250KVA柴油发电机组电气控制设计.docx
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250KVA柴油发电机组电气控制设计
1引言
1.1研究意义及其工作原理
柴油发电机组是一种小型发电设备，是指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的机械设备。
整套机组一般由柴油机、发电机、控制柜、燃油箱、蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。
尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、企业、医院等部门，作为备用电源或临时电源。
工作原理如下：
在柴油发电机组汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在柴油发电机组活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。
柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。
柴油发电机组各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。
这样柴油发电机就完成了一个工作循环。
随着一个又一个工作循环重复进行,柴油发电机组连续运转。
柴油机的控制核心是通过控制喷油泵来调节和稳定转速,一般分为机械调速和电子调速。
电子调速器采用双闭环控制,用转速传感器检测柴油机转速,把检测结果转换成比例的电信号,将之与给定的标准转速信号比较,得出偏差信号,再与柴油发电机组执行器的位置反馈信号相加,以合成后的信号作为执行器动作的输入信号,通过控制柴油发电机组喷油泵齿杆位置来调节供油量,从而达到调速稳速的目的。
目前国外柴油机也引用了先进的发动机的“电喷”控制技术,在带载特性、节约燃油和环保排放以及降低噪音等方面性能卓越。
发电机组的有功调节就是对柴油发电机转速的调节。
柴油发电机组是由内燃机和同步发电机组合而成的，内燃机的最大功率受零部件的机械负荷和热负荷的限制，称为额定功率，交流同步发电机的额定功率是指在额定转速下，长期连续运转时，输出的额定功率，通常把柴油机组输出额定功率与同步交流发电机输出的额定功率之间，称为匹配比。
1.2国内外发展状况
1.2.1国外发展状况
一个世纪以来，发电机原理未曾改变，随着年代的推进，先进生产设备日臻完善，因而各项技术参数越来越先进。
国外在世界范围内形成了几大集团：
CUMINNS康亮斯，康明斯公司在全球137个国度和地区具有680多个合作商，5000多个代理商遍及世界各地。
在全世界范畴内，康明斯具有40多家工厂，年产发动机四十少万台，雇员二万四千多名，2003年的全球出售额达63亿美元，是美国《财经》五百强企业之一，也是《财产》杂志评比的2003年度美国最敬佩的公司之一；DEERE强鹿，世界有名的美国强鹿（JohnDeere）已经成为了全世界数一数二的出产工用机械、工业装备和林业装备的跨国公司。
其最大功率为340KW；Perkins英国帕金斯，年产40万台发电机，在发电机组市场获得了令己瞩目标成绩；道依次，为摘姆勒-克莱斯勒属上公司，是世界领先的柴油发动机造造商，柴油发动机功35kw-9000kw，普遍用于舰船、重型汽车和工程机械、铁道机车；韩国大宇，韩国DAEWOO小宇重工株式会社成立于1937年，，在柴油发电机、发掘机、车辆、主动机床、机器己等范畴发明了公认的成绩。
1.2.2国内发展状况
国产发动机品牌：
