西門子——康明斯柴油發(fā)電機組繼電器自動化控制系統(tǒng)
頁面更新時間：2016-02-28 09:01
西門子柴油發(fā)電機組，按照所配柴油機系列的不同，可以分為西門子-康明斯機組、西門子-道依茨機組、西門子-曼海姆機組、西門子-MTU機組、西門子-135機組和西門子-190機組等。按功能或用途分為自起動式、自動化(無人值守)式、遠程遙控式、車載移動電站或拖車電站、熱交換式(開式冷卻循環(huán))、船用、機車用或特種需求的柴油發(fā)電機組。其中西門子-康明斯發(fā)電機組為二級自動化發(fā)電機組，按功率分為200kW、250kW、300kW、500kW、600kW等幾種發(fā)電機組，只能單機運行，可實現(xiàn)市電停電時，機組自動起動、自動調速、自動合閘供電以及市電恢復后自動切換和停機。發(fā)電機組除具有機油低壓、冷卻水溫高、超速等故障自動停機外，還具有欠電壓、過電流、短路等自動分閘保護功能。
l.柴油發(fā)電機組的組成
發(fā)電機組由柴油機、發(fā)電機、控制屏、市電開關屏、自動控制裝置、自動充電裝置及電源供給等部件組成。該機組所用柴油機由重慶康明斯發(fā)動機公司生產，配套的西門子lFC5、lFC6系列發(fā)電機由無錫海星電機廠生產。機組的額定電壓為400/230V、頻率為50Hz、功率因素為0.8滯后，標定轉速為1500r/min。
2.柴油發(fā)電機組的特點
(1)康明斯柴油機的特點如下:
l)柴油機采用獨特的PT燃油系統(tǒng)，配備電子調速器控制怠速和全速，不用伺服電動機，調速控制非常方便。
2)配有的機油、冷卻水加熱器，不預先泵機油即可自動起動，起動后可立即帶負載。
3)具有完善的保護功能。當柴油機出現(xiàn)超速、水溫過高、機油壓力過低等情況能自動停機保護。
4)起動性能好。
(2)西門子IFC5、lFC6系列無刷發(fā)電機的特點如下:
1)電氣性能優(yōu)良、質量穩(wěn)定、起勵建立電壓快。
2)AVR調節(jié)靈敏，可使發(fā)電機調壓率在士0•5攏以內，即使在無人值守時，若負載發(fā)生變化，不會引起電壓明顯變化，無需進行人工調整。
3)長期不用時，無需充磁就能發(fā)電。
(3)發(fā)電機主控屏的特點如下:
發(fā)電機自動控制裝置安裝在主控屏中。繼電器式自控裝置控制發(fā)電機組的起動、運行、供電以及故障保護等�？刂破恋奶攸c是:
1)可靠地進行自動合閘、分閘操作。
2)進行欠電壓、短路或過載自動保護。
(4)副控屏也就是市電開關屏，用于市電檢測、市電與發(fā)電機組的自動切換。該屏還向柴油機加熱器提供交流電源。
(5)蓄電池自動充電。自動化機組的蓄電池一般采用浮充方式。其中，起動蓄電池為24V、180A•h;自控裝置專用蓄電池為24V、75A•h。
中等功率柴油發(fā)電機組技術性能見表1。
表1中等功率柴油發(fā)電機組技術性能
3.柴油發(fā)電機組的控制程序
(1)市電供電:為了便于發(fā)電機組自動起動和自動控制，市電在供電的同時，要經副控屏和充電裝置對起動蓄電池和自控裝置蓄電池充電，并向柴油機加熱器供電，以保持冷卻水溫度。
(2)市電停電:當市電瞬時停電(時間不超過0.5s)時，發(fā)電機組不會起動。市電恢復后仍由市電供電。
