大功率柴油發電機組同步并車控制單元設計與應用

鄭真福

（69026部隊69分隊，新疆 烏魯木齊830092）

傳統的柴油發電機組的并聯純粹依靠人工，不僅浪費時間，還浪費精力，而且有些人為的因素會對機組造成很大的危害，減少機組的使用壽命。同步并車控制器可以避免許多事故的發生，減輕操作人員的壓力，所以對大功率柴油發電機組同步并車控制單元（以下簡稱自動同步器）的設計研究，具有很重要的意義。

1 柴油發動機組自動化并車的優勢

傳統的柴油發動機組并車大部分都是采用的手動準同期法，需要對發電機組的電壓、相位以及頻率等進行反復確認，最后在并車操作的時候，還要根據整步表指針的轉動位置或者是燈光的明暗變化來進行，這樣實行并車操作的時候往往會受到人們視力誤差或者操作能力的影響，增加了并車操作的復雜性。采用柴油發動機組自動化并車，則可以對這些復雜因素進行明顯的排除：（1）操作簡便、動作準確，對手動操作中產生沖擊電流的可能性進行了有效避免，大大的提高了系統的安全性；（2）還可以根據負載的不同，自動選擇多臺發電機組的投入以及退出，從而對油耗和機器運行成本進行了大大降低；（3）在進行多臺機組并車的時候，一部分機器在運行，另一部分機器處于休息待命狀態，一旦出現滿功率以及故障信號的時候，處于待命狀態的機器就會自動投入使用之中，從而增強了系統的可靠性。

2 自動同步器的功能

自動同步器主要應用于并網和機組自動并機，它的功能很強大，可以使公用電網或機組和兩臺或者兩臺以上的機組和機組之間的頻率，實現相位準確快速調整，自動跟蹤、同期合閘等功能。自動同步器通過調節待并機組的電子調速器后，能夠縮小待并機組和主機組的相位差，可以進行精確的檢測，當相位差的最小值在允許的范圍內，可以同期合閘繼電器的動作，發送并機合閘的信號，這時同步過程才算完成。自動同步器共具有五個功能：（1）可以補償待并機組的相位；（2）提前角度設置同期合閘；（3）兩路交流電壓信號的相位不僅可以精確的檢測出來，還可以合成其相位差；（4）可以調節自動同步的溫度和速度；（5）通過自動調節待并機組的電子調速器，不僅可以自動同期合閘，還可以滿足同期合閘的條件。

3 同步并車控制工作原理

并聯斷路器兩側的電源狀態需滿足四個條件，也就是系統兩側電源和待并側之間的電壓和頻率相等、相位差為零、相序相同。這也是電網與發電機組，還有發電機組同步并聯運行的條件。并網瞬間并聯點由于電壓差和頻率差的存在，在一定程度上，它的兩側會出現有功功率和無功功率的交換，發電機組或者電網也會受到影響。與電壓差和頻率差相比，相位差在一定程度上會引起次同步諧振，傷害到發電機組，特別嚴重時還會損壞發電機。在一定的范圍內，如果允許頻率差和電壓差，就會加速并網的過程，與此同時，并網的完成，需要一個相位差為“零”并且性能良好的自動同步并機控制器。

自動同步器使用PI控制理論，選擇了模擬電路控制系統。它具有許多優點，例如它的電路相對來說比較成熟，其結構簡單，瞬態性能也比較好。它的工作原理分為以下幾個步驟：（1）當自動同步器收到同步投入的命令之后，需要檢測電網和機組或者是兩臺待并機組的交流電壓信號，發出校正模擬直流信號；（2）當信號被PI運算電路處理過后，并把它放到發動機電子調速控制器的并機端上，在這種情況下，兩臺待并機組或者電網的相位差會在短時間消失；（3）在相位差消失后，通過同步檢測電路，可以根據同步后輸出合閘的信號提示，把同步的過程完成。

自動同步器的電路組成包括對信號的取樣、相位角補償調節、隔離整形、相位角差合成電平信號、信號穩定度靈敏度的調節、合閘角調節、控制電調信號輸出等，通過有效的組合，各個電路可以形成一個相對閉環控制系統，如圖1所示。

圖1 自動同步原理框圖

4 抗干擾設計

自動同步器需要根據相位采樣的兩臺電網或機組交流電壓信號相位差進行同步處理。如果是由于外部環境的干擾，交流電壓的信號就無法正確的采樣，會使判斷出現錯誤，從而對同步有很大的影響，損害到機組的安全。因此，自動同步器對抗干擾的設計要求較高。