下柴、有动、建柴出产的135系列，4135、6135、12V135，功率范畴40-400kW；上柴D114系列，仿康明斯B系列，功率75-120kW；下内495系列，功率20-24kW；北昌凯马4105、6105系列柴油机，24-90kW；沉庆--康明斯发动机公司，重庆--康明斯N、K系列柴油机，200-1000kW；春风-康明斯B系列,75-90kW；南内、石柴、华南柴油机厂引进讲依茨威严热柴油机，20-120kW济柴190系列，400-1500kW；潍柴、杭汽发引进俄罗斯柴油机,75-200kW。
天津-帕金斯1000系列柴油机，36-120kW；潍柴-道依茨柴油机，20-100kW。
1.3发电机组的发展方向
柴油发电机组肩负着为国民经济以及人民生活用电提供发电成套设备的重任，所以它在很长一段时间内还会占据着很重要的位置。
而伴随着时代的进步社会的发展，原有的那种发电机组显然已经不适合社会的需要。
笨重、耗油、噪音、污染。
所以未来发电机组的发展方向应该是节能、环保、轻型化、小型化、美观大方化。
这样才能发挥出发电机组的潜在优势。
2发电机组设计前的准备
2.1做好发电机组设计应注意的问题
2.1.1．熟悉国家标准
“标准”就是技术立法。
任何一台产品是否能够出厂，关键在于它是否符合标准中的各项规定。
只有在产品性能满足标准的前提下，讨论其技术经济性能才有意义。
因此，要搞好产品设计，首先应当熟悉标准。
柴油发电机组广泛用于电信、财政金融部门、医院、学校、商业等部门、工矿企业等特殊用途的独立电源。
企业在选购柴油发电机组要有自己的标准。
选购的柴油发电机组性能和质量必须符合有关标准要求。
选购通信用柴油发电机组，必须达到GB2820-1997中G3级或G4级规定的要求，同时和《通信用柴油发电机组的进网质量认证检测实施细则》规定的24项性能指标要求，同时要通过我国行业主管部门所设立的通信电源设备质量监督检验中心的严格检验。
选购军事通信用柴油发电机组，必须达到有关GB2820-1997、GJB相关标准和部队有关部门制定的《通信电源设备的质量检测标准》的规定，并要通过有关组织部门对设备质量的严格检验。
2.1.2熟悉产品规格及技术用户的要求
2.1表1铭牌
机组型号：
DP1CS
额定功率：
250KVA
额定电压：
380V
相数：
3
额定频率：
50Hz
冷却方式：
水冷
额定电流：
379.8A
保护系统：
四保护系统
动力型号：
6LTAA8.9-G2
自动转换电源
发电机型号：
UCL274K
了解用户的要求是非常必要的前期工作,一个企业经济效益的高低在于产品是否适销对路，是否生产成本较低、产品质量高且销售价格合理，尤其是在当今社会主义市场经济条件下，国家强调不能单纯看产值，而应着重用效益来衡量一个企业。
不言而喻，一个企设计的产品的销售情况就成了企业的生命线。
为此，在产品设计时除了考虑通用化、系列化之外，还应很好考虑各种用户的不同要求，以尽量满足不同用户的需要。
尤其应当着重开发在市场1：
竞争能力强的产品。
2.2主要电气元器件与配件、结构款式的确定
2.2.1主要电气元器件与配件
1、接线端子2个。
2、巨邦断路器DZ47-63C16A一个,C6A四个。
3、电磁继电器AR92-1ZDC24V3个,ARM3FAC220V1个,ARL2F220V1个。
4、报警器BJ-1DC24V。
5、开关电源S-100-24INPUT:
200-240AC1.2AOUTPUT:
+24V4.5A。
6、点火钥匙一个，钮子开关一个，照明灯一个，油量指示表一个，油量传感器一个，一个二极管。
7、ATS双电源自动转换开关一个SKT1-630A400A。
8、1.5平方毫米铜导线一卷，2.5平方毫米的铜导线一卷，70平方毫米的铜导线一卷。
9、调速器S6700E。
10、电流互感器500/5A三个。
2.2.2发电机组结构款式的确定
静音式外壳
外壳款式为龙马公司小沈款见图片
2.2图1小沈款静音型
2.2图2小沈款静音型
2.3动力与发电机，控制模块的品牌型号确定