當市電停電時間超過0.5s時，經延時后，副控屏主開關欠電壓脫扣，其常閉觸點閉合，給發(fā)電機組提供起動信號，接通發(fā)電機組起動電路，發(fā)電機組在305內自行起動。若起動成功，則先以600-650r/min怠速運行后，再加速到標定轉速，待發(fā)電機電壓建立，延時3s,電壓和頻率穩(wěn)定并使主控屏的主開關儲能完畢，即發(fā)出合閘信號，主開關合閘向負載供電。
若發(fā)電機組第l次自起動失敗，延時間隔85后再次起動，如果成功則按上述程序起動，對負載供電。如果經過三次8，間隔起動仍失敗，發(fā)出聲光報警信號，值機人員起動其他備用機組供電，并檢查排除原機組的故障。
市電恢復供電，經延時20min判斷確認，發(fā)電機組主控屏主開關分閘，機組由全速轉向怠速運行1.5~3min后停機，轉為準備狀態(tài)。同時副控屏主開關合閘，由市電向負載供電。西門子-康明斯柴油發(fā)電機組自動化控制流程框圖如圖1所示。
圖1柴油發(fā)電機組自動化控制流程框圖
4.發(fā)電機組主控屏電路的原理
西門子-康明斯柴油發(fā)電機組自動化主控屏電路圖如圖2所示。
圖2西門子-康明斯柴油發(fā)電機組自動化主控屏電路圖
正常供電時，主控屏監(jiān)測發(fā)電機輸出的電壓、電流、頻率、功率及功率因數(shù)等參數(shù);發(fā)電機組運行時，若出現(xiàn)過載、短路、欠電壓等異常情況，能進行有效的保護。
(1)主控屏的結構:主控屏裝有斷路器，是主控屏的主開關。它的瞬時動作電流是發(fā)電機額定電流的2.8~3倍，作發(fā)電機短路保護，并通過屏中電流互感器和過電流繼電器，其瞬動電流也整定在額定電流的2.8一3倍，作過載保護。在主開關內，還有欠電壓脫扣器對發(fā)電機進行欠電壓保護。在主控屏的面板上裝有廣角Z系列儀表，用來測量電壓、電流、頻率、功率因數(shù)和功率。通過轉換開關可分別測量各線電壓。此外，屏中還裝有三只轉換開關，其一是柴油機加熱器電源轉換開關，以控制電源接通和斷開;其二是自動和手動轉換;其三是試機和應急轉換，通常置于"應急"位置。屏中裝有兩只電位器，一只電位器WX，用來控制發(fā)電機輸出電壓的大小，能使發(fā)電機電壓在額定值士5范圍內進行調節(jié)；另一只電位器WX，用來控制蓄電池充電電流的大小。主控屏的上部裝有指示燈，主開關合閘信號燈HD(紅);主開關分閘信號燈LD(綠);自起動投人指示燈XD2(黃)；自起動失敗指示燈XD，(白)。自動控制裝置板和蓄電池浮充電整流器均裝在主控屏內。
(2)主控屏主電路原理:當市電停電時，副控屏主開關ZKS分閘，其常閉觸點ZKS，閉合，為主控屏的主開關ZKF合閘作準備。發(fā)電機組自起動成功，正常發(fā)電，主開關分閘指示燈LD(綠)亮，表示主開關未合閘。
1)主開關合閘電路原理:發(fā)電機組自起動成功，發(fā)電機工常發(fā)電，并經整流二極管Z1、Z2對電容C1、C2進行充電，其電路為電流從U端葉lRD1+ZKS2+QA+J9-1(常閉)→Z1、Z2→R→J(3、4)→C1、C2→J(5、6)→lRD2→V端。
同時，自動控制裝置內，自合閘延時繼電器SJ5延時3s(BKZ一5OOK型為5s)，其觸點SJ5閉合，主鈕、主開關也不會重復動作。人工合閘掀下合閘按鈕QA即可。由于按下QA按鈕，QA(6、7)觸點代替J9-2常開觸點的閉合，中間繼電器J動作，因此，主開關進行人工合閘。
