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性能特点和作用说明 |
康明斯电子调速器工作原理和接线图 |
摘要：康明斯柴油发电机PT型燃油系统中，通常使用EFC电子调速器，可以调成同步运行或调成有转速降的运行。本文介绍的是发电机组或驱动柴油机上的康明斯电子调速器EFC的原理、调整方法，对用户准确、快速地排除该类机型的故障具有重要作用。电子调速器式速度控制因生产厂家不同，类型也不同，但基本原理相同。电子式调速器可以有效地克服机械式调速器的不足，是目前市场主流产品的主要技术。主要应用于国外进口的机器上，也是康明斯柴油发电机的标配。下面主要以康明斯公司的EFC电子调速器产品为例做原理介绍。
一、电子调速器的作用与特点
对于柴油发电机组来说，电子调速器不是一个可有可无的附件，而是确保其输出电能质量和运行安全的核心控制部件。其作用根据负载的实时变化，自动、精确地调节喷入发动机气缸的燃油量，使发动机转速（即发电机频率）始终保持恒定。
1、作用
（1）保障发电频率稳定：柴油发电机的输出频率（50Hz或60Hz）完全由发动机转速决定。任何负载的接入或移除，都会导致转速波动。它能以毫秒级的速度感知到转速的微小变化，并立即精确地调整供油量。优质的电子调速器可以将稳态频率波动控制在±0.25%甚至更低，确保精密仪器、电脑、电机等设备稳定运行。
（2）实现快速的动态响应，应对冲击性负载：像电动机、空调、压缩机等设备启动瞬间，会产生数倍于额定电流的“冲击性负载”，极易导致发动机转速骤降甚至熄火。电子控制器的响应速度极快，能瞬间感知转速跌落，并立刻命令执行器将大量燃油注入气缸，以“力挽狂澜”的方式迅速将转速拉回设定值。这大大提升了机组带载能力，特别是对冲击性负载的承受能力。
（3）优化燃油经济性与排放：电子调速器不仅能“稳住”转速，还能“精打细算”地供油。在不同的负载阶段（空载、1/4负载、半载等），它能精确计量所需的燃油量，避免了传统调速器可能存在的“过量供油”现象。
（4）提供丰富的安全保护功能：
① 超速保护：这是最重要的安全功能之一。如果发动机转速超过设定的安全极限（如超过额定转速15%），控制器会立即强制切断燃油供应，防止发生“飞车”事故（转速失控导致发动机机械损坏甚至炸裂）。
② 启动油量控制：在启动瞬间，它会自动控制供油量，防止过量柴油喷入气缸，有效减少启动时的冒黑烟现象。
③ 多种调速模式：可以提供怠速/额定转速切换、电子调速（稳定频率）或调差（用于机组并联）等多种工作模式，满足不同场景需求。
（5）实现多台机组并联运行的基础：当需要多台小功率机组并联成一个大电站时，电子调速器扮演着不可或缺的角色。通过其“调差”功能和配套的负载分配控制器，电子调速器可以精确地调节每台机组的输出功率，使它们按比例分担总负载，防止出现“一台拼命干，一台旁边看”的不稳定状态，这是机械调速器难以完美实现的。
2、工作原理
调速器控制柴油机的转速，而同步发电机频率正比于柴油机的转速。电子燃油控制调速器（EFC）由磁电式转速传感器、电子控制器和执行器组成。磁电传感器在飞轮处感应发电机转速，并将感应到的柴油机转速信息传送到电子调速控制器，电子调速控制器将感应到的转速信息与给定值相比较。如果两个信号之间有差值，控制器则改变输往执行器的电流。执行器线圈中电流的改变引起执行器动作，并带动燃油泵油门轴的转动。油门轴转动后，根据柴油机的工作特性，燃油量和转速及发电机组输出功率都相应变化，从而保持转速稳定（即发电机组频率稳定），并适应负载的不断变化。电路和调整原理如图1所示。
3、特点
（1）用转速调整电位器预设转速，传感器通过飞轮上的齿圈测出柴油机实际转速并送至控制器，控制器进行实际值与设定值比力，差值经控制电路的整理、放大并驱动执行器输出轴，通过调节杆拉动喷油泵的调速齿杆，进行供油量调节，以保持预设转速。
