大功率柴油发电机组同步并车控制单元设计与应用

郑真福

（69026部队69分队，新疆 乌鲁木齐830092）

传统的柴油发电机组的并联纯粹依靠人工，不仅浪费时间，还浪费精力，而且有些人为的因素会对机组造成很大的危害，减少机组的使用寿命。同步并车控制器可以避免许多事故的发生，减轻操作人员的压力，所以对大功率柴油发电机组同步并车控制单元（以下简称自动同步器）的设计研究，具有很重要的意义。

1 柴油发动机组自动化并车的优势

传统的柴油发动机组并车大部分都是采用的手动准同期法，需要对发电机组的电压、相位以及频率等进行反复确认，最后在并车操作的时候，还要根据整步表指针的转动位置或者是灯光的明暗变化来进行，这样实行并车操作的时候往往会受到人们视力误差或者操作能力的影响，增加了并车操作的复杂性。采用柴油发动机组自动化并车，则可以对这些复杂因素进行明显的排除：（1）操作简便、动作准确，对手动操作中产生冲击电流的可能性进行了有效避免，大大的提高了系统的安全性；（2）还可以根据负载的不同，自动选择多台发电机组的投入以及退出，从而对油耗和机器运行成本进行了大大降低；（3）在进行多台机组并车的时候，一部分机器在运行，另一部分机器处于休息待命状态，一旦出现满功率以及故障信号的时候，处于待命状态的机器就会自动投入使用之中，从而增强了系统的可靠性。

2 自动同步器的功能

自动同步器主要应用于并网和机组自动并机，它的功能很强大，可以使公用电网或机组和两台或者两台以上的机组和机组之间的频率，实现相位准确快速调整，自动跟踪、同期合闸等功能。自动同步器通过调节待并机组的电子调速器后，能够缩小待并机组和主机组的相位差，可以进行精确的检测，当相位差的最小值在允许的范围内，可以同期合闸继电器的动作，发送并机合闸的信号，这时同步过程才算完成。自动同步器共具有五个功能：（1）可以补偿待并机组的相位；（2）提前角度设置同期合闸；（3）两路交流电压信号的相位不仅可以精确的检测出来，还可以合成其相位差；（4）可以调节自动同步的温度和速度；（5）通过自动调节待并机组的电子调速器，不仅可以自动同期合闸，还可以满足同期合闸的条件。

3 同步并车控制工作原理

并联断路器两侧的电源状态需满足四个条件，也就是系统两侧电源和待并侧之间的电压和频率相等、相位差为零、相序相同。这也是电网与发电机组，还有发电机组同步并联运行的条件。并网瞬间并联点由于电压差和频率差的存在，在一定程度上，它的两侧会出现有功功率和无功功率的交换，发电机组或者电网也会受到影响。与电压差和频率差相比，相位差在一定程度上会引起次同步谐振，伤害到发电机组，特别严重时还会损坏发电机。在一定的范围内，如果允许频率差和电压差，就会加速并网的过程，与此同时，并网的完成，需要一个相位差为“零”并且性能良好的自动同步并机控制器。

自动同步器使用PI控制理论，选择了模拟电路控制系统。它具有许多优点，例如它的电路相对来说比较成熟，其结构简单，瞬态性能也比较好。它的工作原理分为以下几个步骤：（1）当自动同步器收到同步投入的命令之后，需要检测电网和机组或者是两台待并机组的交流电压信号，发出校正模拟直流信号；（2）当信号被PI运算电路处理过后，并把它放到发动机电子调速控制器的并机端上，在这种情况下，两台待并机组或者电网的相位差会在短时间消失；（3）在相位差消失后，通过同步检测电路，可以根据同步后输出合闸的信号提示，把同步的过程完成。

自动同步器的电路组成包括对信号的取样、相位角补偿调节、隔离整形、相位角差合成电平信号、信号稳定度灵敏度的调节、合闸角调节、控制电调信号输出等，通过有效的组合，各个电路可以形成一个相对闭环控制系统，如图1所示。

图1 自动同步原理框图

4 抗干扰设计

自动同步器需要根据相位采样的两台电网或机组交流电压信号相位差进行同步处理。如果是由于外部环境的干扰，交流电压的信号就无法正确的采样，会使判断出现错误，从而对同步有很大的影响，损害到机组的安全。因此，自动同步器对抗干扰的设计要求较高。

