传感器技术(Journal of T ransducer T echnology 2001年第20卷第3期 42
船舶电站自动并车装置信号检测原理与实现 解 源, 杨国豪, 王 恒, 华增芳
(集美大学信息工程学院, 福建厦门361021
摘 要:论述船舶电站可编程序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。
关键词:船舶电站; 自动并车条件; 信号检测
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号-(Signal of the in ship pow er station
Y uan , Y ANG G uo -hao , W ANG Heng , H UA Zheng -fang (Coll. of I nfo. E ngin. ,Jimei U niversity , Xiamen 361021, China Abstract :Thebasic requirement and principle for auto -parallel signal testing ,realization of automatic parallel condition are discussed.
K ey w ords :shippower station ; auto -parallel condition ; signal testing 0 前 言
方式。随着船舶电站自动化程度的不断提高和微机控制技术的不断普及, 以微型计算机为核心的先进数字控制的自动并车装置已显示出其独特的优越性。
所研制的自动并车装置采用FX2N 可编程序控制器(简称P LC 为核心, 具有结构简单、可靠性高、编程方便、控制灵活等特点。并车装置的信号检测被作为实现自动并车的重点研究课题。1 自动并车信号检测的原理
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2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(简称待并机 起动后并入电网并联发电, 即采用二台或二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(简称自动并车 是船舶电站自动化的主要功能之一
。自动并车装置通常采用模拟控制或数字控制
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[1]:
(1 待并机和在网机电压一致; (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,
收稿日期:2001-01-03 第3期
解 源等:船舶电站自动并车装置信号检测原理与实现 43
中断全船供电。下面分别对电压、频率、相位三个参数的自动检测进行论述。1. 1 电压信号检测
当频率差Δf 方向和大小不满足并车条件时, P LC 发出加/减速度控制信号, 调节原动机的转速,
从而改变发电机的频率使之满足频率并车条件。若出现频率异常时, 亦可发出报警信号。1. 3 相位信号检测
电压条件的满足是实现自动并车三个条件的首要条件。首先需要检测待并机是否建立电压, 并且要求待并机电压U F 达到电网额定电压U e 的85%以上, 允许合闸的电压差范围<15%Ue 。
取出在网机和待并机正弦波电压信号, 分别经变压器降压后整流、滤波变成直流信号U W 和U F , 再将U W 、U F 送入电压比较器进行比较, 然后将比较结果送至P LC 输入接口,P LC 条件不满足时, 发出升/, 调节调压器使之满足电压并车条件。若电压出现异常, 可发出报警信号。1. 2 频率信号检测
相位信号检测是实现自动并车的最后一个条件和难点。 , 尽可能的捕, 即合闸时刻。在此, , 以此来。
本装置采用恒定超前时间法获取合闸提前量, 先把各发电机组正弦波电压通过波形变换成相应的同频方波, 再对待并机和在网机的电压方波进行检测和计算, 并分别读取U F 、U W 上升沿对应的时间值, 由其时间差值t Z
即可换算出待并机与在网机电压正弦波的相位差, 如图1所示。
频率信号检测是实现自动并车的重要环节。首先对在网机频率f W 进行检测, 自动调整到50Hz 。再对待并机频率f F 进行检测, 鉴别频差Δf =f F -f W 方向及计算频差大小。当待并机频率f F 略高于在网机频率f W 时即Δf >0, 这样并车后就可以分担少量负载, 对并车成功有利。为避免出现Δf <0时的异常(逆功率 情况, 提高并联运行的稳定性, 按规范允许合闸频差范围在0. 1～0. 3Hz 。
频率检测的关键部件是与各发电机组同轴转动的光电编码器, 光电编码器随着发电机轴的转动输出个数正比于转速的脉冲信号, 把该脉冲信号送入P LC 高速计数器(即输入端口X000、X001 进行计
图1 超前时间获取
Fig. 1 Acquirement of beforeh and time
数, 即可检测出在网机和待并机的转速进而换算出频率值。
本装置选用LF -200BM -C24C 型光电编码器, 每转可发出高达2000个脉冲, 保证了频率检测与调节的快速性和精确度。如控制对象为50H z 、1500r/min 的同步发电机组, 在200ms 内(T =1/50s 对转速脉冲采样计数, 可推导出频率f 与计
设待并机和在网机电压周期分别为T F 、T W , 主开关固有动作时间为t K 。可由相关函数关系t Z =
[2]
t K (T W -T F /T F 确定唯一的理想合闸点t Z 。利用 10kH z 的高速环形计数器跟踪计算U F 相对于U W 的
相对位置, 不断将实测值t Z 与理想值相比较, 当差值非常小时发出合闸脉冲, 从而实现准确合闸。
经反复实验证明, 该合闸时刻最大相角误差θ|<10°|Δ, 完全满足了准同步并车的相位条件。本装置原理框图如图2所示。
数值N 关系为 f =N/200.
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图2 Fig. 2 Auto -
2 2. 1 (1 U F 、U W 信号取至电
异常时报警显示。子程序2—频率条件:检测P LC 输入端口频率信号f F 、f W , 进行频差方向和频差大小判断, 当条件满足时进入子程序3; 否则进行频率调节; 当频率异常进行报警显示。子程序3—相位条件:检测信号T F 、T W 和主开关固有动作时间, 按前述原理方法比较获取合闸提前量t Z , 并在适当时机发出合闸指令; 倘并车操作失效, 给出“并车失败”指示。3
结 论
压互感器, 经变压器降压、波形变换电路变为方波信号, 加至电压比较器进行二路信号比较, 比较结果送到P LC 输入端进行电压差判断与控制;
(2 用LF -200BM -C24C 型光电编码器与发电
机同轴安装, 光电编码器随发电机轴的转动输出个数正比于转速的脉冲信号(2000个脉冲/r , 将脉冲信号接至P LC 输入端口即高速计数器端口, 进行频差方向、大小鉴别与控制;
(3 利用高速环形计数器测量、计算合闸提前
在信号检测技术与P LC 控制技术有机结合的基础上研制成功的“一种新型船舶电站可编程序自动并车装置”, 通过厦门诚毅船务公司“育嘉”轮的实船使用, 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:
[1] 黄伦坤, 朱正鹏, 刘宗德. 船舶电站及其自动装置[M].北京:人 量, 从而进行合闸时刻的判别与实现; (4 P LC 输出接口分别接调压、调速控制继电 器, 实现机组的升/降压、加/减速控制; (5 P LC 合闸信号送至控制屏主开关的合闸线
圈实现合闸控制;
(6 设置机组运行指示、故障显示、并车失败报 警以及故障复位按钮。2. 2 程序设计的实现 民交通出版社,1994. 21-23.
[2] 杨国豪, 王恒, 华增芳, 等. P LC 船舶电站自动准同步并车装置 [J].航海技术,2000, (5 :49-51.
软件程序设计主要包含电压条件、频率条件、相位条件这三个子程序模块。 子程序1—电压条件:检测P LC 输入端口电压信号U F 、U W , 进行电压差计算和条件判断, 当条件满足时就进入子程序2; 否则进行电压调节; 当电压
作者简介:
解 源(1956- , 女, 河北省保定市人,1991～1992年在华中理工大学作访问学者,1993年晋升为副教授, 现任集美大学信息工程学院副院长并承担工程测试与自动控制方面的教学、科研工作。
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