1、动力选择：
作为开创柴油发动机先河的康明斯公司成立于1919年，总部设在美国印第安纳州哥伦布市。
康明斯是全球领先的动力设备制造商，设计、制造和分销包括燃油系统、控制系统、进气处理、滤清系统、尾气处理系统和电力系统在内的发动机及其相关技术，并提供相应的售后服务。
康明斯总部设在美国印第安纳州哥伦布市，公司通过其遍布全球160多个国家和地区的550家分销机构和5000多个经销商网点向客户提供服务。
发动机事业部生产和经销功率范围宽广的柴油和天然气发动机以及相应的零部件产品，用于汽车、工业和发电设备等领域。
康明斯发动机排量1.4-91立升，功率范围覆盖31-3500马力，广泛应用于重型卡车、中型卡车、巴士客车、娱乐休闲房车、轻型商用汽车和皮卡车等公路车辆以及工程机械、矿山设备、农业机械、船舶和铁路等非公路设备。
康明斯发动机不仅以一流的可靠性、耐久性和燃油经济性享誉业内，而且在满足日益严格的汽车排放（美国EPA2007/2010，欧洲四号和五号）、非公路用机动设备排放（Tier3以上）以及船机排放（国际海事组织IMO标准）的激烈竞争中一直居于业内领先地位。
2、康明斯发动机的优势
第一：
前瞻的设计开发能力,康明斯能针对不同的排放标准开发出相应的解决方案。
第二：
成熟的配套能力，康明斯的排放控制技术与发动机生命周期和整车可达到完美匹配，从而使客户获得最佳的经济效益。
第三：
先进的尾气排放控制技术，包括冷却式废气再循环（ＣＯＯＬＥＤ ＥＧＲ），选择性催化氧气（ＳＣＲ）和颗粒物滤轻器（ＤＰＦ）。
第四：
批量的采购能力，随着康明斯排放后处理市场规模的不断扩大，形成批量采购规模，从而为客户提供性价比高的产品。
因此我们在这里选用康明斯的动力6LTAA8.9-G2。
铭牌数据如下表：
2.3表2康明斯铭牌
C.I.D/L8.9CPL0891
EngineSerialNo.39576759
FamilyL
Custspec
EngineModel
6LTAA8.9-G2
LowidleRPM850
GrossKW200at1500RPM
FiringOrder1-5-3-6-2-4
ShoporderNO.S030171
电机选择：
世界一流品牌斯坦福同步交流发电机，英资无锡新时代公司生产，CCS中国船级社认可。
符合GB755, BS5000, VDE0530, IEC34-1, CSA22.2, AS2359标准。
● 性能优秀的永磁发电机系统，在各种情况下提供恒定励磁；
● 标准的2/3节距绕组，有效抑制过多的中线电流；
● 绝缘等级：
H，防护等级：
IP23
● 稳态电压调整率：
≤±1.0%
● 电话干扰：
THF < 2%, TIF < 50
随机附件：
● 消声器、波纹管、排气弯管
● 蓄电池及连线
● 中国船级社型式认可证书
产品设计、材料、生产、试验均由英方人员直接管理控制。
体积小，重量轻，技术先进，性能可靠是斯坦福发电机的重要特性。
1、四极无刷自励式、IP22防护等级，H级绝缘，可耐温180℃，为发电机在恶劣环境中运行提供保障。
2、定子是2/3节距绕制，能有效抑制输出电压的波形畸变，及减少磁场发热。
3、转子装配前经过动平衡，完善的阻尼器绕组帮助减少非恒定负荷下的电压偏差和热量。
4、励磁机转子的输出功率通过三相全波式整流器输给主机转子，该整流器由一流通涌抑制器保护，以免由诸如短路或者并联时相位失步而引起的冲击造成损坏。
5、自动电压调节器（AVR）具有保护发动机的自动减荷特性，允许一次性向发电机施加全载，稳态电压调整率可实现优于±1%，使用永磁发电机励磁（PMG）系统，发电机具有较高电动机启动能力，并对由非线性波形畸变具有抗扰性6、电话影响系数TIF<50,电话谐波系数THF<2%，无刷装置和高质量的AVR确保对无线电传送干扰很微小。
因此我们选择斯坦福电机UCL274K。
铭牌数据如下：
