专利名称：一种船舶发电机并车控制装置的制作方法
技术领域：
一种船舶发电机并车控制装置技术领域[0001 ] 本实用新型涉及一种船舶发电机并车控制装置。
技术背景[0002]船舶电站通常由若干台三相交流同步发电机组成，根据船舶电力负载需求，由2 台或2台以上发电机并联运行。在待并发电机接入到船舶电网之前，需要对待并发电机 的相序、电压、频率、相位进行检测。当待并发电机的相序、电压、频率、相位与电网 的相序、电压、频率、相位一致时，方可进行同步合闸并车。但目前，船舶电站发电机 并车控制多为模拟式装置，对待并发电机的相序、电压、频率、相位进行信号检测，控 制待并发电机的输出波形与电网波形同步，实现待并发电机合闸并车。这种模拟式发电 机并车控制装置结构复杂，不易精确同步，一般只能进行发电机的准同步并车，即在相 序一致前提下，允许待并发电机与电网的电压、频率、相位在规定的偏差范围内进行合 闸并车。[0003]随着计算机技术、网络技术、信号实时处理技术的发展，船舶电站发电机的数 字同步控制成为可能。中国专利CN101047317公开了一种船舶电站发电机的数字同步 控制方法，通过对电网和待并发电机的电压信号整形后进行隔离形成方波信号，从而 计算出待并发电机的频率、频差、相位、相位差，实现发电机同步并车。其特点是把 指示与控制融于一体，嵌入在同步指示表内，主要用于船舶电站仿真系统。中国专利 CN101383515公开了一种石油钻机用的柴油发电机数字式并车装置，由并车控制集成系 统、断路器控制系统和功率限制单元等组成。由于采用了现有的国外集成产品，因此， 此专利并未说明这种数字式并车的技术方法。实用新型内容[0004]本实用新型提供一种船舶发电机并车控制装置及其并车方法，通过对输入的待 并发电机和电网的三相电压信号进行数字运算和处理以输出电压差、频差调节信号，相 序指示信号，以及待并发电机的合闸并车信号，实现对发电机与船舶电网的并车精确控 制的目的。[0005]为此，本实用新型采用如下技术方案[0006]一种船舶发电机并车控制装置，包括CPU和主板，其特征在于[0007]所述主板上设有六个独立的A/D转换端口，其中三个端口用于船舶电站(电网) 汇流排三相电压信号输入，另外三个端口用于待并发电机的三相电压信号输入；[0008]所述主板上设有六个输出继电器端口，其中两个端口分别外接待并发电机的 电压差调节继电器，当待并发电机电压幅值高于或低于电网电压时，相应的电压差调节 继电器动作，输出降压或升压信号；两个端口分别外接待并发电机的频率差调节继电 器，当待并发电机频率值高于或低于电网频率时，相应的频率差调节继电器动作，输出 降频或升频信号；一端口外接相序指示灯，当待并发电机的相序与电网相序不一致时，相序指示灯亮；一端口外接待并发电机的合闸继电器，当待并发电机满足并车条件后， 合闸继电器动作，输出并车合闸信号；[0009]所述主板上设有二个串行端口，其中一个串行端口用于连接发电机并车状态指 示与报警单元，另一个串行端口用于连接船舶电站控制系统，使本装置作为整个船舶电 站控制系统的一个组成部分。[0010]在船舶电站汇流排、待并发电机和主板上的A/D转换端口之间设有光电隔离 器，用于外部信号隔离，起到抗干扰作用。[0011 ] 所述发电机组并车状态指示与报警单元可以是LCD或LED显示屏，直接安装在 发电机并车控制屏的面板上，可以查看待并发电机组的并车状态数据。[0012]船舶三相交流发电机起动后，并入电网汇流排时须满足四个条件①待并发电 机与电网的相序一致；②待并发电机与电网的电压相等；③待并发电机与电网的初相角 相等；④待并发电机与电网的频率相等。上述条件的检测按如下方法进行[0013]1.