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功能说明与康明斯知识

GAC电子调速器ESD5500系列主板使用说明书

 

摘要：GAC电子调速系统是东风康明斯系列柴油发动机专用速度调节系统（重庆康明斯采用EFC电子调速器），其主要任务是保持发动机转速在设定转速运转。机械调速和电子调速的不同之处在于电子调速能够通过控制单元来“感受”实际转速与设定转速的不同，将此差值变换传给执行单元（执行器）来调节燃油流量从而增加或降低发动机转速转速，使之保持在设定转速运行。

 

一、功能介绍

 

      柴油发动机的输出功率和转速取决于喷油量。当发电机的用电负载增加时（例如，突然启动大功率设备），发动机会因为阻力增大而有转速下降的趋势；反之，当负载减少时，发动机会有转速升高的趋势。转速不稳定会导致频率波动，而频率不稳定会直接影响用电设备的正常工作，甚至造成设备损坏。因此，必须有一个系统能够实时监测发动机转速，并根据负载变化自动调节供油量，以维持转速恒定。这个系统就是调速系统。

1、 GAC电子调速器的工作原理

      GAC电子调速器是一个典型的闭环控制系统，其工作流程如下：

（1）信号检测：磁性测速传感器安装在发动机飞轮齿圈附近，实时监测发动机的实时转速，并将其转换成电信号传递给控制器。

（2）信号比较：控制器（大脑）将接收到的实际转速信号与预设的期望转速值（例如1500 RPM对应50Hz）进行比较，计算出两者的差值（误差信号）。

（3）信号处理：控制器根据误差信号的大小和变化趋势，通过内部算法（通常是PID控制算法：比例-积分-微分）进行计算，得出一个纠正指令。

（4）执行动作：控制器将纠正指令发送给执行器（一个线性电磁铁或伺服电机）。执行器通过一套连杆机构驱动柴油机的燃油泵齿条，增加或减少燃油供应量。

① 负载增加，转速下降 -> 控制器命令执行器加大供油量，提升转速至设定值。

② 负载减少，转速上升 -> 控制器命令执行器减小供油量，降低转速至设定值。

      这个过程在毫秒级别内连续不断地进行，从而实现对发动机转速的精准、快速控制。

2、发动机转速传感器

      发动机转速传感器安装于发动机飞轮壳上方正对飞轮，当飞轮齿经过转速传感器，传感器就产生一交流电信号（每一齿产生一个脉冲信号）。

（1）脉冲电压在1V AC~30V AC之间；

（2）转速传感器；

（3）飞轮齿；

（4）转速传感器的安装螺纹是5/8”-18 UNF；

（5）传感器部分。

3、电子调速控制器（调速板）

       电子控制器（调速板）的基本功能是比较输入转速信号与设定值，然后将校正或不变的指令传输给执行器。调速板有以下调节功能，只须将黑色圆胶盖打开即可进行调节：

（1）调节怠速转速“IDLE”，把端子“G”和“M”短接，调节电位器，调节频率范围在1200-4100HZ之间，顺时针调节电位器将增加怠速转速。

（2）运行速度调节“SPEED”，频率调节范围在100-6000HZ，顺时针调节将增加发动机转速。

      上面的调节频率来自电磁传感器（转速传感器），频率值取决于发动机飞轮齿数和发动机转速。

即：频率值=发动机转速（r/s）×发动机飞轮齿数

例：CUMMINS NTA855-G1发动机齿数是118，转速在1500r/min(25r/s)：25×118=2950HZ

注：不同型号调速板各电位器排列位置略有不同，请以标识为准

（3）增益调节“GAIN”

      转速的灵敏度是通过调节“GAIN”电位器实现的，顺时针调节将使灵敏度增加；

——顺时针调节“GAIN”电位器，直到发动机出现抖动，再旋回1/8圈；

——当调整灵敏度时频率可能会有很小的变化，这个变化可通过调整“SPEED”电位器来调整。

（4）稳定性控制“STABILITY”

      速度调节时间常数是通过调节“STABILITY”电位器实现的。时间常数即负载发生变化后恢复到发动机额定转速所需要的时间。

——顺时针调节“STABILITY”会缩短负载变化后系统的恢复时间；逆时针调节则使恢复时间加长。

（5）转速降操作“DROOP”

