1、第五章第五章 转速控制系统中的保护与限制环节转速控制系统中的保护与限制环节 转速控制系统中的保护与限制环节是系统的辅助环节。设转速控制系统中的保护与限制环节是系统的辅助环节。设置它们的主要原因是为了延长主机的使用寿命，提高主机的平置它们的主要原因是为了延长主机的使用寿命，提高主机的平均无故障工作时间（均无故障工作时间（MTBF）。）。保护与限制环节设立的依据是主机的保护与限制环节设立的依据是主机的安全操作规范安全操作规范。起动转速限制起动转速限制 临界转速限制临界转速限制 最大转速限制最大转速限制 手动转速限制手动转速限制 最小稳定转速限制最小稳定转速限制 负荷程序限制负荷程序限制 故障停车故
2、障停车 故障减速故障减速 加速度限制加速度限制 转距限制转距限制 扫气压力限制扫气压力限制 手动燃油限制手动燃油限制转速限制转速限制燃油限制燃油限制主机的保护与主机的保护与限制环节组成限制环节组成5.1 起动转速限制起动转速限制 螺旋桨的特性：在相同的主机转速下，船速越高，螺旋桨螺旋桨的特性：在相同的主机转速下，船速越高，螺旋桨转距越小，船速越低，螺旋桨转距越大。转距越小，船速越低，螺旋桨转距越大。船速高，意味着船舶阻力小，如：顺风、顺浪、空载，所船速高，意味着船舶阻力小，如：顺风、顺浪、空载，所以螺旋桨的转距小。以螺旋桨的转距小。船速低，意味着船舶阻力大，如：逆风、逆流、超载或遭船速低，意味
3、着船舶阻力大，如：逆风、逆流、超载或遭遇台风，所以螺旋桨的转距大。遇台风，所以螺旋桨的转距大。在船舶正常航行时，螺旋桨的转速等于主机额定转速，主在船舶正常航行时，螺旋桨的转速等于主机额定转速，主机产生额定转距，发出额定功率。机产生额定转距，发出额定功率。所以，螺旋桨转距所以，螺旋桨转距=主机轴输出转距。主机轴输出转距。限制主机起动转速的原因：限制主机起动转速的原因：如果船舶停止不动，而主机转速为额定值，那么转距就如果船舶停止不动，而主机转速为额定值，那么转距就要大大超过额定值，从而使主机功率大大超过额定功率，造成要大大超过额定值，从而使主机功率大大超过额定功率，造成主机过载。（例如船舶起航阶段
4、、船舶系泊试验期间）主机过载。（例如船舶起航阶段、船舶系泊试验期间）为了避免主机承受的热负荷过大，以及产生的热应力过为了避免主机承受的热负荷过大，以及产生的热应力过大。（主机从冷态情况下起动，机体温度还没有上来，如气缸大。（主机从冷态情况下起动，机体温度还没有上来，如气缸内温度突然加大，会造成主机的热负荷及热应力过大，从而损内温度突然加大，会造成主机的热负荷及热应力过大，从而损坏气缸及活塞）坏气缸及活塞）限制起动转速的方法：设置一个专供起动用的起动电位器，限制起动转速的方法：设置一个专供起动用的起动电位器，发送起动转速设定值。发送起动转速设定值。在主机的重复起动过程中，每次起动转速的设定值的整
5、定在主机的重复起动过程中，每次起动转速的设定值的整定方法也不同。方法也不同。目前，存在两种整定方法：目前，存在两种整定方法：每次起动时，由起动转速电位器发送的给定值相同，而每次起动时，由起动转速电位器发送的给定值相同，而起动结束的转速值不同。起动结束的转速值不同。例如：第一次起动结束转速整定在例如：第一次起动结束转速整定在50%的额定转速。的额定转速。第二次起动结束转速整定在第二次起动结束转速整定在55%的额定转速。的额定转速。逻辑电路逻辑电路+24V起动电位器起动电位器转速指令线转速指令线 第三次起动结束转速整定在第三次起动结束转速整定在60%的额定转速。的额定转速。这种整定方法的特点：这种