相序检测[0014]输入并车控制器的汇流排电压信号和待并发电机电压信号经A/D转换后，各相 采样的数字量分别经过减法器相减得到各相差值，各相差值经过比较器比较，如果两两 相等，则说明待并发电机与电网的相序一致，允许并车，反之，如果不两两相等，则说 明待并发电机与电网的相序不一致，并且相序指示灯亮，发出报警信号，禁止并车。[0015]2.电压差检测和调整[0016]在待并发电机与电网的相序一致前提下，取其中任意一相电压，由一个周期的 采样值经过积分器，分别得到电网电压和待并发电机电压的有效值，再经过减法器，得 到电网电压和待并发电机电压的电压差。若该电压差小于零，则待并发电机电压幅值高 于电网电压，相应继电器动作，输出降压控制信号；若该电压差大于零，则待并发电机 电压幅值低于电网电压，相应继电器动作，输出升压控制信号；若该电压差等于零，则 待并发电机与电网的电压相等，满足并车条件。[0017]3.相位差检测[0018]在待并发电机与电网的电压有效值相等前提下，取其中一相电压取样，经过减 法器得到取样量的差值，再对一个周期的各次采样量的差值经过积分器积分，得到电压 差有效值；待并发电机与电网的电压有效值经过加法器得到二者之和；电压差有效值 和待并发电机与电网的电压有效值之和经过除法器，得到二者比值，再经过反正弦运算 器，得到相位差。若该相位差小于零，则待并发电机电压波形超前于电网；若该相位差 大于零，则待并发电机电压波形滞后于电网；若该相位差等于零，则待并发电机电压波 形与电网同相位，满足并车条件。[0019]4.频差检测和调整[0020]在待并发电机与电网的电压相等前提下，来自相位差检测单元的相位差检测量 与其经过一次采样延时器所得之量，经过减法器得到二者差分，再经过除法器，得到频 差。若该频差小于零，则待并发电机频率值高于电网频率，相应继电器动作，输出降频 控制信号；若该频差大于零，则待并发电机频率值低于电网频率，相应继电器动作，输 出升频控制信号；若该频差等于零，则待并发电机与电网的频率相等，满足并车条件。[0021]当待并发电机与电网的相序一致；待并发电机与电网的电压相等；待并发电机4与电网的初相角相等；待并发电机与电网的频率相等时，满足发电机合闸并车条件，待 并发电机合闸并车，投入电网运行，而当上述任一条件不成立时，禁止发电机合闸。[0022]本实用新型的船舶发电机并车控制装置将输入的待并发电机和电网的三相电压 信号，进行数字化处理和运算，实现了相序检测、电压差检测、相位差检测和频差检测 的数字化，通过输出电压差、频差调节信号，相序指示信号，以及待并发电机的合闸并 车信号，可以实现发电机与电网的同步并车。
[0023]图1是本实用新型的船舶发电机并车控制装置的电路结构图。[0024]图2是本实用新型的船舶发电机并车控制装置的运算框图。[0025]图3是本实用新型的船舶发电机并车控制装置的相序检测原理图。[0026]图4是本实用新型的船舶发电机并车控制装置的相位差检测原理图。
具体实施方式
[0027]为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面结合具体附图，进一步阐述本实用新型。[0028]图1所示为本实用新型的一种船舶发电机并车控制装置的电路结构图。如图所 示，并车控制装置是以CPU为核心的嵌入式控制器。CPU作为控制器的核心器件，可以 是386、486、或586芯片。为了达到实时数据处理要求，支持CPU运行的操作系统是可 剪裁的实时操作系统，可以是Linux、WinCE、VxWorks等。[0029]主板上包括有6个独立的将模拟量转换成数字量的端口 ADl AD6。其中端口 ADU AD2、AD3用于船舶电站汇流排三相电压信号输入，通过三相电压互感器1、三极 开关3将汇流排三相电压信号UlA、u1B、ulc输入。