随水温自动调节散热风量柴油发电机组的设计

引言

由于用电需求的强劲增长和电力发展的滞后,当前供需矛盾突出,大功率发电机组作为应急备用电源,在电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦、通信基站等领域得到了广泛应用。随着机组功率的不断加大提升,风扇电机的功率也越来越大,机组的散热系统变得越来越重要。风扇水箱是风冷机组冷却系统的重要组成部分,更准确、更智能地控制风扇水箱散热风扇的风量,可以提升发电机组的整体性能,并达到节能的效果。

随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了越来越广泛的应用,变频器的量产化也大大降低了变频器的价格,提高了其性价比。为了保证发电机组的可靠散热,散热风扇在设计配用动力驱动时,会留有一定的富余量。发电机组正常使用时,并不会经常满载使用,此时就不需要散热风机继续全速运转来降低发电机组水温,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成了电能的浪费。当使用变频器调速时,就可以根据发电机组水温来实时改变散热风机的转速,使散热风机不必一直处于全速状态,能达到节能减排的效果。

1随水温自动调节散热风量柴油发电机组的信号采集变送方案

1.1柴油发电机组对水温的要求

机组节温器打开的水温值:83℃:

机组水温预警值:95℃:

机组水温报警停机值:98℃。

为保证柴油发电机组正常运行,机组水温不能太低也不宜过高,为维持水温在某一范围之内,暂设定当机组水温在80℃以下时,散热风扇转速为零:当机组水温达到92℃时,机组散热风扇也随之升至全速运行。

1.2机组水温的采集变送方案

首先,将机组水温温度模拟量信号通过vDo120℃电阻型温度传感器传送给机组控制装置,其信号曲线如图1所示。

然后,机组控制装置通过信号处理,将机组水温信号变送为4～20mA电流信号传输给变频器,电流信号4～20mA对应机组水温范围为80～92℃,其信号曲线如图2所示。

最后,变频器将接收到的4～20mA电流信号作为变频器的控制输入信号,对应控制散热风机电源频率在0～60Hz范围内变动,从而实现散热风机的转速从0到100%随机组水温变化而变化,其信号曲线图如图3所示。

2随水温自动调节散热风量柴油发电机组系统设计方案

2.1柴油发电机组随水温自动调节散热风量的流程

如图4所示,随机组水温自动调节散热风量的流程如下:

（1）发电机组启动运行,若有异常,则重新排查启动直至运行正常,此时机组控制装置检测到发电机组运行正常,则发送运行中信号给变频器,变频器切换至"RUN"状态。

（2）机组运行正常的同时,机组控制装置通过温度传感器检测发电机组的水温,若未达到预设启动散热风扇值,则继续检测:若达到预设启动散热风扇值,则变频器开始输出散热风机电源,散热风扇随之开始转动。

(3）若机组温度上升,机组控制装置输出给变频器的4～20mA电流信号增大,变频器输出电源频率、电压升高,散热风机转速加快,最终散热系统风量增大。

(4）若机组温度下降,机组控制装置输出给变频器的4～20mA电流信号减小,变频器输出电源频率、电压降低,散热风机转速减慢,最终散热系统风量减小。

2.2随机组水温自动调节散热风量的电气原理设计

随机组水温自动调节散热风量的电气控制部分主要由机组水温传感器、机组控制装置、空气开关、变频器、散热风扇组成。整体电气原理图设计如图5所示。变频器是该方案的核心部分,它是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据外部信号来调节电机需求电源,进而达到节能、调速的目的。另外,变频器还有很多保护功能,如过流、过压、过载保护等等。变频器选用的是台达VFD一C2000系列,本系列采用以F0C控制为核心的高效能变频驱动技术,具有多元化的驱动控制及模块化设计、丰富的产业应用功能及简易维修、低故障率的自我诊断特色,适用于大型风机、水泵、电梯起重行业等。

本设计的目的在于克服现有技术的不足之处,提供一种适用于大功率风冷机组冷却系统风扇水箱的散热风扇装置,应用信号采集、信号处理、信号转换、变频调速等核心技术消除传统机组散热系统中散热风机启停不受控制、散热风机开启后便全速运行、散热风机的转速不受机组温度控制等缺点。

随机组水温自动调节风量的散热风扇系统包括:机组水温传感器、机组控制装置、空气开关、变频器、散热风扇。散热系统的电源来源为发电机组的自发电,变频器的运行信号和频率设定信号均来自机组控制装置。机组水温通过温度传感器转换为电阻信号传输给机组控制装置,机组控制装置再将水温电阻信号转换成4～20mA模拟量信号发给变频器,变频器根据4～20mA信号调节散热风扇电机电源的电压,从而调节散热风机的转速,最终达到调节散热风扇风量的目的。

机组水温传感器能实现将机组冷却水温度值转化为电阻信号。机组控制装置能实现机组水温传感器电阻信号的采集、处理,转化为4～20mA电流模拟量信号发送至变频器,并对单台机组进行控制,检测机组电压、电流、转速、功率、油压、水温等数据,将机组运行中信号发送至变频器作为"RUN"运行触发信号。空气开关能实现散热系统电源隔离,并提供散热系统的短路保护。变频器通过接收机组控制装置发送过来的运行中信号,自动运行变频器,并根据机组控制装置处理转化而来的4～20mA电流模拟量信号,改变散热风机电源的频率和电压。变频器还可以实现散热风机的软启动,避免直接启动电流较大对散热风机造成损伤,并为散热风机提供过电压、缺相、过载、防反转等保护。

散热风扇随着变频器输出的风机电源频率和电压的改变而改变转速,为水箱散热系统提供合适大小的风量。本设计可通过对应不同功率的发电机组选择相应功率的散热风机和变频器,实现风冷发电机组的散热系统自启动及散热风扇随机组水温调节风量,具有可扩展性。

3结语

此次研发设计的随水温自动调节散热风量柴油发电机组主要是用作电力系统、智能大厦、通信基站等的应急备用电源。试验现场调试结果表明,机组各项性能指标均达到或优于设计标准。机组采用智能控制,实现了散热系统的自动化控制,提高了工作效率:机组水温信号的采集、传送及输出都是连续信号,使得散热风扇转速可以平缓连续地变化,避免了风扇转速突加、突减给风扇带来的损伤:采用变频调速技术实现了散热风机的软启动,避免了直接启动、启动电流较大对散热风机造成损伤:机组使用变频器给散热风机提供了诸多保护,如过电压、缺相、过载、防反转保护等等:避免了散热风机长期全速运行,节能效果明显,并且可以相应减少机组尾气的排放。与市场同类产品相比,该设计为散热风机提供了更全面的保护,且具有节能减排的特点,能可靠地为电力系统、智能大厦、通信基站等场合供电。