王永興,劉建設(shè)
(武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)
目前,在船舶交流電力系統(tǒng)中,廣泛地采用了柴油發(fā)電機組。自20世紀(jì)80年代開始,隨著電力電子及變頻調(diào)速技術(shù)的快速進步,船舶電力推進技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。船舶電力推進系統(tǒng)與其他日用負載通常采用同一船舶電站供電,這也導(dǎo)致船舶電站的容量越來越大,自動化程度也越來越高。為了使各種電氣設(shè)備能夠可靠、高效的運轉(zhuǎn),必須保證船用柴油發(fā)電機組具有較高的發(fā)電品質(zhì)[1]。
為使柴油發(fā)電機組可以發(fā)出高品質(zhì)的電能,需要保持發(fā)電機組的電壓及頻率的穩(wěn)定。電壓由發(fā)電機的自動調(diào)壓系統(tǒng)實現(xiàn),頻率則由柴油機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。頻率為衡量電能質(zhì)量的一個重要參數(shù),與電機轉(zhuǎn)速之間有直接的計算關(guān)系。船用電網(wǎng)負荷一直處于實時變化之中,加上柴油機組工作環(huán)境的復(fù)雜性,所以保持柴油機組恒轉(zhuǎn)速運行是比較困難的。
作為調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速的特定裝置,調(diào)速器在船舶電站中得到了廣泛的應(yīng)用。調(diào)速器的作用是通過執(zhí)行機構(gòu)改變油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置,進而改變循環(huán)供油量,將柴油機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍,維持柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定[2]。調(diào)速器按執(zhí)行機構(gòu)分類,可分為機械式調(diào)速器、液壓調(diào)速器和電子調(diào)速器。目前一些具有負載分配功能的電子調(diào)速器也越來越多的應(yīng)用在船舶電站中,比如伍德沃德和海因茲曼公司的電子調(diào)速器。
目前船舶電站調(diào)速模式主要有下垂模式和恒頻模式。其中下垂模式模擬傳統(tǒng)的機械式調(diào)速特性,恒頻模式則由模擬量電子調(diào)速器輸出來控制柴油機轉(zhuǎn)速。恒頻模式與下垂模式相比具有更好的頻率特性,而且可以柔和的改變各個并聯(lián)機組的負載而不改變系統(tǒng)頻率;下垂模式則應(yīng)用成熟,可以便捷地實現(xiàn)功率分配。
Easygen3400控制器是伍德沃德公司用于柴油發(fā)電機組的控制器??刂破骶哂须娏骱碗妷夯ジ衅鹘涌?,能夠?qū)Πl(fā)電機的有功功率進行計算,針對發(fā)電機的各種應(yīng)用提供功率管理功能[3]。本文以伍德沃德恒頻模式控制器(Easygen3400),再加上SIEMENS PLC+DEIF PPU組成的下垂模式控制器,提出了一種新型船舶電站控制模式。
本文船舶電站設(shè)計為四臺柴油發(fā)電機組,每臺柴油發(fā)電機組配置一套Easygen3400控制器。外形圖見圖1。
Easygen3400通過采集發(fā)電機的電壓、電流,然后控制器進行計算各發(fā)電機的輸出功率,各模塊之間為CAN總線通訊,進行數(shù)據(jù)交換后再進行邏輯判斷,然后輸出4-20mA信號進行柴油機的轉(zhuǎn)速給定。
模塊接線圖見圖2。
圖1 Easygen3400外形圖
圖2 Easygen3400接線圖
各端子功能描述如下:
03~08端子取發(fā)電機電流樣值,接口類型為5A。
30、32、34端子取發(fā)電機電壓樣值,接口類型為480V。
38、40端子取母排電壓樣值,接口類型為480V。
15、17端子輸出4~20mA電流信號控制柴油機:Easygen3400根據(jù)取樣的發(fā)電機電流值和電壓值,計算對應(yīng)發(fā)電機的輸出功率,通過模塊之間的CAN線通訊進行數(shù)據(jù)交換,內(nèi)部邏輯判斷后輸出4~20mA電流信號控制柴油機實現(xiàn)負荷分配功能。
51、52端子送出GCB Open開關(guān)量,用于把對應(yīng)發(fā)電機組的GCB斷開:GCB Open對應(yīng)的內(nèi)部故障Easygen3400已經(jīng)固化,即當(dāng)對應(yīng)的故障發(fā)生時,送出GCB斷開信號,同時送出Stop Alarm信號。此時,故障機組從電網(wǎng)中脫開,避免把整個系統(tǒng)拖垮,其他機組切換到下垂模式運行,同時把所有Easygen3400恒頻模式關(guān)閉。排除故障后,機組重新并到運行機組,整體切到恒頻模式繼續(xù)運行。