2)主開關分閘電路:當市電恢復供電時，副控屏內時間繼電器SJ，經20min判斷確認，SJ繼電器動作，其常開觸點閉合(自動控制裝置內)，市電恢復供電執(zhí)行主控屏分斷信號繼電器J12得電吸合(交流220V)，其常開觸點閉合，分閘脫扣器線圈FL得電吸合，使主開關ZKF脫鉤跳閘。
如果自動分閘電路有故障，可進行人工分閘，即按下分閘按鈕TA，其TA觸點閉合代替Jl2觸點的閉合，使分閘脫扣器線圈FL得電吸合，主開關ZKF分閘。
開關執(zhí)行合閘繼電器J9動作，J9-1斷開，J9-2閉合，由于電容器C1、C2已充電完畢，因此，C1、C2經J9-2觸點對中間繼電器J進行放電，其電路為:電容C1、C2(十)→J9-2(已閉合)→ZKF2(常閉)→J→C1、C2(一)。
中間繼電器J得電動作，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開，并完成自保。常開觸點J(7、8)接通單相橋式整流電路電源，常開觸點J(9、10)、J(11、12)接通電磁鐵線圈CT電路，CT得電吸合，鐵心吸上，開關儲能。電容C1、C2經0.l一0.2s后，放電完畢，中間繼電器J失電釋放復原，電磁鐵CT失電，ZKF主開關合上，完成全部動作。輔助觸點KZF，閉合，合閘信號燈HD(紅)亮，分閘信號燈LD(綠)滅，同時由于常閉的聯(lián)鎖觸點KZF2斷開，切斷中間繼電器J的電路，即使誤按QA按鈕，主開關也不會重復動作。
(3)測量電路:包括對電壓、負載電流、頻率、三相有功功率和功率因數(shù)cos∮的測量。
1)電壓測量:發(fā)電機輸出的電壓通過(1一2)YH(380/100V)電壓互感器和1HK電壓轉換開關可測量UAB、UBC和UCA線電壓。
2)負載電流的測量:發(fā)電機輸出的電流通過(4~6)HL(600/5A)電流互感器和Al、A2、A3三只電流表(0~600A)可分別測量三相負載電流。
3)頻率的測量:該屏頻率表的額定電壓為100V，量程為45一55Hz，因此頻率表并聯(lián)在電壓互感器二次側兩端。
4)三相有功功率的測量:發(fā)電機輸出的三相有功功率是通過三相有功功率表(千瓦表)來測量。主控屏安裝的功率表為40OkW、lOOV/5A，2個電流線圈分別串接在A相和C相4HL和6HL電流互感器二次側之中。2個電壓線圈并聯(lián)在(1~2)YH電壓互感器二次側兩端。
5)功率因數(shù)cos∮的測量:發(fā)電機的功率因數(shù)cos∮，通過三相功率因數(shù)表進行測量。該屏安裝的功率表為lOOV/5A，因此，cos∮表串接在A相4HL電流互感器二次電路中。
(4)保護電路:由于主控屏裝設的自動空氣開關DWXl5--630(2OOkW、30OkW發(fā)電機組)或Dl5--1000(500kW發(fā)電機組)，內裝有分閘脫扣器和欠電壓脫扣器，其過電流瞬動保護為發(fā)電機組額定電流的2.8~3倍，因此它具有過載、短路和欠電壓保護的功能。
