流電壓的信號(hào)就無(wú)法正確的采樣，會(huì)使判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而對(duì)同步有很大的影響，損害到機(jī)組的安全。因此，自動(dòng)同步器對(duì)抗干擾的設(shè)計(jì)要求較高。

在自動(dòng)同步器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提高耐沖擊能力和自動(dòng)同步器的抗干擾，采集相位信號(hào)的方式，需使用光電耦合器采樣，使光電得到隔離，隔離的高壓達(dá)到2 kV才有效。為了避免出現(xiàn)雷擊事故，在采樣輸入回路中，可以加入適度的壓敏電阻。對(duì)于射頻干擾的處理，可以在采樣回路的過(guò)程中，運(yùn)用金屬外殼，加入整個(gè)模塊和一定的磁珠。由于在輸入信號(hào)端添加濾波器，從而導(dǎo)致相位出現(xiàn)誤差，可以加入相位補(bǔ)償電路來(lái)補(bǔ)償，這樣不僅可以提高并網(wǎng)的準(zhǔn)確性，還可以提高它的可靠性。為了合閘出現(xiàn)零沖擊，對(duì)于不同開(kāi)關(guān)引起的合閘時(shí)間差，可以通過(guò)合閘角度的調(diào)整來(lái)消除。為了避免斷開(kāi)的瞬間和閉合時(shí)出現(xiàn)的電磁干擾影響到模塊的內(nèi)部，可以對(duì)輸出繼電器使用金屬熔焊密封的方法，把線(xiàn)圈和觸點(diǎn)放在里面，使用金屬外殼，這樣就和外部屏障隔離，防止干擾到模塊內(nèi)部的效果。在繪制印制電路板時(shí)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，要合理的布線(xiàn)，并且元器件的位置要正確擺放好，由于連接自動(dòng)同步器和電子調(diào)速器的端子很容易被干擾，因此電纜線(xiàn)一定要全部屏蔽。又因?yàn)樽詣?dòng)同步器會(huì)受電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的大量諧波干擾，則應(yīng)在其外部加上AC濾波器。

5 電路的設(shè)計(jì)

5．1 使用頻率相位信號(hào)合成電路

通過(guò)采樣整形電路后，電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)的頻率相位信號(hào)形成兩個(gè)矩形波信號(hào)，如果有一路信號(hào)出現(xiàn)反向的情況，通過(guò)頻率相位信號(hào)合成電路，可以把兩路的信號(hào)合成一路，形成一個(gè)和兩個(gè)相位差成正比的電壓信號(hào)。最終，電壓信號(hào)輸送至合閘超前角調(diào)節(jié)電路和調(diào)速控制電路。

5．2 整形電路和采樣交換

由于電壓波形中的雜波信號(hào)被阻容濾波電路吸收，電容和電阻進(jìn)行第二次濾波后，把它輸送給光電耦合器，當(dāng)它在隔離之后形成矩形波信號(hào)時(shí)，發(fā)電機(jī)或者電網(wǎng)線(xiàn)壓信號(hào)通過(guò)施密特觸發(fā)器反向整形后，會(huì)形成方波信號(hào)。

5．3 控制電路的調(diào)速

按照兩路電的頻率相位差，通過(guò)柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制，可以把兩者的差值逐漸的縮小，使它們的相位可以相同，它的運(yùn)算是由放大器組成積分和微分電路形成的，通過(guò)這種方式，自動(dòng)同步器的調(diào)速控制，就能夠巧妙地設(shè)置調(diào)節(jié)電子調(diào)速器的穩(wěn)定性和靈敏性。

5．4 調(diào)節(jié)電路

合閘執(zhí)行元件的不同，例如，交流接觸器和自動(dòng)斷路器，它們從合閘線(xiàn)圈得電到主觸點(diǎn)完全閉合過(guò)程中所用的時(shí)間也不同。為了合閘執(zhí)行元件的準(zhǔn)確性，以及用戶(hù)在使用過(guò)程中可以適應(yīng)不同的合閘元件，合閘超前角調(diào)節(jié)電路是理想的電路，這種電路可以達(dá)到0～20°提前角調(diào)節(jié)。它還可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊力減小，也就是在合閘之前，通過(guò)提前0～20°相位角，使合閘執(zhí)行元件在接受到合閘信號(hào)后，它的主觸點(diǎn)同期時(shí)間和閉合時(shí)間能夠相同。

5．5 確定電源和電路

電源作為自動(dòng)同步器的一部分，它的主要任務(wù)是為各個(gè)電路提供工作能量，確保整個(gè)自動(dòng)同步器具有可靠的穩(wěn)定性，因此，電源部分的設(shè)計(jì)特別重要。但是為了能夠正確的連接正極和電源地，在輸入回路中加入二極管保護(hù)，如果線(xiàn)路接錯(cuò)，模塊的內(nèi)部電路也不會(huì)燒毀。對(duì)于穩(wěn)壓電源，需要使用多個(gè)穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路，同時(shí)，也應(yīng)具有一些特點(diǎn)，例如抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓穩(wěn)定。為了確保穩(wěn)壓器的輸出電壓為＋10 V，輸入電壓范圍在10～35 V之間，可以滿(mǎn)足24 V和12 V鉛蓄電池的應(yīng)用。

5．6 同步檢測(cè)輸出電路

輸出繼電器和檢測(cè)同步電路組成了同步檢測(cè)輸出電路。在輸出繼電器的選擇上，應(yīng)考慮DC5V線(xiàn)圈繼電器，合閘信號(hào)要在檢測(cè)各個(gè)條件都滿(mǎn)足之后才能夠準(zhǔn)確發(fā)出。

6 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)同步并車(chē)控制器適合在事故或者特殊的條件下使用，因?yàn)樗哂袆?dòng)作準(zhǔn)確可靠、迅速，而且簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)合閘沖擊的電流很小，在允許頻差的范圍內(nèi)，第一個(gè)周期就可以進(jìn)行合閘，可以很好地保護(hù)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和發(fā)電機(jī)組。

［1］ 張志鵬，朱煥科．柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)同步并車(chē)控制器設(shè)計(jì)［J］．移動(dòng)電源車(chē)輛，2012，（2）：13－15．

［2］ 莊宗輝，薛毓強(qiáng)，LabVIEW在柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19（5）：35－36．

［3］ 牛星軍，王曉鵬．自動(dòng)負(fù)荷分配器在發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行中的應(yīng)用［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（12）：144－204．

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［5］ 趙維新．自動(dòng)同步并車(chē)控制器在發(fā)電機(jī)組并聯(lián)中的應(yīng)用［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2010，（10）：189－190．

［6］ 劉宇航．應(yīng)用可編程控制器實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并聯(lián)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)科技信息，2009，（24）：154－157．