      顺时针旋转“DROOP”（转速降）调节器，转速降值将增加，当处于降落状态时，发动机速度将随负载的增加而降低；短接“G”和“H”可提高转速。

（6）启动燃油调节“STARTING FUEL”

      顺时针调节“STARTING FUEL”电位器，发动机启动过程中的燃油流量将增大，顺时针调节至最大，启动过程中的燃油将不受限制，执行器动作至最大；逆时针调至最小，启动过程中燃油将非常小或为零。

（7）速度缓冲调节“SPEED RAMPING”

      顺时针调节“SPEED RAMPING”电位器，发动机转速加速度减慢，加速时间最长可调到20秒。

 

二、ESD5500系列调速板

 

      ESD5500系列调速板包含ESD5100系列调速板的所有特性，另外，ESD5500系列还具有发动机燃油供给控制，从而消除过量燃油，降低了排烟浓度，提高了环保效益，其外观如图1所示，实物如图2所示。ESD5500系列与ESD5100系列的一点区别是：怠速选择开关的连接端子，ESD5500系列是“M”和“G”，ESD5100系列是“M”和“L”。

1、 GAC电子调速器的优势

      与传统机械调速器相比，电子调速器（如GAC）具有显著优势：

（1）极高的调速精度：机械调速器精度通常为 ±3% ~ ±5%。GAC电子调速器可以将精度控制在 ±0.25% 以内，甚至更高。这意味着频率波动极小，电能质量非常高。

（2）优异的动态性能（响应速度快）：当负载突然变化时，电子系统能比机械系统快得多地检测到转速变化并作出反应。这大大减小了瞬时频率跌落的幅度和恢复时间，保证了供电的连续性。

（3）稳定性好：采用先进的PID控制算法，能很好地抑制系统振荡，避免转速“游车”（转速在小范围内来回波动），使发动机运行非常平稳。

（4）多功能与易调节性：所有参数（如怠速、额定转速、增益、稳定性等）都通过电位器或软件设置，无需更换机械零件，调试非常方便。通常提供各种附加功能，如：怠速控制、燃油燃烧室压力测量接口、多机并联同步运行接口等。

（5）降低排放和油耗：通过精确控制喷油量，使燃油在各种工况下都能更充分地燃烧，不仅提高了经济性，也降低了有害排放。

2、调速板的调整

     按如下方法对调速板进行预设：

--STARTING FUEL      顺时针调最大（最大燃油）

--SPEED RAMPING 逆时针调最小（最快启动）

● 启动发动机并调节“SPEED”、“GAIN”、“STABILITY”，此时燃油供给将不受限制。

● 连接端子“M”和“G”，将发动机置于怠速运行状态。

● 调节怠速转速至略高于低转速报警设定值，保证低转速不动作。

● 逆时针调节“STARTING FUEL”直至发动机转速开始下降，然后顺时针微调“STARTING FUEL”使怠速转速恢复至要求值。

● 停机

3、运行方式

      ESD5500系列调速板可选择以下两种运行方式之一：

（1）方式一：启动发电机组并直接加速至运行速度（发电机组等）。断开端子“M”与“G“间的连接。启动发动机并调节从怠速到额定速度的“SPEED RAMPING”（速度斜率），以获得最少排烟量。若启动排烟过量，则需逆时针微调“STARTING FUEL”（启动燃油）。若起动时间过长，则需顺时针微调“STARTING FUEL”（启动燃料）。

（2）方式二：启动发动机并在怠速状态下运行一段时间后加速至运行速度。此种方式将启动过程从加速过程中分裂出来，以更好地优化排放，使排放达到最低。用一个开关替代端子“M”和“G”间的连接，通常用一个油压开关。启动发动机，若启动排烟过量，则需逆时针微调“STARTING FUEL”（启动燃油）。若起动时间过长，则需顺时针微调“STARTING FUEL”（启动燃油）。当开关断开，当发动机从怠速加速到额定速度时，调节“SPEED RAMPING”（速度斜率）以获得最少量的排烟。

4、执行器

     执行器是一个电磁装置，对装有RQ调速超速保护装置的高压喷油泵，可安装美国GAC公司的ACB225或ACB250型外置式执行器。对于康明斯PT燃油泵，安装的是康明斯EFC系列执行器。

 

图1  ESD5500E系列美国GAC电子调速器外观图

图2  GAC-ESD5500E调速板实物图

 