2.3表3斯坦福电机铭牌
SERIALNUMBERX09L460682
EX.VOLTS:
57.00
ORDERNUMBERN40361
EX.AMPS:
2.50
KVABASERATE（BR）:
250.0
AMBIENTTEMP℃:
40
KWBASERATE（BR）:
200
ENCLOSURE:
IP23
HZ:
50
INSULATIONCLASS:
H
RPM:
1500
STATORWDG:
311
VOLTS:
400
STATORCONN.S.STAR
PHASE:
3
AVR:
AS440
AMPSBASERATE（BR）:
360.8
MOUNTINGTYPE:
IMB15
PF:
0.8
COOLINGMETHODICO1
RATING:
CONT
WEIGHTKG727
控制模块：
HGM6110电站自动化控制器集成了数字化、智能化、网络技术化，用于单台柴油发电机组自动化控制及监控系统，实现发电机组的自动开机/停机、数据测量、报警保护及“三遥”功能。
控制器采用大屏幕液晶（LCD）显示，中英文自由切换界面，操作简单，运行可靠。
HGM6110电站自动化控制器采用微处理器技术，实现了多种参数的精密测量、定值调节以及定时、阀值整定等功能，所有参数既可从控制器前面板调整，又可以使用PC机通过编程接口调整及监测。
其结构紧凑、接线简单，可靠性高，可广泛应用于各类型发电机组自动化系统。
详见附录B使用说明。
3发电机组控制线路的设计
3.1导线的选择
3.1表4铜线温度线径表
下面是铜线在不同温度下的线径和所能承受的最大电流表格
铜线温度
线径（平方毫米）
60℃
75℃
85℃
90℃
电流（A）
2．5
20
20
25
25
4.0
25
25
30
30
6.0
30
35
40
40
8.0
40
50
55
55
14
55
65
70
75
22
70
85
95
95
30
85
100
100
110
38
95
115
125
130
50
110
130
145
150
60
125
150
165
170
70
145
175
190
195
80
165
200
215
225
100
195
230
250
260
根据控制模块说明书，我们需要1.5mm，2.5mm线径的铜导线，发电机U、V、W、N相我们用分别两根70mm线径的铜导线并联起来连接到ATS上。
3.2布置线路注意事项
（1）主电路接线→控制线路接线→端子接线。
（2）不同控制箱（板）间要通过端子连接（即其它控制箱、控制板或不在控制箱或控制板上的元器件进入本控制箱或控制板时，要先接到本控制箱或控制板的端子上，然后再由端子引线）。
（3）同一端子接线不允许超过两根。
（4）高电压和电源线使用R形端子，信号线使用Y形端子。
（5）元器件可以用简单的方形或圆形图形来表示，但其端子位置尽量和实际元器件位置相同或接近。
（6）接线图元器件的放置要和布局图的位置相同或相近，对于某一个元器件来说，标记的端子位置也要和布局图实际元器件的位置相同。
（7）力要整个图面的美观。
因此，在画连接图时，要保持整个图面的紧凑和清晰，同时，要尽量使画面不要太过于稀疏。
要尽量避免连接线的交叉，连接线尽量使用直线，连接线和元器件间的距离要尽量相同等。
检查接线图，保证正确无误，为接线表的制作做好准备。
3.3控制线路原理图设计
首先我们要对控制模块接线端子进行了解，下面就是控制模块的每个端口号的解释：
1号端口为直流工作电源输入－Ve，线径为2.5mm接起动电池负极。
2号端口为直流工作电源输入＋Ve，线径为2.5mm接起动电池正极，若长度大于30米，用双根并联。
推荐最大20A保险丝。
3号端口为紧急停机输入，线径为2.5mm通过急停按钮接＋Ve。
4号端口为燃油继电器输出，线径为1.5mm由3点供应＋Ve，额定7A。