（2）电子调速器可按照柴油发电机使用场合的需要选择不均匀度的大小。当进行无差调速时，电子控制系统会将负荷变化而引起的设定转速与实际转速之间的差值消除，使柴油机保持原设定的转速，以使调速系统获得满意的静态调速率。
（3）电子调速器的特点是可别离独立决定调速特性，在装有全部附件的情况下能够确定最佳的转矩特性、怠速特性和过渡特性等。电子调速器能适应各种不同用途的要求。
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图1 康明斯电子调速器原理及接线图 |
二、调速过程和影响因素
电子调速器(EFC)一般由转速调整电位器、转速传感器、控制器、执行器和保险电路等组成，外形如图2所示。其调速过程是一个高精度、全闭环的实时控制系统。可以把它想象成一个精准的“自动驾驶系统”，它通过 "感知-决策-执行-再感知" 的循环过程，每秒进行数十次调整，来确保柴油发电机转速在任何负载变化下都纹丝不动。
1、调速过程
康明斯电子调速器自动化程度高，控制比较复杂，其中，调整旋钮位置如图3所示。
（1）电磁转速传感器装在飞轮壳上，通过飞轮齿圈感应柴油发电机的转速。
（2）执行器装在PT泵内，改变执行器电流将使执行器的轴转动，从而改变柴油发电机的转速和功率。
（3）当CPU板J5第7脚的运行开关RUN闭合时，J1的1脚输出24V电压，PT泵电磁阀开关SWITCHED得电开启，EFC调速控制器4得电工作，使控制器的轴转到最大供油位置。同时，CPU板J1的第3脚输出起动信号到启动马达，使柴油发电机启动。
（4）柴油机启动后，交流发电机的中点（N）电压（约12V）作为柴油发电机已启动的信号，通过J2的第3脚输入CPU控制板，从而切断J1第3脚输出的信号，使启动机停止工作。若一次启动不成功，停10s后将自动再次启动，若连续三次启动不成功，则停止启动，故障灯点亮。
（5）柴油发电机正常工作后，柴油发电机的各种参数通过J3插座输入CPU板，由J4输出各种报警灯信号。按J5的复位／灯检查按钮，可使CPU复位，同时进行各种报警灯测试，若所有报警灯都亮，说明整个报警控制系统工作正常。
（6）柴油发电机启动以后，EFC调速器把来自电磁传感器的电讯号与现有的参考点（W2）相比较，输出差压电流信号，使执行器的轴转动，控制进入喷嘴的燃油流量，从而改变柴油发电机的转速和功率。
（7）当柴油发电机在W2调定的某一转速下稳定工作时，调速过程如下：
| 负载↑↓→转速传感器↓↑→EFC调速器输出电流↑↓→执行器供油量↑↓→柴油发电机转速↓↑→使转速稳定在某一定值工作 |
2、影响因素
（1）转速传感器：它是调速器的“眼睛”。传感器（通常是磁电式）的安装间隙至关重要，标准间隙为0.4-1.1毫米。间隙过大或传感器脏污会导致信号电压过低（启动时需>交流1.5V），使控制器无法准确感知实际转速，造成调速失灵甚至无法启动。
（2）EFC电子执行器：它是调速器的“手脚”，负责执行供油指令。其机械磨损和燃油清洁度是两大关键影响因素。执行器的传动轴会因长期动作而磨损，导致内部泄漏，使供油量不受控制，引发转速失控（飞车）或停机。此外，燃油中的杂质会卡滞执行器，使其无法根据电信号准确动作，导致转速异常（如只有怠速、无法加载等）。
（3）供电系统：电子调速器对电源质量敏感。蓄电池电压必须充足（24V系统需不低于17V DC，12V系统需不低于8V DC）。电压不稳或不足会直接导致控制器工作异常或停机。
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图2 电子调速器外形示意图 |
图3 康明斯电子调速器速度调整图 |
三、速度调节方法
1、可调旋钮
电子调速控制器上有4个电位器用于转速系统调整，在调整过程中，用频率表或转速表检测发电机实际转速。其电子之间的接线和功能说明如图4、图5所示。