端口 AD4、AD5、AD6用于待并发 电机的三相电压信号输入，通过三相电压互感器2、三极开关4、机组选择开关5将待并 发电机的三相电压信号U2P u2B> u2C输入。在船舶电站汇流排、待并发电机和主板上的 A/D转换端口之间设有光电隔离器6，用于外部信号隔离，起到抗干扰作用。[0030]主板上的Hl H6端口是输出继电器端口，其中HI、H2端口外接待并发电机的 电压差调节继电器7、8，当待并发电机电压幅值高于电网电压时，继电器7动作，输出 降压信号；而当待并发电机电压幅值低于电网电压时，继电器8动作，输出升压信号。 H3、H4端口外接待并发电机的频率差调节继电器9、10，当待并发电机频率值高于电网 电频率时，继电器9动作，输出降频信号；而当待并发电机频率值低于电网频率时，继 电器10动作，输出升频信号。H5端口外接红色相序指示灯11，当待并发电机的相序与 电网相序不一致时，红色相序指示灯11亮，此时提醒运行人员停机，改接待并发电机的 三相相序，在相序不一致情况下禁止待并发电机并车合间。H6端口外接待并发电机的合 闸继电器12，当待并发电机满足并车条件后，合闸继电器12动作，输出并车合闸信号。[0031]主板上设二个RS-485串行端口，其中串行端口 13用于连接控制器的发电机并车 状态指示与报警单元15。此单元是LCD或LED显示屏，直接安装在发电机并车控制屏 的面板上，可以查看待并发电机的并车状态数据。串行端口 14用于连接船舶电站控制系 统，使发电机并车控制装置作为整个船舶电站控制系统的一个组成部分。[0032]船舶三相交流发电机起动后，并入电网汇流排时须满足四个条件①待并发电 机与电网的相序一致；②待并发电机与电网的电压相等；③待并发电机与电网的初相角 相等；④待并发电机与电网的频率相等。上述四个并车条件的检测是通过对输入并车控 制器的电网汇流排电压信号u1A、u1B、Uic^n待并发电机电压信号u2A、u2B> u2C的实时运 算而得到，其运算原理如图2所示。上述条件的检测和调整分别按如下方法进行[0033]①相序检测[0034]相序检测原理如图3所示，图3中的左图为相序一致的情况，任何时刻的电压差 幅值相等，AUA=AUB=AUe。而右图则为相序不一致时的情况，任何时刻的电压差 幅值不会全相等，AUa^ AUb或AUb^ AUc或AUa^ AUc。[0035]待并发电机与电网的相序一致检测，如图2中的相序检测单元20所示。输入并 车控制器的汇流排电压信号u1A、u1B、ulc和待并发电机电压信号u2A、u2B、u2C经A/D转 换后，第 k 次采样的数字量为 U1A (k)、U1B (k)、Uic (k)和 U2A (k)、U2B (k)、U2c (k)。A、 B、C各相经过减法器21、22、23相减后，分别得到差值Aua(k)、AuB(k)、AuC(k)。 此差值经过比较器M比较后，如果Aua(k)、AuB(k)、AuC(k)两两相等，则说明待并 发电机与电网的相序一致，输出二值信号θ (k) =0，允许并车；反之，如果AuJkh AuB(k)、Aue(k)不两两相等，则说明待并发电机与电网的相序不一致，输出二值信号 θ (k) =1，并且相序指示灯11亮，发出报警信号，禁止并车。[0036]②电压差检测和调整[0037]待并发电机与电网的电压差检测，如图2中的电压差检测单元30所示。在待并 发电机与电网的相序一致(Θ (k)=0)前提下，取其中一相电压(如A相)Ul(k)*U2(k)， 由一个周期的采样值经过积分器31和32，分别得到电网电压和待并发电机电压的有效值 U1(Ic)和112决)。再经过减法器33，得到电压差AU(k)。