5号端口为起动继电器输出，线径为1.5mm由3点供应＋Ve，额定7A接起动机起动线圈。
6号端口为可编程继电器输出口1，线径为1.5mm由2点供应＋Ve，额定7A。
7号端口为常闭输出，额定7A。
8号端口为继电器公共点。
9号端口为可编程继电器输出口21.5mm常开输出，额定7A。
10和11号端口为可编程继电器输出口3，线径为2.5mm。
12和13号端口为可编程继电器输出口4，线径为2.5mm继电器常开无源接点，额定16A，无源接点输出。
14号端口为充电发电机D＋端输入，线径为1.0mm接充电发电机D+（WL）端子，若充电机上没有此端子，则此端子悬空。
15号端口为转速传感器输入。
16号端口为转速传感器输入，控制器内部已接电池负极。
连接转速传感器，建议用屏蔽线。
17号端口为温度传感器输入连接水温或缸温电阻型传感器。
18号端口为机油压力传感器输入连接油压电阻型传感器。
19号端口为液位传感器输入连接液位电阻型传感器。
20号端口为可编程输入口1，线径为1.0mm接地有效（-Ve）。
21号端口为可编程输入口2，线径为1.0mm接地有效（-Ve）。
22号端口为远端开机输入口，线径为1.0mm接地有效（-Ve）。
23号端口为电流互感器A相监视输入，线径为1.5mm外接电流互感器二次线圈（额定5A）。
24号端口为电流互感器B相监视输入，线径为1.5mm外接电流互感器二次线圈（额定5A）。
25号端口为电流互感器C相监视输入，线径为1.5mm外接电流互感器二次线圈（额定5A）。
26号端口为电流互感器公共端，线径为1.5mm。
27号端口为发电机组A相电压监视输入，线径为1.0mm连接至发电机组输出A相（推荐2A保险丝）。
28号端口为发电机组B相电压监视输入，线径为1.0mm连接至发电机组输出B相（推荐2A保险丝）。
29号端口为发电机组C相电压监视输入，线径为1.0mm连接至发电机组输出C相（推荐2A保险丝）。
30号端口为发电机组N线输入，线径为1.0mm连接至发电机组输出N线。
31号端口为市电A相电压监视输入，线径为1.0mm连接至市电A相（HGM6110无此功能）。
32号端口为市电B相电压监视输入，线径为1.0mm连接至市电B相（HGM6110无此功能）。
33号端口为市电C相电压监视输入，线径为1.0mm连接至市电C相（HGM6110无此功能）。
34号端口为市电N线输入，线径为1.0mm连接至市电N线（HGM6110无此功能）。
35号端口为RS485公共地，线径为0.5mm。
36号端口为RS485-，线径为0.5mm。
37号端口为RS485+，线径为0.5mm。
主要线路的设计如下图：
图3主线路
对于主线路的设计：
1发电电压和频率的信号采集检测我们通过使用26、27、28、460四根线来实现。
它们从发电机U、V、W、N相上各引出一根线，460直接通过接线端子接到模块30端口上，160、260、360接小型断路器然后由262728引出接到模块27、28、29端口上。
2电流的信号采集检测我们需要使用电流互感器来进行测量，由于发点电流过大，普通电流表不能直接串联在主电路中测试，所以必须通过电流互感器来实现。
U、V、W三根输出线上各贯穿一个500/5的电流互感器，电流互感器上面有s1、s2两个接线口，340、240、140接s1端口440接s2公共端口，然后340、240、140、440接到控制模块上23、24、25、26端口上。
3传感器的接线142、17接传感器的G端口，142用于监测柴油机冷却水的温度，17用于监测柴油机内部油压的监测，142、17分别接到模块17、18端口上。
143接水温传感器的报警监测端口然后接到模块的20端口上，171接油压传感器的报警监测端口然后接到模块的21端口上。
3ATS的接线在这里我们要说明ATS的作用，ATS就是双电源切换开关，用于切换发电和市电的转换开关。