53、54端子送出Stop Alarm開關(guān)量:Stop Alarm對應(yīng)的內(nèi)部故障由用戶定義,當(dāng)對應(yīng)的故障發(fā)生時,送出Stop Alarm信號。任何一臺Easygen3400送出該信號,外部系統(tǒng)把所有機組都切到下垂模式,同時把所有Easygen3400恒頻模式關(guān)閉。
Stop Alarm定義的故障可分為A~F多個級別,當(dāng)C級(含C級)以上的故障發(fā)生時,Stop Alarm和GCB Open信號同時送出。當(dāng)C級以下故障發(fā)生時,不影響運行,因此不送出信號,只是Easygen3400本地有指示燈亮,此時需要人工停機排除故障。
63、64端子為Easygen3400供電電源。
66端子為Easygen3400輸入的Common端。
68端子閉合輸入表示Easygen3400工作在恒頻模式。
73端子短接表示機組孤網(wǎng)運行,不并到其他電網(wǎng)。
74端子斷開輸入表示GCB處于閉合狀態(tài)。
78端子斷開輸入表示母聯(lián)開關(guān)處于閉合狀態(tài)。
本文船舶電站PMS(PLC+PPU)為2組完全冗余設(shè)計的S7-400系列PLC組成,硬件采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)PLC。在一組出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)能自動轉(zhuǎn)換到另一組自動運行。執(zhí)行器采用的是DEIF公司的PPU3,可以實現(xiàn)柴油機組調(diào)速調(diào)壓功能。
圖3 PLC+PPU下垂模式
Easygen3400的恒頻模式和PMS的下垂模式切換功能由PLC實現(xiàn),PLC提供與調(diào)速器有關(guān)恒頻/下垂模式的相關(guān)接口。在恒頻控制模式時,并聯(lián)運行柴油發(fā)電機組的負荷分配由柴油機電子調(diào)速器系統(tǒng)(Easygen3400)實現(xiàn),PPU不參與負荷分配的控制。在下垂控制模式時,由PPU負責(zé)柴油發(fā)電機組的負荷分配。
PMS(PLC+PPU)與恒頻模塊的接口設(shè)計為以下內(nèi)容:恒頻模式故障、恒頻模式設(shè)定及恒頻模式狀態(tài)反饋。
1)下垂模式下,柴油機工作在開關(guān)量調(diào)速模式下,通過開關(guān)量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,此時Easygen3400工作狀態(tài)處于“停止模式”,即模塊不工作。柴油機隨著負荷增加轉(zhuǎn)速有所下降,且所有柴油機的轉(zhuǎn)速下降值相同,柴油機之間自動進行負荷分配,不需要Easygen3400。
2)恒頻模式下,柴油機工作在模擬量調(diào)速模式下,通過Easygen3400送出的4~20mA電流信號控制轉(zhuǎn)速,此時Easygen3400工作狀態(tài)處于“自動模式”,即模塊正常運行。柴油機負荷增加對轉(zhuǎn)速沒有影響,柴油機始終工作在恒定轉(zhuǎn)速下,柴油機之間的負荷分配通過Easygen3400控制柴油機實現(xiàn)。
3)對于Easygen3400,任何時候兩種模式只能二選一。
機組起動并車和卸載時只能工作在下垂模式(Easygen3400“停止模式”,柴油機開關(guān)量調(diào)速),機組并車完成正常運行后,才能切到恒頻模式(Easygen3400“自動模式”,柴油機模擬量調(diào)速)。
機組由下垂模式進入恒頻模式時,所有Easygen3400先進入“自動模式”,然后柴油機控制器受Easygen3400送出的4~20mA信號控制。機組由恒頻模式進入下垂模式時,所有柴油機控制器取消接受Easygen3400的控制,Easygen3400進入“停止模式”。
圖4 機組啟動并網(wǎng)流程圖
圖5 機組解列流程圖
圖6恒頻模式故障軟件設(shè)計
圖4為機組從啟動投網(wǎng)到正常運行的軟件設(shè)計流程圖。圖5為機組由正常運行到解列的軟件設(shè)計流程圖。機組的啟動并網(wǎng)指令及解列指令可以由人為(半自動工況)和軟件自動檢測(全自動工況)給出。圖6為機組恒頻模式故障時軟件設(shè)計流程圖。
本文對船舶電站機組的調(diào)速方式進行了探討,闡述了一種新型的使用伍德沃德電子調(diào)速器以及PLC和PPU的調(diào)速控制模式,詳細介紹了其硬件組成及軟件設(shè)計流程。
參考文獻:
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[2] 王銘鋼,張德智,趙慧恩.Woodward電子調(diào)速器在240系列柴油發(fā)電機組的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2015,32(1):65-66.
[3] 黃一民.兩種新型調(diào)速方式在船舶電站中的應(yīng)用前景分析[J].機電設(shè)備,2010,27(3):3-4.