6、整定方法的特点：1、节省起动空气。、节省起动空气。(大多数情况下主机能一次起动成功大多数情况下主机能一次起动成功)2、有利于检查主机和起动系统是否有故障。、有利于检查主机和起动系统是否有故障。3、二、三次起动带有强迫性。、二、三次起动带有强迫性。每次起动结束的转速相同，而起动电位器的整定值不同。每次起动结束的转速相同，而起动电位器的整定值不同。第一次起动：轻起动。第一次起动：轻起动。第二次起动：正常起动。第二次起动：正常起动。第三次起动：重起动。第三次起动：重起动。图图6-2的符号及文字的说明：的符号及文字的说明：“起动空气延长起动空气延长”：当压缩空气停止工作以后，让主机仍：当压缩空气停止工
7、作以后，让主机仍维维持在起动油门下，稳定后再向调速电位器所对应的转速过渡。持在起动油门下，稳定后再向调速电位器所对应的转速过渡。该作用与前面所介绍的，先切除电磁阀，后对双稳态电位器复该作用与前面所介绍的，先切除电磁阀，后对双稳态电位器复位的做法完全相同。位的做法完全相同。RE：继电器。：继电器。A1、A2：同相放大器。（其作用是使逻辑电路与线性电路：同相放大器。（其作用是使逻辑电路与线性电路之间隔离）之间隔离）放大系数为放大系数为1的运放：起到隔离与提高带负载能力的作用。的运放：起到隔离与提高带负载能力的作用。图图5-1 5.2 临界转速限制临界转速限制 柴油机运行柴油机运行活塞上下往复运动活
8、塞上下往复运动主机振动主机振动船体振动。船体振动。当主机振动周期当主机振动周期=船体的固有振动周期时，就产生共振。船体的固有振动周期时，就产生共振。共振的后果会使得主机与船体遭到极大的破坏。共振的后果会使得主机与船体遭到极大的破坏。把引起主机与船体共振的转速叫做把引起主机与船体共振的转速叫做临界转速临界转速。临界转速还有一定的范围，这个范围统称为临界转速还有一定的范围，这个范围统称为临界转速区临界转速区。一般船舶的临界转速区，往往分布在一般船舶的临界转速区，往往分布在70%的额定转速附近，的额定转速附近，并且还会随着环境的变化而变化。并且还会随着环境的变化而变化。手动操纵手动操纵时的处理措施是
9、：在调油手柄上，有一块临界转时的处理措施是：在调油手柄上，有一块临界转速区的标记，轮机员在操车时绕过这一区域。速区的标记，轮机员在操车时绕过这一区域。自动操纵自动操纵时的处理措施则要依赖遥控系统实行临界转速区时的处理措施则要依赖遥控系统实行临界转速区的自动避让。的自动避让。临界转速区的避让方法共有四种：临界转速区的避让方法共有四种：限位在下限的方法限位在下限的方法 限位在上限的方法限位在上限的方法nHt100%70%65%临界转速区临界转速区避让后的指令避让后的指令转速指令转速指令nHt100%70%65%临界转速区临界转速区避让后的指令避让后的指令转速指令转速指令 将临界转速区分为高、低区将
10、临界转速区分为高、低区 转速上升和下降采用不同的避让方法转速上升和下降采用不同的避让方法nHt100%70%60%临界转速区临界转速区避让后的指令避让后的指令转速指令转速指令低区低区高区高区nHt100%70%65%临界转速区临界转速区避让后的指令避让后的指令转速指令转速指令 检测并发送临界转速信号的方法：检测并发送临界转速信号的方法：方法一：方法一：方法二：方法二：主机转速在临界转速区运转的原因可能有两条：主机转速在临界转速区运转的原因可能有两条：1）车令手柄进入临界转速区。）车令手柄进入临界转速区。2）由于负荷程序限制的作用。）由于负荷程序限制的作用。逻辑电路逻辑电路+24V临界转速临界转
11、速下限电位器下限电位器转速指令线转速指令线nHt100%70%临界转速区临界转速区nHt100%70%65%临界临界转速区转速区负荷限制曲线负荷限制曲线75%负荷负荷限制区限制区车令曲线车令曲线临界转速临界转速限制曲线限制曲线图图5-25.3 最大、最小及手动转速限制最大、最小及手动转速限制 一、最大转速限制一、最大转速限制 设置最大转速限制的目的就是要防止主机超速。设置最大转速限制的目的就是要防止主机超速。最大正车转速限制值为最大正车转速限制值为100%nH。最大倒车转速限制值为最大倒车转速限制值为6070%nH。(螺旋桨效率低螺旋桨效率低)紧急情况下，最大正车转速限制值可为紧急情况下，最大