在自动同步器的设计过程中，为了提高耐冲击能力和自动同步器的抗干扰，采集相位信号的方式，需使用光电耦合器采样，使光电得到隔离，隔离的高压达到2 kV才有效。为了避免出现雷击事故，在采样输入回路中，可以加入适度的压敏电阻。对于射频干扰的处理，可以在采样回路的过程中，运用金属外壳，加入整个模块和一定的磁珠。由于在输入信号端添加滤波器，从而导致相位出现误差，可以加入相位补偿电路来补偿，这样不仅可以提高并网的准确性，还可以提高它的可靠性。为了合闸出现零冲击，对于不同开关引起的合闸时间差，可以通过合闸角度的调整来消除。为了避免断开的瞬间和闭合时出现的电磁干扰影响到模块的内部，可以对输出继电器使用金属熔焊密封的方法，把线圈和触点放在里面，使用金属外壳，这样就和外部屏障隔离，防止干扰到模块内部的效果。在绘制印制电路板时，为了增强系统的抗干扰能力，要合理的布线，并且元器件的位置要正确摆放好，由于连接自动同步器和电子调速器的端子很容易被干扰，因此电缆线一定要全部屏蔽。又因为自动同步器会受电网或发电机产生的大量谐波干扰，则应在其外部加上AC滤波器。

5 电路的设计

5．1 使用频率相位信号合成电路

通过采样整形电路后，电网或发电机的频率相位信号形成两个矩形波信号，如果有一路信号出现反向的情况，通过频率相位信号合成电路，可以把两路的信号合成一路，形成一个和两个相位差成正比的电压信号。最终，电压信号输送至合闸超前角调节电路和调速控制电路。

5．2 整形电路和采样交换

由于电压波形中的杂波信号被阻容滤波电路吸收，电容和电阻进行第二次滤波后，把它输送给光电耦合器，当它在隔离之后形成矩形波信号时，发电机或者电网线压信号通过施密特触发器反向整形后，会形成方波信号。

5．3 控制电路的调速

按照两路电的频率相位差，通过柴油机电子调速器的控制，可以把两者的差值逐渐的缩小，使它们的相位可以相同，它的运算是由放大器组成积分和微分电路形成的，通过这种方式，自动同步器的调速控制，就能够巧妙地设置调节电子调速器的稳定性和灵敏性。

5．4 调节电路

合闸执行元件的不同，例如，交流接触器和自动断路器，它们从合闸线圈得电到主触点完全闭合过程中所用的时间也不同。为了合闸执行元件的准确性，以及用户在使用过程中可以适应不同的合闸元件，合闸超前角调节电路是理想的电路，这种电路可以达到0～20°提前角调节。它还可以使发动机的冲击力减小，也就是在合闸之前，通过提前0～20°相位角，使合闸执行元件在接受到合闸信号后，它的主触点同期时间和闭合时间能够相同。

5．5 确定电源和电路

电源作为自动同步器的一部分，它的主要任务是为各个电路提供工作能量，确保整个自动同步器具有可靠的稳定性，因此，电源部分的设计特别重要。但是为了能够正确的连接正极和电源地，在输入回路中加入二极管保护，如果线路接错，模块的内部电路也不会烧毁。对于稳压电源，需要使用多个稳压管组成稳压电路，同时，也应具有一些特点，例如抗干扰能力强、功耗低、电路的结构简单、输出电压稳定。为了确保稳压器的输出电压为＋10 V，输入电压范围在10～35 V之间，可以满足24 V和12 V铅蓄电池的应用。

5．6 同步检测输出电路

输出继电器和检测同步电路组成了同步检测输出电路。在输出继电器的选择上，应考虑DC5V线圈继电器，合闸信号要在检测各个条件都满足之后才能够准确发出。

6 结束语

自动同步并车控制器适合在事故或者特殊的条件下使用，因为它具有动作准确可靠、迅速，而且简单的优点，对合闸冲击的电流很小，在允许频差的范围内，第一个周期就可以进行合闸，可以很好地保护开关触点和发电机组。

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