变频调速特性（精选九篇）
变频调速特性 篇1
按电源性质可以把电动机分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机按供磁方式分为励磁电动机和永磁电动机, 励磁电动机有三种励磁方式, 即他励、 串励、 复励, 永磁电动机一般都是小功率的电动机[1]。交流电动机分为异步电动机和同步电动机, 异步电动机按转子结构可分为鼠笼型电动机 ( 转子) 和绕线型转子电动机, 异步电动机定子由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成, 这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。
同步电动机有三类, 具有励磁式或永磁式的普通同步电动机、 无换向器同步电动机、 磁阻同步电动机。 交流异步电动机就是常提到的感应电动机, 感应电动机除分为鼠笼感应电动机和绕线型感应电动机外, 按定子电源相数又分为单相、 两相 ( 属于单相) 、 三相感应电动机。
1 三相感应电动机方程式
分析三相感应电动机的方程式, 首先分析电动机的等值电路, 如图1所示。电动机通过电磁感应的方式将电能转换为机械能, 由转子的输出带动负载运转。
U1、E1、E'2、I1、I'2、R1、R'2、X1、X'2、Im、 Rm、 Xm、 S分别为定子绕组的相电压、 定子绕组相电动势、 转子折算到定子侧的相电动势、 定子绕组相电流、 转子折算到定子侧的相电流、 定子绕组相电阻、 转子折算到定子侧的相电阻、 定子绕组相电抗、 转子折算到定子侧的相电抗、 励磁电流、 励磁电阻、 励磁电抗、转差率。 三相感应电动机等值电路简化了电动机工作电路原理, 优化了电磁转换抽象过程, 形成一个整体的直观电工电路。 利用电工理论对等值电路进行分析, 电源输入三相总有功功率[3,4]:
cosφ1为电源功率因数, 定子三相铜耗:
消耗于电动机铁芯中三相铁耗:
因为有功功率只消耗在电阻上, 整个电路只有定子回路电阻、 励磁电阻、 转子回路电阻, 电源输入的有功功率扣除定子铜耗、 铁芯中铁耗就得到折算后的转子回路电阻上的总有功功率, 即电磁功率:
cosφ2是转子回路功率因数, 转子折算到定子侧转子三相铜耗:
电磁功率减去定子侧转子三相铜耗就得到可以利用的总机械功率:
总机械功率公式通过变形转换可以表示为:
( 功率为转矩N . m与机械角速度rad/s之积) , 转子机械角速度:
等效转子电角速度此处定义为:
p电动机机对数, f是电源频率。 电动机的损耗还包括轴承、 风扇等运转时产生的摩擦损耗 ( 机械损耗) , 定转子磁动势中含有高次谐波磁动势, 这部分磁动势将产生损耗 ( 附加损耗) , 电动机轴输出功率:
将以上所有分析归纳起来:
通过该公式可以清楚的看到电动机输出功率与其它各种损耗之间的关系。 以上主要针对电动机各种功率进行了分析, 接下来对电动机的转矩进行分析, 电磁转矩:
即电磁转矩为空载转矩与输出转矩之和, 电磁转矩也可表示为:
其中:
为电源电磁 (同步) 机械角速度, n1为电源电磁转速 ( 同步转速) , CT感应电动机的转矩常数, Φm电动机的主磁通幅值。由于感应电动机的励磁阻抗很大, 就可以忽略励磁回路, 那么电磁转矩表达式可进一步表示为:
由等值电路图得到定子绕组电流相量表达式为:
通过推导可得电动机转子电流频率:
通过以上分析, 电动机几乎所有的计算都基于这些方程式, 为做进一步分析及电动机控制选型等奠定了坚实基础。 比如运用这些方程式可以分析电动机的各种特性曲线。
2 三相感应电动机特性
三相感应电动机的工作特性主要指各种参数与输出功率的关系, 特别重要的有电源侧功率因数、 转子转速 ( 转差率) 、 效率、 电磁转矩、电源侧电流等, 如图2所示。
转子转速与转差率:
电动机启动后, 空载时, 转子没有输出, 此时可以近似认为转子没有电流, 即PCu2为零, 转差率为零, 转子转速近似等于同步转速; 当有负载后, 负载逐渐变大, 输出功率逐渐变大, 转子电流逐渐变大, 此时转差率也会逐渐变大, 就导致转子转速比空载时的转速略下滑。