若AU(k)<0，则待并发电 机电压幅值高于电网电压，继电器7动作，输出降压控制信号；若AU(k) >0，则待并 发电机电压幅值低于电网电压，继电器8动作，输出升压控制信号；若AU(k) =0，则 待并发电机与电网的电压相等，满足并车条件。[0038]③相位差检测[0039]相位差检测原理如图4所示。图4中的右图为电网与待并发电机的电压信号波 形图，左图为相量图。当U1 = U2 = U时，根据正弦定理，相位差Δ识可以从图4中左图的相量三角形得到[0040]Αφ = Isin1-^-2 U[0041]待并发电机与电网的相位差检测，如图2中的相位差检测单元40所示。其中一 相(Α相)电压Ul(k) *U2(k)，经过减法器41后，得到差值ud(k)，由一个周期的采样 值经过积分器42，得到其有效值Ud(k)。在待并发电机与电网的电压相等前提下U1(Ic) =U2 (k) = U (k)，因此来自电压差检测单元30的一相电压有效值U1 (k)和U2 (k)，经过 加法器43后得到2U(k)。Ud(k)和2U(k)经过除法器，得到Ud(k)/2U(k)，再经过反 正弦运算器45，得到相位差厶炉(幻。若Δ炉(众)<0，则待并发电机电压波形超前于电网；若 Δ炉(幻>0，则待并发电机电压波形滞后于电网；若Δ炉(幻=0，则待并发电机电压波形与电6网同相位，满足并车条件。[0042]④频差检测和调整[0043]频差检测原理是，根据所得到的相位差检测值Δφ，对其进行时间微分，由此得到频率差[0044]
权利要求1.一种船舶发电机并车控制装置，包括CPU和主板，其特征在于所述主板上设有六个独立的A/D转换端口，其中三个端口用于船舶电站汇流排(电 网)三相电压信号输入，另外三个端口用于待并发电机的三相电压信号输入；所述主板上设有六个输出继电器端口，其中两个端口分别外接待并发电机的电压 差调节继电器，当待并发电机电压幅值高于或低于电网电压时，相应的电压差调节继电 器动作，输出降压或升压信号；两个端口分别外接待并发电机的频率差调节继电器，当 待并发电机频率值高于或低于电网电频率时，相应的频率差调节继电器动作，输出降频 或升频信号；一端口外接相序指示灯，当待并发电机的相序与电网相序不一致时，相序 指示灯亮；一端口外接待并发电机的合闸继电器，当待并发电机满足并车条件后，合闸 继电器动作，输出并车合闸信号；所述主板上设有二个串行端口，其中一个串行端口用于连接发电机并车状态指示与 报警单元，另一个串行端口用于连接船舶电站控制系统，使发电机并车控制装置作为整 个船舶电站控制系统的一个组成部分。
2.根据权利要求1所述的船舶发电机并车控制装置，其特征在于，在船舶电站汇流 排、待并发电机和主板上的A/D转换端口之间设有光电隔离器。
3.根据权利要求1所述的船舶发电机并车控制装置，其特征在于，所述发电机并车状 态指示与报警单元是LCD或LED显示屏。
专利摘要本实用新型公开了一种船舶发电机并车控制装置，包括CPU和主板，所述主板上设有六个独立的A/D转换端口，其中三个端口用于船舶电站汇流排(电网)三相电压信号输入，另外三个端口用于待并发电机的三相电压信号输入；它将输入的待并发电机和电网的三相电压信号，进行数字化处理和运算，实现了相序检测、电压差检测、相位差检测和频差检测的数字化，通过输出电压差、频差调节信号，相序指示信号，以及待并发电机的合闸并车信号，调整待并发电机的相序，电压，相位和频率以实现发电机与电网的同步并车。
文档编号H02J3/38GK201813170SQ20102054730
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者牛王强, 葛中雄, 袁敏, 褚建新, 黄辉 申请人:上海海事大学