三、安装说明

 

      本调速系统采用DC 12V或DC 24V电源，调速系统要与控制系统绝缘，采用不接地线路。24V时最大工作电流为4A，12V时为8A；所以调速系统电源要装15A快熔（12V）或8A快熔（24V）。调速板应安装于无震源和热源的地方，环境温度应在40℃--85℃范围内 ，否则将产生漂移。

注：电池充电器不能作为电源连接到调速单元，以免造成系统过电压。

1、电磁兼容性

● 易受到的电磁干扰——通过电缆或直接辐射到控制电路所产生的大干扰信号可对控制系统产生相反的影响。

● 所有的GAC速度控制单元都包括了过滤和屏蔽设计，以保护灵敏电路不受到外部中等强度的干扰源干扰。

● 由于预知干扰的强度是困难的，所以要求将包括磁发电机、固体点火系统、无线电发射机、调压器、充电器看作干扰源。

● 外部可疑的范围，即那些受到辐射或导体连接，或将影响控制系统的操作。对所有的外部连接要求使用屏蔽电线。务必使所有屏蔽线包括速度传感器屏蔽线共一个终端，将该端连接到速度控制单元盒子的一个信号点上。将速度控制单元安装到一个接地的金属后板上。或将其放到一个密封的金属盒子中。

● 当干扰信号直接辐射时，放射线将通过控制系统所在的空间。为将控制系统电气与这类干扰隔离，使用金属屏蔽或金属容器通常是有效的。

● 当干扰信号由电线交叉连接所产生的，通常会传导给控制系统电子。屏蔽线或安装的过滤器通常是不起作用的。

● 作为一项有助于减少自然干扰的方法，KT130中GAC支持电池线过滤器或电缆屏蔽。为减少自然辐射的电磁干扰，可用一个屏蔽器P/N CA114罩住GAC和它的分配装置。

● 在严格的高能量干扰场所，如当控制系统直接暴露在电力传送源极中，将要求一个特别的电磁干扰等级屏蔽。对于这种情况，请与GAC供应工程师联系以获得特别的建议。

2、速度传感器（电磁传感器）

      强的电磁速度传感信号将排除丢失或增加脉冲的可能。速度控制单元将用0.5V RMS速度传感信号进行较好的控制。在控制速度中，要求速度传感信号为3V RMS或更高。信号的测量由端子C和D来执行。通过减少速度传感器顶端与发动机齿圈齿顶间隙，可增加速度传感器信号范围。在发动机停机时，将传感器旋到与齿轮相接触，再向回旋3/4转可得到一个较满意的空气间隙。

3、详细接线步骤与注意事项

      具体接线端子的位置与作用，以及线路连接方法请参考图3。

（1）电源连接 (端子E-F)

① 极性务必正确：确保电源正负极连接正确，通常E端接负极(-)，F端接正极(+)1。调速系统建议采用不接地线路。

② 线径要足够：参考上图选择的线径，并确保电源线上装有合适容量的快熔保险丝（例如24V系统可用8A，12V系统可用15A）。

③ 使用纯净电源：避免使用电池充电器直接作为调速器电源，以防系统过电压。

（2）执行器连接 (端子A-B)

① 驱动执行器动作，控制燃油泵齿条。

② 连接前最好测量执行器线圈的阻值是否符合其规格（例如GAC ACB275执行器约3±1欧姆，康明斯EFC执行器约6.8-7.6欧姆）。

③ 确保执行器与发动机调油机构之间的机械连接安装正确、无卡滞，并且加减油方向一致。

（3）转速传感器连接 (端子C-D)

① 用于监测发动机转速。

② 推荐使用带屏蔽层的双绞线，屏蔽网单端接地（通常在控制器的D端子处）。

③ 传感器信号电压（交流有效值）在控制转速时最好不低于3V RMS。

④ 安装间隙：转速传感器顶端与发动机飞轮齿圈齿顶之间的间隙一般调整在0.7-1.0mm（0.028-0.039英寸）范围内47。间隙越小，信号通常越强。

（4）其他功能端子

① 怠速/额定转速切换 (端子G-M)：短接G-M可使发动机进入怠速运行模式。

② 调速率调整 (端子K-L)：短接K-L后，可通过“DROOP”电位器调节调速率，主要用于多台发电机组并联运行时实现负载均匀分配。

③ 外部转速微调：可通过端子G-J外接电位器实现。

④ 辅助输入/输出 (端子N, P)：端子P可提供稳定的10V直流输出14。端子N可作为同步器、负载分配器等外部信号的输入点。

图3  ESD5500E系列美国GAC电子调速器接线图

 