定子电流表达式在上节已进行了分析, 表达式为一个相量表达式, 空载时转子电流为零, 随负载逐渐变大, 转子电流逐渐变大就致使定子电流也会逐渐变大。
当负载逐渐变大时, 转子电流的有功分量逐渐变大, 定子电流的有功分量随之也会逐渐变大, 这就使得定子功率因数逐渐变大, 当接近额定负载时, 定子侧功率因数能达到最大, 如果负载继续变大, 转子电流中的无功分量会反而变大, 反而导致定子侧功率因数变小。
电磁转矩为空载转矩与输出转矩之和, 随负载逐渐变大, 输出转矩必定逐渐变大, 而空载转矩几乎不变, 那么电磁转矩就会随负载变大而变大。
在空载到满载过程中, 电动机的铁损及机械损耗变化很小, 定义为不变损耗, 定子铜耗及转子铜耗和附加损耗是随负载变化而变化的, 定义为可变损耗, 通过数学运算, 利用导数求取最值的方法, 得到不变损耗与可变损耗相等时, 效率达到最大, 当继续加大负载, 效率反而会随负载变大而变小, 效率曲线近似为开口向下的凸曲线。
3 三相交流电动机调速
交流异步电动机的转速公式:
交流同步电动机转速公式:
按调速方法可分为变频、变转差率、变极对数。 按调速效率可分为高效、 低效率。 按调速平滑性可分为有级、 无级。 按调速装置所在位置可分为定子侧、 转子侧、 转子轴上。 按使用的电动机分异步电动机, 即鼠笼型及绕线转子型、 同步电动机。 常用的有级调速有变极对数调速, 高效, 定子侧, 异步电动机; 转子串电阻调转差率, 低效, 转子侧, 绕线转子异步电动机。 无级调速可以分为三大类, 第一类定子侧, 定子侧调压, 变转差率, 低效, 异步电动机, 定子侧变频, 变电源频率, 高效, 异步电动机或同步电动机。 第二类转子侧, 转子侧串级向下调速, 变转差率, 高效, 绕线转子异步电动机, 转子侧双馈上下调速, 调转差率, 高效, 绕线转子异步电动机。 第三类转子轴上, 液力耦合器, 调转差率, 低效, 异步电动机或同步电动机, 电磁转差离合器, 调转差率, 低效, 异步电动机或同步电动机。
4 三相交流异步电动机变频调速
目前, 国内对鼠笼异步电动机调速用得最多的是变频调速方法, 变频调速是改变电动机定子电源的频率, 从而改变转子转速的调速方法。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器, 变频器可分成交流- 直流- 交流变频器和交流- 交流变频器两大类, 目前国内大都使用交- 直- 交变频器。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
要进行变频调速的鼠笼异步电动机需要专用的变频电机, 变频电机是可以根据工作需要, 通过改变电机的的频率来达到所要的转速要求, 增加了强冷风扇, 用来保证电机在低转速下的冷却, 变频电机从电磁和结构设计上讲与普通电机有不同之处, 更能适应电源频率的变化, 专门制作的变频电机, 其作用实际上可理解为电抗器加普通电机。另外, 由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上, 会对电动机对地绝缘构成威胁, 对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化等。
变频器的输入端最好只接断路器, 如果接接触器, 也是拿它当上电开关用, 不能当起停电机的控制用, 控制电机的启动停止, 采用对变频器的控制, 决不要采用切断与接通变频器的输入电源的控制方法, 变频器输入端每次上电都是对器件的损伤。 如果电源侧加接触器, 其使用目的是, 电源一旦断电, 自动将变频器与电源脱开, 以免在外部端子控制状态下重新供电时变频器自行工作, 以保护设备的安全及人身安全, 在变频器内部保护功能起作用时, 通过接触器使变频器与电源脱开。 输入端加接触器, 只要不频繁的通断对变频器威胁不大。