（1）增益（Gain）：
它主要是调整调速器的灵敏度。是一个从0～100％顺时针旋转的电位器。顺时针旋转将缩短负载变化时调速器的响应时间。顺旋反应快，逆旋稳定性好。一般在5-7格处。
（2）下垂（Droop）：
此功能调整发电机下垂特性，也是一个从0～100％顺时针旋转的电位器，一般设定在5％以内。
（3）转速（Speed）：
它是调整发电机额定转速的20转电位器，顺时针旋转升高发电机转速。运行空载一般为1515转／分（50.5Hz），额定负载1500转／分（50.0Hz）。
（4）怠速（IDIE Speed）：
它是调整发电机怠速所需转速的20转电位器，顺时针旋转升高发电机怠速转速。怠速600-800转／分，顺旋为升速，反旋为降速。
（5）积分（I）和微分（D）：
此功能调整调速器的动态响应特性，它们都是一个从0％～100％顺时针旋转的电位器。反旋为小（硬），顺旋为大（软）。小机可硬些，大机宜软些。一般在0-1.5格处。
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图4 康明斯电子调速器串联接线位置 |
图5 康明斯电子调速器接线功能说明 |
2、初调（不启动柴油发电机)
（1）怠速电位器W1反时针转动20圈，再顺时针转动10圈，将其置于中间位置。
（2）运行转速电位器反时针转动20圈，再顺时针转动10圈，将其置于中间位置。
（3）增益电位器W3用来调正调速器的灵敏度，即调速器对负荷的反应时间。将其调到刻度50处。
（4）转速降电位器W4的调整。由于负载增加，柴油发电机的稳态转速将下降，有负载时比无负载时的转速要低，用全负载时转速百分比来表示，称为转速降。即转速降＝（无载运行速度－全负荷转速）×100%／全负荷转速。该电位器有三种设置：
① 反时针转到底为同步运行。
② 转到刻度50处，得到3%的转速降。
③ 转到刻度80处，得到5%的转速降。
3、运行中调整
（1）怠速调整：
将运行／怠速开关置怠速位置，启动柴油发电机，调W1直到转速为600~650r／min。
（2）运行转速调整：
将运行／怠速开关置运行位置，起动柴油发电机空载运行。
① 当W4置同步运行时，调W2使转速为1500r／min（即对应550Hz）为止。
② 当W4置3%的转速降时，调W2使转速为1545r/min（对应51.5Hz）为止。
③ 当W4置5%的转速降时，调W2使转速为1575r/min（对应52.5Hz）为止。
（3）增益调整：
启动柴油发电机，接上大约1／4的额定负载，如果柴油发电机转速是稳定的，则顺时针方向慢慢转动W3，直到柴油发电机转不稳时为止，然后再反时针方向慢慢转动W3，直到达到转速稳定时为止。
（4）转速降的调整：
启动柴油发电机，加上额定负载，调W4，使频率为50Hz，即为1500r/min为止。
（5）系统调正：
进行完（4）步调整后，卸掉负载，再进行（2）步调整，然后再加上额定负载，进行（4）步的调整，直到调整到正确值为止。为了得到正确的转速（即频率），通常要重复上述方法二到三次的连续调整即可使系统调正。
总结：
康明斯电子调速器在结构和控制原理上与机械调速器有很大不同，它是将转速和负荷的变化以电子信号的形式传到控制单元，与设定的电压（电流）信号进行比较后再输出一个电子信号给执行机构，执行机构动作拉动供油齿条加油或减油，以达到快速调整发动机转速的目的。电子调速器以电信号控制代替了机械调速器中的旋转飞重等结构，没有使用机械机构，动作灵敏、响应速度快、动态与静态参数精度高。电子调速器无调速器驱动机构，体积小，安装方便，便于实现自动控制，寿命长，效率高，输出功率大。
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