四、故障处理

 

      GAC电子调速器的作用就是自动控制柴油发动机的转速，使其在不同负载下都能保持稳定、恒定的设定转速，从而保证发电机组输出频率和电压的稳定性。常见故障如下：

1、发动机启不动

● 电池电压；

● 检查调速板上“E”“F“之间的电压；

● 最低电压值如下：

—— 8V DC（12V系统）

——17V DC（24V系统）

● 检查调速板电源的快速熔断器是否完好

（1）执行器

      断开调速板电源并断开执行器连线，用万用表测量执行器线圈阻值，执行器阻值应符合以下值：

● GAC ACB275执行器：

——A-B：3±1ohms

——C-D：3±1ohms

● CUMMINS EFC执行器：

——A-B：6.8—7.6ohms

      将调速板“A”端子至执行器连线拆下，串联一电流表后接“E”，然后接通电源，此时执行器应动作至最大燃油位，且电流表读数应在4A左右（12V系统）或2.5A左右（24V系统）。

（2） 传感器

● 启动发电机组同时用电压表测量调速板“C”、“D”间的电压，电压值应不小于1.0V AC。

● 如果无电压：拆开调速板‘C“、”D“连线，再次启动发电机组并测量传感器两线间的电压，如果有电压，则调速板坏。

● 如果传感器仍无电压：测量调速板“C”和 ”D“间的阻值，阻值应在50—250欧姆之间，如正确，检查传感器与飞轮齿之间的距离0.7—1.0mm(0.028—0.039英寸)之间。

注：距离越小信号越强。

（3）调速板

●  检查设定

●  检查“G‘和“P”之间电压，正确的电压应为10V DC，无论是12V还是24V系统。错误的值说明“SPEED”电位器坏。

●  检查“A“与”F“之间的电压：断开燃油并启动发电机组，测量其电压，应在1.5—2.5V DC之间。

      错误的值可能为：

——“SPEED“电位器设置太低；

——到执行器的线路故障；

——“SPPED“电位器坏。

注意：测量时注意极性。

2、发动机超速

（1）接通调速板电源，执行器摆动至最大燃油位。

（2）测量调速板“A”“F”间电压。

注：不要启动机组

● 如果电压在1.5—2.5V DC，则：

——“SPEED”设定太高；

——调速板坏。

● 如果电压大于2.5V DC，则：

——执行器或机械连接摩擦太大。

● 如果电压小于1.5V DC，则：

——调速板坏。

（3） 拆开调速板“C”“D”连线

——如果执行器仍保持在最大燃油位，调速板坏；

——如果执行器回到最小燃油位，则发动机转速信号出问题，检查传感器与调速板之间连线，并要求屏蔽。

3、发动机达不到要求转速

（1）  启动机组的同时测量电池电压，电池电压应不小于8V（12V系统）、17V（24V系统）

——充电或更换电池，确保电池电量充足；

——执行器接线错误。

（2）  临时短接调速板“A“”F“端子，执行器应动作至最大位，否则为以下情况之一：

——调速板至电源或调速板至执行器之间的接线错误；

——执行器或连接臂卡死；

——执行器故障。

（3）当机组运行在所达到的转速时，在调速板端子“A“”B“间测量执行器两端电压：

      如果电压大于电源电压2V或更多，则是机械调速器问题；

      如果以上问题解决后仍有达不到要求转速，请尝试调节“SPEED”电位器。

（4）电磁干扰

      如果机组附近有强的电磁场或无线电干扰源，会引起调速板产生错误的下垂调节，这样就要求调速板至执行器、传感器的连线必须使用屏蔽线，且屏蔽层必须在调速板侧接地，而不能在执行器端或传感器端接地。

 

总结：

GAC电子调速器是柴油发电机组的大脑和神经中枢，它通过实时监测、快速比对、精确计算、果断执行这一闭环过程，确保了发动机转速的恒定，从而最终保证了发电机输出频率和电压的稳定。它是现代高性能发电机组不可或缺的核心部件，直接决定了整个发电机组的性能和电能质量。

 

 

 

 

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