12、正车转速限制值可为110%nH。指令发送线指令发送线正车正车nmax倒车倒车nmax手动限制手动限制nmin 二、手动转速限制二、手动转速限制 主机性能主机性能(燃油质量、燃烧质量、排烟温度、冷却水温度燃油质量、燃烧质量、排烟温度、冷却水温度)航行条件航行条件(海况、装载海况、装载)根据以上条件，由轮机长确定。根据以上条件，由轮机长确定。一般可调节范围：一般可调节范围：60100%nH。安装位置位于机控室操纵台面板上。安装位置位于机控室操纵台面板上。紧急情况下，可撤消该限制。紧急情况下，可撤消该限制。三、最小稳定转速限制三、最小稳定转速限制 主机转速高主机转速高喷油泵内的柱塞上升速度快喷油泵内
13、的柱塞上升速度快喷油压力高喷油压力高燃油雾化好燃油雾化好容易燃烧。容易燃烧。主机转速低主机转速低喷油泵内的柱塞上升速度慢喷油泵内的柱塞上升速度慢喷油压力低喷油压力低燃油雾化不好燃油雾化不好不易燃烧。再加上其它综合因素，如：压缩冲不易燃烧。再加上其它综合因素，如：压缩冲程中所形成的压力和温度不够等因素，可能导致主机停车。程中所形成的压力和温度不够等因素，可能导致主机停车。一般情况下，主机最小稳定转速的限制值为一般情况下，主机最小稳定转速的限制值为2025%nH。5.4 故障减速和故障停车故障减速和故障停车 故障减速和故障停车是主机遥控系统的两个保护环节。设故障减速和故障停车是主机遥控系统的两个保
14、护环节。设置的目的就是确保主机安全运转，免遭损坏。置的目的就是确保主机安全运转，免遭损坏。滑油压力低滑油压力低 凸轮轴滑油压力低凸轮轴滑油压力低 推力轴承高温推力轴承高温 超速超速 曲柄箱油雾浓度高曲柄箱油雾浓度高故障停车故障停车指令发送线指令发送线故障信号故障信号复位复位强迫运转强迫运转(Override)停车电磁阀停车电磁阀调速器停车调速器停车电磁阀电磁阀GSVt 滑油温度高滑油温度高 气缸和活塞冷却水温度高气缸和活塞冷却水温度高 排烟温度高排烟温度高 废气透平温度高废气透平温度高 废气锅炉故障废气锅炉故障 曲柄箱油雾浓度大曲柄箱油雾浓度大 故障减速电位器的设定值调节范围为：故障减速电位器
15、的设定值调节范围为：6080%nH 故障减速故障减速指令发送线指令发送线故障信号故障信号复位复位紧急操纵紧急操纵t“0”故障减速故障减速电位器电位器5.5 负荷程序限制负荷程序限制 燃烧室的组成：气缸套、活塞、气缸盖。燃烧室的组成：气缸套、活塞、气缸盖。组成燃烧室的受热部件会因主机的工作温度而升高。组成燃烧室的受热部件会因主机的工作温度而升高。为了避免温度过高：在气缸套外部、活塞和气缸盖内部设为了避免温度过高：在气缸套外部、活塞和气缸盖内部设有冷却水腔，用水冷却受热件。有冷却水腔，用水冷却受热件。热负荷：单位时间内通过单位冷却表面传出的热量。热负荷：单位时间内通过单位冷却表面传出的热量。热负荷
16、与传热件壁面两侧的温差成正比。热负荷与传热件壁面两侧的温差成正比。温差大温差大热负荷大热负荷大热应力大。热应力大。当热应力过大时，会造成金属材料表面疲劳，产生裂纹、当热应力过大时，会造成金属材料表面疲劳，产生裂纹、表面变形或出现桔皮现象。表面变形或出现桔皮现象。所以须对柴油机的热负荷进行限制。所以须对柴油机的热负荷进行限制。一、负荷程序限制器的功能一、负荷程序限制器的功能 什么情况下需要进行热负荷的限制？什么情况下需要进行热负荷的限制？并非任何时候都要限制！限制的原则是保证受热件的热应并非任何时候都要限制！限制的原则是保证受热件的热应力在安全范围之内。力在安全范围之内。限制的方法：限制的方法：