如果是一拖一情况下是没有必要加输出接触器的, 且加了没有好处, 在变频器和电机是一拖二方案时, 一用一备情况下是需要加接触器来转换工作电机的, 在做控制时, 需要先让输出接触器动作吸合, 使用接触器的常开触点作为变频器运行的条件之一。 输出端加接触器, 输出端接触器在断开时将有过电压 ( 电机感性负载) 作用在功率组件上, 变频器虽然有吸收回路防止过电压, 造成故障不是必然的, 但应避免。 所以不加是最好的, 就算要加, 也要在变频器停止输出后才能断开, 还要做连锁防止变频器有输出时接通, 否则大电流将烧坏I G B T 。
在变频器整流的过程中, 产生大量的高次谐波, 据滤波节能的不完全统计, 最高的电流畸变率, 可以达到7 0 % 以上, 这些高次谐波, 会通过与变频器输入端连接的电源线, 进入到电网中, 进而会影响到使用这一电网的敏感设备的正常工作, 变频器输入滤波器, 就是为了解决变频器干扰电网的问题, 同时, 亦能解决变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、 欠压、 过载、 过流、 等误报警、 误动作、 拒动等问题, 当然, 变频器输入滤波器的功能, 还不止这些。 变频器输出滤波器, 就是安装在变频器输出端, 用以抑制变频器逆变过程中产生的谐波, 防止其顺着变频器输出端与电机之间的连线进入电机, 进而避免电机因遭受变频器输出端的谐波所引发的过热、 噪音过大、 震动剧烈、绝缘快速老化等问题。
变频器专用滤波器的主要构件包括: 滤波电容、 滤波电感和电阻, 而电抗器的主要构件只有一个, 那就是电感; 变频器专用滤波器, 分为变频器输入滤波器和变频器输出滤波器两种; 电抗器, 亦有两种, 一种是变频器输入电抗器, 一种是变频器输出电抗器。 变频器输入滤波器, 取代变频器输入电抗器, 基本没有任何问题, 因为输入滤波器具有输入电抗器的功能。 但是, 变频器输出滤波器, 要想取代变频器输出电抗器, 却有一个难以逾越的鸿沟, 虽然变频器输出滤波器的滤波能力远大于变频器输出电抗器; 然而变频器输出电抗器时, 因其电感量比较大, 可以更好的改善变频器输出线路上的分布电容, 延长变频器和电机之间的距离, 这也是为什么长距离传输的时候, 用变频器输出滤波器和变频器输出电抗器进行配合的根本原因。 一般情况下, 在变频器输入端, 选用的是变频器输入滤波器, 而非变频器输入电抗器, 考虑到成本问题, 选用输入电抗器也是可以的, 在变频器输出端, 一般选用的是变频器输出滤波器, 如果是在长距离传输的情况下 (变频器和电机之间的距离一般大于100米以上时) , 将变频器输出滤波器和变频器输出电抗器配合使用, 一方面可以抑制变频器输出端的高频谐波; 另一方面可以改善传输线路上的分布电容, 有效延长变频器和电机之间的距离。在工程实际中, 为了节约成本, 多数时候会考虑输入输出电抗器。
5 结论
电动机种类繁多, 各种电动机的特性也不一样, 针对实际运用的电机, 需要分析它的工作特性, 更好的了解它的本质, 才能运用现代先进的控制方法。 鼠笼式交流异步电动机在工业生产中运用较多, 分析它的特性显得尤为重要。 针对鼠笼式交流异步电动机, 现在国内外运用得最多的调速方法就是变频控制, 变频控制从启动到调速乃至停车都有完美的设计, 是运用最为广泛的调速方案。
摘要：电动机是目前应用最为广泛的电气传动装置, 针对三相异步电动机, 利用电工理论, 深入分析了其等值电路, 将转子回路折算到定子侧, 形成一个完整的统一回路, 在等值电路的基础上分析了各种方程式, 方程式对电动机的能量传递过程有了深刻直观的体现, 根据方程式绘制了工作特性曲线。各种电动机控制方法大有不同, 针对三相异步鼠笼型电动机, 本文分析了现代最流行的驱动系统, 即变频驱动, 分析了变频器应用时的相关注意事项及变频调速的优良特性。
关键词：电动机,传动,变频器,调速系统
参考文献
[1]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[2]王斯然.异步电机高性能变频器若干关键技术的研究[D].浙江大学, 2011.
[3]丁辉, 胡协和.交流异步电动机调速系统控制策略综述[J].浙江大学学报, 2011.