发电机的输出线我们接到ATS备用电源接口上，ATS的常用电源用于接通市电的。
ATS的切换主要通过880、881、882三根线来实现的，当881、880有电时ATS自动切换将市电和负载连通，当882、880有电时ATS自动切换将发电和负载连通。
882、881、880的得电与否通过3F电磁继电器来进行控制，当市电有电时市电正极43、市电负极91连接在3F继电器的10、11端口上3F继电器的常闭端打开，常开端吸合，然后就只有881、880得电，ATS监测到电信号就自动进行切换。
4发电机的自动启动，它是通过2F继电器来实现的，在这里43、91分别接在2F继电器的5、6端口上，当市电没电时4号线于103连通，模块监测到市电没电，然后自动进行启动。
当启动成功后运行正常，模块15端口设置为发电合闸，然后Q3继电器得电，26接在Q3继电器的公共端口，8283分别接在Q3继电器的常开、常闭端口。
当Q3得电吸合时，82作为发电合闸线，将电信号传送到3F继电器上，然后3F继电器将发电信号传送到ATS上，ATS进行自动切换，将备用电源和负载连通。
5开关电源的作用，开关电源就是用于将市电转换成低压直流电对电瓶进行充电和对控制线路提供电源。
43、91接开关电源的输入端口，152、103接开关电源的输出端口。
二极管接在开关电源与电瓶正极之间，作用就是阻止电瓶的电量外泄。
6电瓶，电瓶就是提供发电机组的起动电压，以及控制线路的电压151接电瓶的正极103接电瓶的负极。
7Q1Q2继电器的作用，Q1继电器用于控制发电机组的起动，当9号线得电，继电器常开端吸合，156得电（156用于控制启动机），然后起动机运转。
Q2继电器用于控制机组的停机，当10号线失电Q2继电器常开端闭合163失电（163接在调速板），然后执行器将柴油机的进油阀关闭机组停机。
7调速器，调速器在下面进行介绍，作用就是控制发电机转速频率。
8其他线路的作用，166用于监测充电机的工作状况，如果充电不成功，166号线将信号传到模块中，模块就让报警端口12得电，报警器得电报警。
5号线接在急停按钮常闭端上，急停按钮常闭另一端接152。
当按下急停时，10号线就失电停机。
特别说明一般国产机型是得电停机，国外机型是得电开机，失电停机。
调速器接线图如下：
图4调速器
现在介绍调速器接线的设计：
调速器作用就是用于机组的平稳调速。
调速器接线端子上1、2接执行器A、B线，其作用也就是用于控制油量大小。
3、4端口接速度传感器的C、D线，速度传感器用于监测速度信号。
当检测的速度信号过低或过高时，调速器自动控制进油阀的大小从而实现速度的调整。
5、6端口接电源的正负极，163提供正极电荷，103提供负极电荷。
7、11端口接7和11号线，用于怠速控制，由于本机组功率较大需要启动以及停机时需要怠速。
怠速就是将机组至于一个低速的运行状态，开机停机时有一个过度时间对机组进行保护。
接线端子作用就是将柴油机和电机上的线路连接到电器柜中。
图中已经对各个线号进行描述，在这里就不多废笔墨了。
接线端子如下：
图5接线端子
4发电机组测试
4.1发电机组测试准备工作
4.1.1柴油发电机启动前的准备及检查
1、柴油发电机在未做好启动前的检查及启动准备工作以前不准启动，运行方式选择开关应在“OFF”位。
2、柴油发电机启动或投入运行方式选择开关前，应检查蓄电池充电电源、控制、信号系统电源、冷却水温控制、空气系统、燃油系统、润滑油系统投入正常。
3、合上蓄电池充电电源，检查充电源红灯亮且蓄电池电压为（24V-30V）左右，蓄电池组的容量应满足机组连续起动9次的用电量。
4、检查室内燃油储油箱（应满足机组满载连续运行8小时的储油量）油位正常，打开柴油发电机进油门。
输油方式采用手动方式。
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