17、限制热负荷的手动措施：限制热负荷的手动措施：备车时，提前备车时，提前24个小时让滑油系统投入工作，因滑油的工个小时让滑油系统投入工作，因滑油的工作温度约为作温度约为6070度，起到暖机作用。度，起到暖机作用。人为控制主机的加速时间。在主机进入高速区后，通过观人为控制主机的加速时间。在主机进入高速区后，通过观察冷却水温度和滑油温度的变化，还要结合排烟温度的变化情察冷却水温度和滑油温度的变化，还要结合排烟温度的变化情况，来确定何时对主机的转速增加多少转。况，来确定何时对主机的转速增加多少转。100n%8040负荷负荷限制区限制区负荷非负荷非限制区限制区 负荷程序限制器的特点：负荷程序限制器的特点：
18、没有用专门的传感器来检测主机的热负荷。而是利用主机没有用专门的传感器来检测主机的热负荷。而是利用主机的转速来模拟热负荷的变化情况。的转速来模拟热负荷的变化情况。负荷程序限制器的限速范围：负荷程序限制器的限速范围：一般情况下：一般情况下：80100%nH。特殊情况下：特殊情况下：70100%nH。负荷程序限制不仅在加速过程中起作用，而且在减速和停车负荷程序限制不仅在加速过程中起作用，而且在减速和停车过程中同样起作用。（不同的初始值）过程中同样起作用。（不同的初始值）负荷程序限制器的原理框图：负荷程序限制器的原理框图：指令发送线指令发送线转速转速排烟温度高排烟温度高紧急操纵紧急操纵n图图5-3 负
19、荷程序限制器的功能：负荷程序限制器的功能：1）主机在）主机在70100%nH加速时，转速升高受限制，低于加速时，转速升高受限制，低于70%nH不受限制。不受限制。2）负荷程序限制器的限制值取决于主机受热部件壁面两侧）负荷程序限制器的限制值取决于主机受热部件壁面两侧温差在允许范围内时的温度。也就是说，取决于主机热负荷在温差在允许范围内时的温度。也就是说，取决于主机热负荷在允许范围内时的温度。（初始值问题存在的原因）允许范围内时的温度。（初始值问题存在的原因）3）主机从冷态加速到全速，约需时间）主机从冷态加速到全速，约需时间30min60min。二、负荷程序限制器的电路实例二、负荷程序限制器的电路
20、实例 比较器的输入输出关系：比较器的输入输出关系：nU热限热限70%100%微速微速 慢速慢速半速半速全速全速图图5-3图图5-45.6 加速度限制器加速度限制器 加速度限制器加速度限制器=分级发送器分级发送器=等速化处理单元等速化处理单元 对于转速控制系统来讲：对于转速控制系统来讲：转速指令转速指令U(t)稳态误差稳态误差ess 阶跃信号阶跃信号 0 热负荷不允许热负荷不允许 斜坡信号斜坡信号 常数常数 加速度信号加速度信号 不稳定不稳定 实际上，车令信号实际上，车令信号=阶跃阶跃+斜坡斜坡+加速度加速度+设置加速度限制器的原因：设置加速度限制器的原因：为了使系统稳定，同时还要考虑主机所能承
21、受的热负荷的为了使系统稳定，同时还要考虑主机所能承受的热负荷的影响，并且获得满意的调速性能，所以需要设置加速度限制器。影响，并且获得满意的调速性能，所以需要设置加速度限制器。加速度限制器的功能：加速度限制器的功能：滤去车令信号中的加速度和阶跃成分，输出速度信号。但滤去车令信号中的加速度和阶跃成分，输出速度信号。但是要求能根据主机的工况，用不同的速率发送。是要求能根据主机的工况，用不同的速率发送。一、计数器式加速度限制器一、计数器式加速度限制器 发送速度的改变发送速度的改变脉冲发送器频率的改变。脉冲发送器频率的改变。优点：全部采用电子元件，可靠性高，发送速率稳定。优点：全部采用电子元件，可靠性高