变频调速特性 篇2
变频器IGBT 模块的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
基于变频技术的轴流式风机特性研究 篇3
【摘 要】通过建立通风机性能测定实验系统，测定了基于变频技术轴流式通风机在不同频率下（25Hz-50Hz）的性能参数，在此基础上绘制了风量—风压、风量—功率、风量—效率等风机性能曲线，并分析得出轴流式风机特性曲线在不同频率下的分布是均匀的，同时可通过变频调节较方便地对风机风量等参数进行调控。最后对实验结论进行了验证，确保了实验结果的正确性。
【关键字】轴流式风机；变频；性能曲线
一、引言
井下空气的瓦斯浓度大小与巷道通风是否通畅、风量是否充足有直接关系。目前煤矿主要依靠离心式风机和轴流式风机为井下提供风量和动力，其中大多数矿井通过改变风机的叶片角度来改变风机运行工况和改变井下风量[1]。
二、通风机性能测定实验系统
为了实现测试基于变频技术轴流式风机性能的目的，实验人员研发了ZSCD-I型矿井主通风机参数测定系统，如图1所示。该系统为分布式系统，主要包括风速、风温测定子系统部分，以及大气压、电机轴温度、通风机静压、电机转速子系统、电机参数测定子系统，通讯系统和上位机等部分。
（一）风速、风温测定子系统
该系统由皮托管、温度传感器组成，经PLC（S7-200）、EM231直接测出风速和风温。风速测定范围为0～45m/s，输出标准信号范围为4～20mA，温度测定范围为-20～200℃。
（二）大气压、通风机静压、电机轴温、电机转速子系统
该系统由相对静压传感器、温度传感器、大气压力传感器、自制转速测定仪组成。
（三）电机参数测定子系统
该系统由EDA9033AC模块及电源组成[4]，用来测定电机相电压、相电流、功率、效率等参数；EDA9033AC输入为三相电压（0～500V）、三相电流（0～1000A）。
（四）通讯系统
1、硬件部分主要采用西蒙子PLC485通讯的自由口模式与上位机通讯。2、软件部分主要对采集的数据进行计算，并在上位机程序的主界面中直接显示各相关参数，包括各测点的位置、拟合的性能参数曲线以及上位机与各分模块的通讯状态，而且此程序可以自动输出和打印测定报告。
三、系统实验与数据分析
（一）前期准备
1、搭建实验风筒。在此基础上，使用变频器（日普RP3200变频器）与风机相连，调节变频器的频率来调节风机的转速，从而改变风机的个体特性。
2、风阻的调节。本实验利用人工制作的挡板来实现对风阻的改变。挡板共有三个，其中两个为正方形，每个中间有不同直径的圆形挖空，将挡板套在风筒的一端，由于圆孔直径的不同，造成风筒内产生不同数值的阻力；另外一个挡板为圆形，整个挡板钻有140个相同的圆孔，并且每个圆孔配有黑色橡胶塞2。
（二）实验测定流程
1、根据现场试验的条件，在合适的位置放置主机，应考虑电磁的干扰，避免其离变频器太近，按照步骤连接性能测定系统，建立及时通讯。
2、测定工作开始，在无挡板遮蔽风筒的情况下，即风筒内阻力最小时打开轴流式风机，测定实时环境参数，将变频器频率从25HZ逐步增加到50Hz，并测定在相应频率下风机的性能参数，在电脑终端上选择所要的工况点，绘制风机性能特性曲线；
3、在风筒一端套上挡板I，重复以上步骤，绘制风机性能特性曲线；
4、将挡板II套在风筒的一端，重复1的步骤，绘制风机性能特性曲线；
5、将挡板III套在风筒上，并把相应的圆孔用橡胶塞从外圈到内圈相继堵住，打开风机，测定不同风阻情况下相应的环境参数，把变频器频率从25Hz逐步调节到50Hz，并测定风机性能特性曲线。
6、实验人员在不同风阻的情况下（8个不同阻值），即在一般情况下掌握8个测点，依次测得从25Hz到50Hz下的风机特性曲线。
（三）实验结果及分析
实验选取8个测点，实际测得25Hz到50Hz下的风机工况参数，主要包括风量、风压、大气压力、空气温度、空气密度、风机效率和功率，即26组特性参数。根据所得数据，分别将数据曲线绘制出来，下面根据所得实验结果，从三个方面对通风机性能曲线进行分析。
1、风量—风压特性曲线分析
一般来说，轴流式风机的风压特性曲线较陡，并有一个“马鞍形”的“驼峰”区，但由于本实验所采用的SF4-2风机不是矿用防爆型通风机，在测量时存在漏风较严重的现象，加上变频器本身的损耗（一般在4%左右），实际测得的二次拟合曲线较为平稳，并趋近于直线，与理论上的性能曲线相比，并没有“马鞍形”的“驼峰”区的出现。
2、风量—效率特性曲线分析
按照同样的方法選取不同频率下的26组风量和效率数据形成的曲线绘制在一张图表上。由图可以看出，当变频器频率由26Hz提高到50Hz时，风量从小到大逐渐增加，通风机的效率也逐渐增大，并且增大到最大值后逐渐呈下降趋势，而26条曲线的趋势基本一致并相互重合，说明了同一风机在相似工况点下的效率是相等的。
3、风量—功率特性曲线分析
随着变频器功率的增加，轴流式风机的转速相应增加，风量不断增加，当有效功率增大到最大值后，随着风量的增加而逐渐减小。且当变频器频率越高，风机的有效功率相比之下能达到的最大值也越大，26条风量—功率特性曲线的趋势是相对一致的，证明调节频率来对风机性能调节的可靠性较高。
四、结论
结果分析表明，轴流式风机特性曲线在不同频率下的分布是均匀的，通过变频调节可以较容易地对风量等参数进行调控。最后，利用倾斜压差计等机械式仪器对对本实验采用的硬件和软件系统进行校正实验，验证了风机性能测定系统及所测得数据的可靠性。
参考文献：
[1] 王启立，胡亚非，刘颀等. 便携式通风机综合性能测试系统的研制[J]. 风机技术， 2004， （6）： 37-38.
