柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制方法研究

陳路明 賈琦

摘要：為分析不同轉(zhuǎn)速控制方法對柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)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(diǎn)，給出預(yù)期的控制效果;而后基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，記錄不同控制方法下的工作點(diǎn)分布數(shù)據(jù)。通過對仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，為確定不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)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(guān)鍵詞：柴油發(fā)動機(jī);發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)速控制

Key words： diesel engine;generator;speed control

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

1? 背景意義

柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組是由柴油發(fā)動機(jī)經(jīng)過增速或減速裝置，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交流電或直流電的動力組合裝置。柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等特點(diǎn)，目前已在工業(yè)生產(chǎn)、重型車輛、大型船舶等領(lǐng)域得到應(yīng)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(jī)-發(fā)電機(jī)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(zhì)量。其中，柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制方式對其工作效果具有至關(guān)重要的作用。

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

2? 轉(zhuǎn)速控制方法理論分析

2.1 定轉(zhuǎn)速控制

定轉(zhuǎn)速控制就是將發(fā)動機(jī)限制運(yùn)行于某一恒定轉(zhuǎn)速，僅通過調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來滿足給定功率需求，保證負(fù)載的正常工作。從控制角度來講，由于發(fā)動機(jī)始終工作于某恒定轉(zhuǎn)速，不需要動態(tài)調(diào)速，因此功率響應(yīng)較為迅速，具有控制簡單、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。

某型號柴油發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線如圖1所示。

當(dāng)發(fā)動機(jī)需求功率變化范圍通常較大時(shí)，發(fā)動機(jī)通常工作于較寬的轉(zhuǎn)矩區(qū)間。該方法不能保證發(fā)動機(jī)處于最佳燃油消耗點(diǎn)，對發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)控制效果較差，使得發(fā)動機(jī)整體工作效率偏低;同時(shí)為滿足發(fā)動機(jī)輸出功率需求，其轉(zhuǎn)矩變化范圍將變得很寬，尤其當(dāng)發(fā)動機(jī)功率劇烈變化時(shí)，會導(dǎo)致較為劇烈的轉(zhuǎn)矩脈動，對發(fā)動機(jī)產(chǎn)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(shí)，發(fā)動機(jī)燃油消耗率最低點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)的集合，即最佳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速-功率曲線。

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

2.3 轉(zhuǎn)速滯環(huán)控制

轉(zhuǎn)速滯環(huán)控制是將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速分為若干區(qū)間，使得每個(gè)區(qū)間都兼顧一定的功率范圍，保證各區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性均較高。在每個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，發(fā)動機(jī)始終工作在一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)功率的有效跟蹤。轉(zhuǎn)速滯環(huán)劃分結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)發(fā)動機(jī)目標(biāo)功率未超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速區(qū)間功率覆蓋范圍時(shí)，通過調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩跟蹤功率變化;當(dāng)發(fā)動機(jī)目標(biāo)功率超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速區(qū)間功率覆蓋范圍時(shí)，通過控制發(fā)動機(jī)切換到新的恒定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)目標(biāo)功率的有效跟蹤;當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁切換。

3? 轉(zhuǎn)速控制方法仿真實(shí)驗(yàn)

由前文理論分析可知，定轉(zhuǎn)速控制具有諸多不足，表現(xiàn)為控制靈活性較差、工況適應(yīng)面窄等，在實(shí)際應(yīng)用中越來越少，因此僅對后兩種方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

在MATLAB/Simlink構(gòu)建柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)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(jié)果如圖4所示。隨著功率需求的不斷變化，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷進(jìn)行調(diào)整，其轉(zhuǎn)速和功率點(diǎn)大致分布在最佳燃油消耗曲線附近。

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

4? 結(jié)論

本文圍繞柴油發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)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(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。最終結(jié)果表明，最佳燃油消耗曲線跟蹤控制方法和轉(zhuǎn)速滯環(huán)控制方法均能夠考慮油耗因素，且功率和轉(zhuǎn)速分布區(qū)間廣泛，相較定轉(zhuǎn)速控制方法控制效果提升顯著。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)轉(zhuǎn)速變化的指標(biāo)要求，優(yōu)先選用后兩種轉(zhuǎn)速控制方法。

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