柴油發(fā)動機-發(fā)電機組轉速控制方法研究

陳路明 賈琦

摘要：為分析不同轉速控制方法對柴油發(fā)動機-發(fā)電機組的作用效果的影響，本文選取三種具有代表性的控制方法，首先從理論層面分析各自工作特點，給出預期的控制效果;而后基于MATLAB/Simulink軟件進行仿真實驗，記錄不同控制方法下的工作點分布數據。通過對仿真實驗數據進行分析，進一步驗證了理論分析結果，為確定不同負載下的轉速控制方法提供了理論支撐。

Abstract： To analyze the influence of different speed control methods on the effect of diesel engine-generator sets， this paper selects three representative control methods. Firstly， their working characteristics are analyzed from the theoretical level and the expected control effects are given. And then， based on MATLAB/Simulink， several simulation experiments are conducted and the distribution data of operating points is recorded under different control methods. Through the analysis of the simulation experiment data， the theoretical analysis results are further verified， and the theoretical support is provided for determining the speed control method for different loads.

關鍵詞：柴油發(fā)動機;發(fā)電機;轉速控制

Key words： diesel engine;generator;speed control

中圖分類號：TM314? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0034-02

1? 背景意義

柴油發(fā)動機-發(fā)電機組是由柴油發(fā)動機經過增速或減速裝置，帶動發(fā)電機旋轉產生交流電或直流電的動力組合裝置。柴油發(fā)動機-發(fā)電機組具有結構緊湊、功率密度高等特點，目前已在工業(yè)生產、重型車輛、大型船舶等領域得到應用廣泛，成為各類用電平臺中重要的電能生成裝置。因此，柴油發(fā)動機-發(fā)電機組的工作效果直接決定了電力系統(tǒng)的能量利用效率和供電質量。其中，柴油發(fā)動機-發(fā)電機組的轉速控制方式對其工作效果具有至關重要的作用。

根據轉速控制方法的不同，普遍采用的柴油發(fā)動機-發(fā)電機組的控制方式大致分為三種類型，分別為定轉速控制、最佳燃油消耗曲線跟蹤控制以及轉速滯環(huán)控制。不同的負載特性通常適用于不同的轉速控制方法，為深入分析不同轉速控制方法的工作特點，本文圍繞上述三種典型的轉速控制方法，分別進行理論分析和實驗驗證，最終給出不同轉速控制方法的適用條件。

2? 轉速控制方法理論分析

2.1 定轉速控制

定轉速控制就是將發(fā)動機限制運行于某一恒定轉速，僅通過調整發(fā)電機轉矩來滿足給定功率需求，保證負載的正常工作。從控制角度來講，由于發(fā)動機始終工作于某恒定轉速，不需要動態(tài)調速，因此功率響應較為迅速，具有控制簡單、實時性高等優(yōu)點。

某型號柴油發(fā)動機的萬有特性曲線如圖1所示。

當發(fā)動機需求功率變化范圍通常較大時，發(fā)動機通常工作于較寬的轉矩區(qū)間。該方法不能保證發(fā)動機處于最佳燃油消耗點，對發(fā)動機工作狀態(tài)控制效果較差，使得發(fā)動機整體工作效率偏低;同時為滿足發(fā)動機輸出功率需求，其轉矩變化范圍將變得很寬，尤其當發(fā)動機功率劇烈變化時，會導致較為劇烈的轉矩脈動，對發(fā)動機產生較為不利的影響。

2.2 最佳燃油消耗曲線跟蹤控制

最佳燃油消耗曲線跟蹤控制是指在給定輸出功率時，發(fā)動機燃油消耗率最低點對應的轉速點的集合，即最佳發(fā)動機轉速-功率曲線。

由萬有特型曲線可以得到某一功率對應不同轉速下的單位輸出功率的耗油量大小，可得發(fā)動機在該輸出功率時，最小燃油消耗所對應的發(fā)動機轉速。照此方法得到各功率等級所對應的發(fā)動機最佳轉速，表示結果如圖2所示。

2.3 轉速滯環(huán)控制

轉速滯環(huán)控制是將發(fā)動機的轉速分為若干區(qū)間，使得每個區(qū)間都兼顧一定的功率范圍，保證各區(qū)域的燃油經濟性均較高。在每個轉速區(qū)間，發(fā)動機始終工作在一個恒定的轉速點，通過調整發(fā)電機轉矩實現對目標功率的有效跟蹤。轉速滯環(huán)劃分結果如圖3所示。

當發(fā)動機目標功率未超過當前轉速區(qū)間功率覆蓋范圍時，通過調整發(fā)動機轉矩跟蹤功率變化;當發(fā)動機目標功率超過當前轉速區(qū)間功率覆蓋范圍時，通過控制發(fā)動機切換到新的恒定轉速，實現對發(fā)動機目標功率的有效跟蹤;當發(fā)動機在臨界功率附近劇烈變化的，通過增加功率滯環(huán)來避免發(fā)動機轉速的頻繁切換。

3? 轉速控制方法仿真實驗

由前文理論分析可知，定轉速控制具有諸多不足，表現為控制靈活性較差、工況適應面窄等，在實際應用中越來越少，因此僅對后兩種方法進行仿真實驗。

在MATLAB/Simlink構建柴油發(fā)動機-發(fā)電機組仿真模型，采用最佳燃油消耗曲線跟隨控制方式得到的仿真結果如圖4所示。隨著功率需求的不斷變化，發(fā)動機轉速不斷進行調整，其轉速和功率點大致分布在最佳燃油消耗曲線附近。

轉速滯環(huán)控制的仿真結果如圖5所示。隨著功率需求的不斷變化，發(fā)動機工作于若干不同的轉速點，其轉速和功率點大致分布在規(guī)定的發(fā)動機工作區(qū)間段。

4? 結論

本文圍繞柴油發(fā)動機-發(fā)電機組的轉速控制問題，首先從原理上對比分析了三種不同的控制方法，然后利用MATLAB/Simulink對后兩種方法進行了仿真實驗。最終結果表明，最佳燃油消耗曲線跟蹤控制方法和轉速滯環(huán)控制方法均能夠考慮油耗因素，且功率和轉速分布區(qū)間廣泛，相較定轉速控制方法控制效果提升顯著。在實際應用過程中，可根據轉速變化的指標要求，優(yōu)先選用后兩種轉速控制方法。

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