1)過電流保護電路:該屏主電路中裝有帶電流互感器的熱繼電器。當發(fā)電機輸出電流過電流時，主雙金屬片因過熱而彎曲，推動導板，并通過溫度補償片和推桿，使動觸點與靜觸點閉合，接通中間繼電器ZJ2電路，ZJ2得電吸合，其常開觸點閉合，接通分閘脫扣器電路，分閘脫扣器線圈通電吸合，使主開關分閘進行保護，其控制過程為發(fā)電機過電流，熱繼電器JR動作→JR觸點閉合→中間繼電器ZJ2動作→ZJ2觸點閉合→分閘脫扣器FL得電吸合。
分閘脫扣器FL電路為發(fā)電機U端→LRD1→ZKS2(副屏主開關)→ZJ2→FL→ZKF2(主屏主開關合閘閉合)→地(N)。
2)短路保護電路:當發(fā)電機出現(xiàn)短路時，通過主電路中的3個電流互感器lHL~3HL和3個過電流繼電器lLJ~3LJ來進行保護。在三相電路申，其中有一相出現(xiàn)短路過電流時，過電流繼電器均會動作，其常開觸點lLJ~3LJ均閉合，接通申間繼中器ZJ2動作，主開關分閘的控制過程如前所述。
3)欠電壓保護電路:主開關內的欠電壓脫扣器線圈Q并聯(lián)在A、B兩相之間。發(fā)電機輸出電壓正常時，線圈Q得電產生的電磁吸力大于彈簧的拉力，主開關處于合閘狀態(tài)。
當發(fā)電機電壓下降到欠電壓保護整定值時，其電磁吸力小于彈簧拉力，沖擊桿抬起撞在搭鉤上，使鉤桿脫開，自動開關在斷路彈簧作用下自動跳開分閘。
(5)浮充電硅整流器:浮充電硅整流器BKZ，裝在主控屏內。它是單相橋式整流器，對柴油機起動蓄電池(24V、l80A•h)和自控裝置專用蓄電池(24V、75A•h)進行浮充。市電供電正常時，市電380V交流電源，從副控屏送來，通過浮充電整流器對24V、18OAh和24V、75Ah兩級蓄電池進行浮充，為了防止柴油機起動時，對自控裝置專用電源電壓穩(wěn)定的影響，兩者之間用隔離二極管進行隔離。
(6)自動控制裝置:自動控制裝置是自動化機組的控制核心，也裝在主控屏內，機組所有動作均由該裝置進行控制。
5.副控屏電路的原理
副控屏的作用是對市電供電進行監(jiān)測和控制。雖然它的功率較大，但不允許過載運行以免跳閘。西門子-康明斯柴油發(fā)電機組自動化副控屏電路圖，如圖3所示。
(1)副控屏的結構:副控屏主電路也裝有自動空氣開關是副控屏的主開關ZKS，其型號與主控屏相同。在副控屏的面板上裝有電壓表、電流表、功率表、功率因數(shù)表和電度表，用來測量市電的線電壓、線電流、功率、功率因數(shù)和用電量。在面板的上方裝有主開關分閘指示燈LD(綠)和合閘指示燈HD(紅)，以表示主開關的狀態(tài)。市電恢復供電確認的時間繼電器SJ，裝于屏內，時間在2Omin內可調。
(2)副控屏主電路原理:副控屏主電路自動空氣開關ZKS，其結構與主控屏ZKF相同，因此它的自動合閘和人工合閘電路也基本相同，只是合閘和分閘繼電器不同，下面對其進行分析。
圖3西門子-康明斯柴油發(fā)電機組自動化副控屏電路圖
l)主開關分閘電路原理:當市電停電時，主開關ZKS欠電壓線圈失電釋放，在彈簧拉力的作用下，主開關自動分閘。
按下分閘按鈕TA，分閘脫扣器線圈FL得電，即可進行人工分閘。
2)主開關合閘電路原理:當市電恢復供電時，副控屏時間繼電器SJ，20min確認主控屏主開關ZKF分閘，常閉觸點ZKF2閉合，延時繼電器SJ6延時，主開關AJS電路，電容C1、C2充電，主開關儲能，SJ6延時2s，其常開觸點SJ6閉合，主開關執(zhí)行繼電器得電動作，其常閉觸AJ10-2斷開，切斷C1、C2的充電電路，常開觸點J10-2閉合，電容C1、C2經J10-2和ZJ(市電恢復ZJ繼電器已動作)接點對中間繼電器J放電，J繼電器得電動作，合閘線圈CT得電吸合，主開關自動合閘，恢復市電供電。