22、，发送速率稳定。缺点：使用电子元件数量较多，电路复杂，不利于维修。缺点：使用电子元件数量较多，电路复杂，不利于维修。二、电容器式加速度限制器二、电容器式加速度限制器 发送速度的改变发送速度的改变电容充放电回路参数的改变。电容充放电回路参数的改变。tu最快速：最快速：起动、紧急起动、紧急慢速：慢速：半速以上增速半速以上增速快速：快速：半速以下增速半速以下增速快速：快速：减速、停车减速、停车图图5-5 优点：线路简单，元件数目少。优点：线路简单，元件数目少。缺点：线性度差。缺点：线性度差。tu正常正常紧急紧急减速、停车减速、停车图图5-65.7 燃油限制器燃油限制器 燃油限制器一般只用在电子调速系
23、统中。燃油限制器一般只用在电子调速系统中。一、转距限制一、转距限制 为什么要设置转距限制？为什么要设置转距限制？假设主机在额定转速上运行，航行速度为全速，主机输出额假设主机在额定转速上运行，航行速度为全速，主机输出额定转距。定转距。如果主机负载增加如果主机负载增加n主机主机降低降低e=ur-uf上升上升PI调节器输出调节器输出增大增大油门增大油门增大喷油量增大喷油量增大主机产生的转距增加主机产生的转距增加 n主机主机重新重新稳定在额定转速上。稳定在额定转速上。ES八种转速限制八种转速限制与保护环节与保护环节燃油给定值燃油给定值图图5-7 如果主机负载继续增加，由于转速负反馈的作用，主机转如果主
24、机负载继续增加，由于转速负反馈的作用，主机转速仍保持不变，即恒值，但是速仍保持不变，即恒值，但是PI调节器的输出即主机的喷油量调节器的输出即主机的喷油量却随主机负载的增加而增加。却随主机负载的增加而增加。结果，主机产生的转距随负载的增加而增加，从而导致主结果，主机产生的转距随负载的增加而增加，从而导致主机输出转距过大。机输出转距过大。转距过大的后果有三点：转距过大的后果有三点：1）主机轴系和轴承的断裂。）主机轴系和轴承的断裂。2）喷油量过大，使燃烧不充分而冒黑烟。）喷油量过大，使燃烧不充分而冒黑烟。3）转距过大，再加上转速较高，会造成主机过载。）转距过大，再加上转速较高，会造成主机过载。所以，
25、必须设置转距限制器。所以，必须设置转距限制器。二、扫气压力限制器二、扫气压力限制器 为什么要设置为什么要设置扫气压力扫气压力限制？限制？扫气：柴油机排出的废气扫气：柴油机排出的废气吹动涡轮吹动涡轮带动离心式压气机带动离心式压气机向气缸供给压力向气缸供给压力驱走残存的废气。驱走残存的废气。图图5-8 主机迅速加速至全速主机迅速加速至全速 大负荷低速运行时大负荷低速运行时 喷油量很大喷油量很大 转速较低转速较低 增压器供气增压器供气不足不足 燃油燃烧不充分燃油燃烧不充分 冒黑烟冒黑烟 气缸结炭气缸结炭 受热件过热受热件过热 所以，必须设置扫气压力限制器。所以，必须设置扫气压力限制器。在紧急情况下，
26、以及当主机处于重复起动的第二次或第三在紧急情况下，以及当主机处于重复起动的第二次或第三次起动时，可以撤消该限制次起动时，可以撤消该限制。三、手动燃油限制三、手动燃油限制 轮机长根据主机的运转性能，限制最大燃油给定值。轮机长根据主机的运转性能，限制最大燃油给定值。图图5-9图图5-7本章作业本章作业 1）转速控制系统中的保护与限制环节有哪些？）转速控制系统中的保护与限制环节有哪些？2）为什么要设置起动转速限制？）为什么要设置起动转速限制？3）为什么要设置临界转速限制？）为什么要设置临界转速限制？4）临界转速区的避让方法有哪几种？临界转速区的避让方法有哪几种？5）引起主机故障停车的原因有哪些？）引起主机故障停车的原因有哪些？6）引起主机故障减速的原因有哪些？）引起主机故障减速的原因有哪些？7）为什么要设置负荷程序限制？）为什么要设置负荷程序限制？8）为什么要设置加速度限制器？）为什么要设置加速度限制器？9）为什么要设置转距限制？）为什么要设置转距限制？10）为什么要设置扫气压力限制？）为什么要设置扫气压力限制？
