柴油發電機組頻率不穩故障分析與解決

鄭齊清 劉太民

柴油發電機組頻率不穩故障分析與解決

鄭齊清 劉太民

柴油發電機組作為電力供應單元，廣泛運用于工業和民用領域。隨著科技進步，用電設備對電源輸出的穩定性提出更高的要求，生產實踐中應盡量避免因發電機組故障導致電力系統頻率波動甚至供電中斷。針對柴油發電機組運行時出現的頻率不穩故障現象，采用故障樹分析法建立起發電機組頻率不穩故障樹，對頻率不穩故障原因進行逐步分析，闡述故障快速查找與定位的方法，最終確定故障點，并通過調試將故障排除。

柴油發電機組；頻率不穩；故障分析；調試

柴油發電機組作為電力供應單元，要求其輸出電壓、頻率穩定在允許范圍內。實踐中出現頻率大幅波動的現象比較少見，引起柴油發電機組頻率不穩故障的因素眾多，難以快速定位故障點。本文以實際故障為例，著重分析故障原因，并結合試驗調試將故障排除，希望對同行機管人員準確、快速排除此類故障具有參考作用。

一、故障現象

四沖程柴油發電機組型號為JH30，柴油機型號為K4100D，電機型號為KHI30-14，額定轉速為1 500 r/min，額定功率為33 kW, 額定電壓為400 V，配置電子調速控制裝置?？蛰d運行時，機組出現頻率不穩故障，頻率指示表上顯示頻率波動范圍較大，柴油機各缸發功不均，有“游車”現象，加負載5 kW后，頻率指針波動劇烈，波動的范圍加大。

二、故障原因分析

根據發電機頻率與原動機轉速關系：

可知，發電機組工作頻率f與轉子轉速n和磁極對數p有關，發電機工作頻率的不穩定是由于柴油機轉速波動引起的。引起這種故障的因素有很多[1]，例如轉速傳感器測量失真、燃油中水分或空氣過多、燃油管路漏油或臟堵、噴嘴總成失效、油門調整不當、各缸噴油不均、燃油泵故障、電子調速器故障、柴油機運轉時震動厲害、負載波動太大等。解決故障的關鍵是從諸多可能情況中確定故障點，故障分析法是復雜機電系統中迅速查找并準確定位故障的最有效方法之一[2]。發電機組頻率不穩故障樹的建立如圖1所示。

圖1 發電機組頻率不穩故障樹

導致發電機組頻率不穩頂事件發生的可能故障模式有機械故障、控制系統故障與外部因素引起的故障。對于頂事件發生的判斷可依照由外到內、簡單到復雜的順序。從以上所述表現的癥狀進行分析：機組運行時震動不明顯，機組和安裝底座的螺栓沒有松動的現象，可以排除震動的原因；空載時，就有“游車”現象，突然加載或卸載的情況可以排除。對于不能確定的故障可能情況，需進行逐一分析與排除。

1.油路問題

柴油機系統中如果出現油路問題，會導致柴油機供油不暢燃燒不良，轉速下滑與波動。油路問題包括管路裂紋、油箱液位過低使燃油中混有空氣，油路中濾器阻塞，燃油管路漏油等導致管路供油不連續。根據檢查，燃油質量沒問題，油路中的濾器無臟堵，管路連接良好。

2.噴油泵引起的轉速不穩

柴油機各缸供油不均會使柴油機轉速出現波動。例如某缸噴油泵供油齒條卡阻，移動不靈活，各缸噴油泵供油量調整不當，噴油泵出油閥磨損嚴重、彈簧彈性失效等，這些都將導致各缸做功不均運行轉速不穩。

3.噴油器故障

柴油機長期運行過程中，燃油中的雜質會附著在針閥偶件上，引起噴油延遲與霧化不良，使噴油器噴油忽大忽小，柴油機運行不穩。

4.轉速傳感器測量失真

在柴油機的控制系統中，轉速是控制的一個基礎信號，此機型在齒輪旁邊安裝了磁電傳感器。如果柴油機傳感器松動或者長期運行在粉塵環境中，容易引起測量間隙發生變化，進而導致傳輸數據的失真。

5.調速控制系統故障

調速控制系統工作優良與否直接影響著柴油發電機的工作性能甚至使用壽命。如果使用中的電子調速器參數整定值出現漂移，將會嚴重影響柴油機的運行工況，需要對調速器的參數重新整定。

三、頻率不穩原因判定

故障原因判斷應從可能性大的、較容易檢修的地方入手，應避免盲目拆檢增加維修工作量。從以上故障原因分析，可將引起頻率不穩的原因分為柴油機問題和調速控制系統問題。一般情況下，柴油機原因導致故障的情況比較常見，而且大多機管人員對柴油機比較熟悉，可先從柴油機方面入手。

在排除油路問題的情況下，首先將噴油器拆下進行霧化試驗，發現霧化效果良好，可排除噴油器問題。為了減少維修工作量，筆者將整組噴油泵拆下換到另一臺工作性能良好的柴油發電機組上進行測試。試驗表明，該機組柴油機轉速穩定，電機發電頻率正常。到此，可將柴油機問題引起發電機組頻率不穩的原因排除，接下來對調速控制系統故障原因進行判定。