人工合閘時，只需按下合閘按鈕QA，即可合閘。
(3)測量電路:市電電壓、電流和功率因數(shù)的測量電路與主控屏測量電路基本相同，不再重述。該屏還裝有感應式三相電度表儀表，其結構基本上與單相電度表相同，它有二組(三線)或三組(四線)電壓、電流線圈分別繞在鐵心上和可轉動的鋁盤上。由于電壓線圈與電流線圈所產生兩個相位不同的磁通形成移進磁場，這個磁場在鋁盤上感應渦流，渦流與磁通作用的結果，使鋁盤產生一定方向的轉動力矩，勻速成轉動，通過鋁盤軸上的蝸桿帶動積算器。鋁盤的轉矩正比于電壓、電流及它們相角差的余弦的乘積，因此，積算器的讀數(shù)就是三相電路中消耗的三相有功電能。
(4)保護電路:副控屏的過載、短路和欠電壓保護電路與主控屏相同。
6.柴油發(fā)電機組自動控制電路的原理
西門子-康明斯柴油發(fā)電機組自動控制屬于全繼電器控制式電路，如圖4所示。
(1)發(fā)電機組正常自起動控制電路:當市電停電時，市電失電，副控屏主開關ZKS分閘，其常閉觸點ZKS3閉合，接通市電失電信號繼電器J8電路，J8動作，其常開觸點J8-1閉合，接通控制J2、J6繼電器的起動繼電器J3電路，J3動作，其J3-1常開觸點閉合接通電動機起動繼電器J，電路，J2常開觸點閉合，接通起動電動機電路，同時J8-2常開觸點也閉合，電源對電容器C2充電，短接油壓低報警繼電器J6。同時，J8-2的常開觸點也閉合，接通柴油機起動電源繼電器(電磁閥)J5電路，J5動作，其常開觸點閉合，接通起動電路，柴油機自行起動。
柴油機起動成功，電子調速器的速度觸點SDJ閉合，接通起動成功信號繼電器J7電路，J7動作，其J7-1常閉觸點斷開，切斷柴油機起動控制電路；J7-2常開觸點閉合，接通延時繼電器SJ4(0.1s)、SJ5(3~5s)電路，當相應的時限到，SJ4、SJ5相繼動作，常開的SJ5觸點閉合，接通主控屏執(zhí)行合閘繼電器J9電路，J9動作，J9-1常閉觸點斷開，切斷主控屏主開關ZKF，C1、C2儲能電容器充電電路；J9-2常開觸點閉合，接通主控屏C1、C2放電電路，中間繼電器J電路，J得電吸合，主開關ZKF的合閘線圈CT得電吸合，主開關ZKF合閘，發(fā)電機對負載供電。
(2)發(fā)電機組自起動不成功控制電路:當柴油機自起動在3s時限起動不成功時，起動時間繼電器SJ3動作，其常開觸點閉合，24V電源開始對電容器C1充電，C2充電到一定電壓，起動/暫控制繼電器J4吸合，其觸點J4-1動作，切斷起動時間繼電器刨，電路，并接通J4-2繼電器自保電路；觸點J4-2動作接通起動間歇繼電器SJ2電路，延時8s，SJ2動作，其常閉觸點SJ2斷開，切斷J4繼電器電路，J4繼電器失電釋放，J4-1、J4-2，復原，起動時間繼電器SJ3和控制J2、J6繼電器起動的J3繼電器重新得電吸合，其常開觸點J3-1、J3-2閉合，接通起動電動機J2繼電器電路，J2再次得電吸合，控制柴油機再次自起動，如果起動成功，其控制過程同一次起動成功的控制過程相同。若第2次起動仍不成功，間隔8s之后，還可再自起動一次，控制過程同上。
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