在自動同步器的設計過程中，為了提高耐沖擊能力和自動同步器的抗干擾，采集相位信號的方式，需使用光電耦合器采樣，使光電得到隔離，隔離的高壓達到2 kV才有效。為了避免出現雷擊事故，在采樣輸入回路中，可以加入適度的壓敏電阻。對于射頻干擾的處理，可以在采樣回路的過程中，運用金屬外殼，加入整個模塊和一定的磁珠。由于在輸入信號端添加濾波器，從而導致相位出現誤差，可以加入相位補償電路來補償，這樣不僅可以提高并網的準確性，還可以提高它的可靠性。為了合閘出現零沖擊，對于不同開關引起的合閘時間差，可以通過合閘角度的調整來消除。為了避免斷開的瞬間和閉合時出現的電磁干擾影響到模塊的內部，可以對輸出繼電器使用金屬熔焊密封的方法，把線圈和觸點放在里面，使用金屬外殼，這樣就和外部屏障隔離，防止干擾到模塊內部的效果。在繪制印制電路板時，為了增強系統的抗干擾能力，要合理的布線，并且元器件的位置要正確擺放好，由于連接自動同步器和電子調速器的端子很容易被干擾，因此電纜線一定要全部屏蔽。又因為自動同步器會受電網或發電機產生的大量諧波干擾，則應在其外部加上AC濾波器。

5 電路的設計

5．1 使用頻率相位信號合成電路

通過采樣整形電路后，電網或發電機的頻率相位信號形成兩個矩形波信號，如果有一路信號出現反向的情況，通過頻率相位信號合成電路，可以把兩路的信號合成一路，形成一個和兩個相位差成正比的電壓信號。最終，電壓信號輸送至合閘超前角調節電路和調速控制電路。

5．2 整形電路和采樣交換

由于電壓波形中的雜波信號被阻容濾波電路吸收，電容和電阻進行第二次濾波后，把它輸送給光電耦合器，當它在隔離之后形成矩形波信號時，發電機或者電網線壓信號通過施密特觸發器反向整形后，會形成方波信號。

5．3 控制電路的調速

按照兩路電的頻率相位差，通過柴油機電子調速器的控制，可以把兩者的差值逐漸的縮小，使它們的相位可以相同，它的運算是由放大器組成積分和微分電路形成的，通過這種方式，自動同步器的調速控制，就能夠巧妙地設置調節電子調速器的穩定性和靈敏性。

5．4 調節電路

合閘執行元件的不同，例如，交流接觸器和自動斷路器，它們從合閘線圈得電到主觸點完全閉合過程中所用的時間也不同。為了合閘執行元件的準確性，以及用戶在使用過程中可以適應不同的合閘元件，合閘超前角調節電路是理想的電路，這種電路可以達到0～20°提前角調節。它還可以使發動機的沖擊力減小，也就是在合閘之前，通過提前0～20°相位角，使合閘執行元件在接受到合閘信號后，它的主觸點同期時間和閉合時間能夠相同。

5．5 確定電源和電路

電源作為自動同步器的一部分，它的主要任務是為各個電路提供工作能量，確保整個自動同步器具有可靠的穩定性，因此，電源部分的設計特別重要。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，如果線路接錯，模塊的內部電路也不會燒毀。對于穩壓電源，需要使用多個穩壓管組成穩壓電路，同時，也應具有一些特點，例如抗干擾能力強、功耗低、電路的結構簡單、輸出電壓穩定。為了確保穩壓器的輸出電壓為＋10 V，輸入電壓范圍在10～35 V之間，可以滿足24 V和12 V鉛蓄電池的應用。

5．6 同步檢測輸出電路

輸出繼電器和檢測同步電路組成了同步檢測輸出電路。在輸出繼電器的選擇上，應考慮DC5V線圈繼電器，合閘信號要在檢測各個條件都滿足之后才能夠準確發出。

6 結束語

自動同步并車控制器適合在事故或者特殊的條件下使用，因為它具有動作準確可靠、迅速，而且簡單的優點，對合閘沖擊的電流很小，在允許頻差的范圍內，第一個周期就可以進行合閘，可以很好地保護開關觸點和發電機組。

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