將傳感器拆下清潔后按安裝間隙要求裝復后，故障依然，可將轉速傳感器的因素排除；在發動機停機狀態，短接控制器1、2腳（如圖2所示），執行器應輸出最大油位，經檢查發現輸出電壓正常，最大供油量位置正確，電磁執行器與噴油泵齒條接合處沒有松動現象，可將執行器的因素排除；那么引起機組頻率不穩故障剩下一個原因了，就是電子調速器調整微分、增益調諧失靈。

圖2 電子調速器控制器

四、故障排除

現今柴油機調速裝置越來越多地采用電子調速器，電子調速器相比傳統機械式調速裝置有著諸多優點，其靈敏度高，響應速度快，并且動靜態精度更高[3]。一般情況下，出廠時電子調速器相關的參數都已設定好，如果參數產生漂移，柴油機工況就會發生變化，這時需要對電子調速器的參數重新調整。下面以此次故障為例，談談如何對相關參數進行調整及調整過程中應注意的地方。電子調速器主要技術參數見表1。電子調速器參數的調整是一項細致的工作，需要耐心對待。其調整的步驟可按下列順序進行。

表1 電子調速器主要技術參數①數據來源：《發動機電子調速器使用說明書》，云四達科技有限公司，2012。

1.轉速設定

怠速調節。啟動柴油機運行后，發現柴油機轉速稍偏離怠速值，重新調整低速設定電位器，將其調整到出廠設定值。調整的方法為：順時針調節增加轉速，逆時針調節降低轉速，直至達到所要求的怠速。然后撥動開關使柴油機從怠速升到高速運轉。觀察轉速表指示，比額定轉速值偏低，調整電位器使轉速達到額定轉速。調節時，順時針調節增加轉速，逆時針調節降低轉速。

在怠速和高速值設定后，要仔細觀察轉速的波動情況。調節過程中發現波動幅度超過±0.25%，需要進行穩定性調整將轉速調整到滿足要求。

2.穩定性調整

電子調速器與發電機構成轉速閉環控制系統，其穩定性取決于發電機轉動慣量、系統時間常數、發動機環節增益、調速器環節增益、擾動等因素。任何閉環控制系統穩定調節范圍，如果超出了如圖3所示的穩定域范圍，那么系統就不穩定了。

圖3 穩定域示意圖①數據來源：《發動機電子調速器使用說明書》，云四達科技有限公司，2012。

在穩定域示意圖3中，微分和增益在陰影區域時，發電機組才能穩定運行，如果小于低增益穩定線，柴油機將會低頻游車；越過高增益穩定線，柴油機將會高頻游車。在保證系統具有一定穩定余度的前提下，微分和增益應接近高增益穩定線，確保電子調速器具有優良的動穩態調速指標。

穩定性調整時，需要調節增益、微分（穩定）電位器。調整增益電位器可調節系統的靈敏度，獲得合適的瞬時響應速度，順時針旋轉增大，逆時針旋轉減??；微分電位器可調節系統的響應時間，獲得合適的瞬時響應速率，順時針旋轉增大，逆時針旋轉減小。

由于發電機為四缸的小功率柴油機，運行時頻率波動較大且快，于是先將微分調節置于低增益穩定線附近的位置，再將增益從中間位置開始逐漸增大至2點鐘方向，然后在穩定區域內調節穩定電位器，直至發電機穩定運行。當在加載運行時，需重新調節穩定電位器，如果不能滿足，則需適當降低增益，如此反復調節直至在穩定域內尋找到穩定的工作點，在此過程中，要根據機組是否出現快速不穩定的現象，適時調整狀態開關。

3.轉速動態指標調整

調速系統的動態指標包括瞬時調速率和穩定時間，當發電機組電子調速器達到電站調速指標時，通過突然卸載負載對微分、增益的精細調整，來尋找發電機組的最佳工作點。尋找該工作點時，先將微分置于低增益穩定線附近的位置，再順時針旋轉增益電位器至3點鐘方向，直到柴油機轉速出現高頻波動，然后逆時針旋轉電位器逐漸減小微分，直到柴油機穩定運行，調節過程中可結合柴油機運轉的聲音來判斷是否運行平穩。

4.穩態調速率調整

穩態調速率也稱速降，調速器的準確性與速降的值有關，速降值小準確性好。發電機組的穩態調速率通過轉速控制器上的速降電位器調節，順時針旋轉穩態調速率增大，反之減小。調節時，先將速降電位器設定在一個位置，然后分別觀察柴油機空載與負載時的轉速變化情況，根據其計算公式計算穩態調速率的值，如果沒有達到要求，根據其變化趨勢調節速降電位器，然后重復以上加載試驗，反復調節直到符合要求。值得注意的是每次速降調節后，速度調節需要重新進行。

五、小結

本文對柴油發電機組頻率不穩的故障原因進行了概括和分析，由于產生此類故障的因素很多，采用故障分析法進行逐層逐步分析與排除，最后將故障原因鎖定在電子調速器上。通過反復調試，最終發電機組在不同工況下能穩定運行。希望文中所述發電機組頻率不穩的診斷及電子調速器參數整定方法，對解決此類故障具有一定參考價值。

[1]徐學武.康明斯柴油發電機組頻率不穩故障分析及解決[J].設備管理與維修,2012(4):19-20.

[2]郭富源.故障樹理論在遠程診斷系統中的應用研究[D].大連:大連理工大學,2007.

[3]盧新湘,徐健良.電子調速器故障判斷與排除[J].移動電源與車輛,2008(2):40-44.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.09.008

鄭齊清（1985—），男，泉州師范學院航海學院，二管輪，碩士。

劉太民（1978—），男，泉州師范學院航海學院，輪機長。