[2] 齐振邦. 风机变频调速应用现状及节能原理[J]. 风机技术， 2000， （3）： 39-41.
[3] 商坤，王建军. 变频调速在煤矿矿井通风机上的应用[J]. 煤矿安全， 2006， 37（7）： 18-20.
[4] 迟洪有，蒋曙光，吴征艳等. EDA9033A在分布式风机性能测试系统中的应用[J]. 工矿自动化， 2010， 36（12）： 93-95.
进油节流调速回路特性分析 篇4
在定量泵系统中用流量阀或流量阀与溢流阀协联,通过调节流量阀的开度以调节执行元件的速度的回路称节流调速回路。在研究时,不计油液的可压缩性、系统的泄漏和温度变化。流量阀串联在执行元件进油路上的节流调速回路称为进油节流调速回路。回路中的执行元件多为液压缸,流量阀可以是节流阀,也可是调速阀和溢流节流阀,图1为使用节流阀的常见进油节流调速回路,本文针对进油节流调速回路的特性进行分析研究,为更深入的研究提供理论借鉴。
2 工作原理
如图1所示,在负载FL=const即液压缸进油腔压力p1=const、定量泵工作压力pB达到溢流阀流压力pS条件下,调节节流阀的开度x(或通流面积a(x)),即可调节液压缸的工作速度u。必须注意到溢流阀处于闭合状态时,调节节流阀通流面积不可调节液压缸的速度。因溢流阀处于闭合状态,定量泵的输出流量必然经节流阀全部输入到液压缸,执行元件有最大速度。只有当节流阀通流面积a达到临界值as、溢流阀处于临界溢流状态时,进一步调节a才可调节执行元件的速度。节流阀通流面积a(x)的取值区间为[amin,amax=as],其中amin为使执行元件速度稳定所必须的最小通流面积,amax=as为溢流阀临界溢流时节流阀的通流面积。所谓临界溢流是指溢流阀出口油液成连续细线状。
3 速度特性
在负载FL稳定条件下,液压缸的速度u和节流阀通流面积a(x)之间的关系称为速度特性。
如图1所示,进入液压腔左腔流量Q1为:
式中Q1——进入液压缸的流量,单位为m3/s;
QL——节流阀的流量,QL=Q1,单位为m3/s;
Cd——流量系数,Cd=const,一般取Cd=0.62;
a(x)——节流阀过流面积,单位为m2,x为阀芯有效开度,单位为m;
ρ——油液密度,单位为kg/m3;
pS——供液压力,pS=const,单位为Pa;
p1——液压缸大腔压力,单位为Pa。
液压缸速度u可表示为
式(2)表明液压缸速度u与节流阀过流面积a(x)成正比。
调速范围可用调速比Φu表示:
式中umax——液压缸的最大速度(溢流阀处于临界溢流状态,泵的出口流量均进入液压缸);
amax——在负载FL条件下,使溢流阀处于微溢流时的节流阀的通流面积,xmax为相应条件的阀口开度;
umin——液压缸最低稳定速度(临界爬行速度);
amin——使液压缸不发生爬行的节流阀的最小过流面积,xmin为相应条件下的阀口开度。
4 负载特性
负载特性即液压缸速度u和负载FL之间的函数关系,可用方程u=u FL描述。液压缸活塞稳态运动时,活塞上力平衡方程如下(见图1):
式中A1——进液腔面积,单位为m2;
p1——进液腔工作压力,单位为Pa;
A2——回液腔面积,单位为m2;
p2——回液腔压力,单位为Pa;
Ff——摩擦力,单位为N;
FL——负载,单位为N。
通常p2可不计(p2=0),若再不计摩擦(Ff=0),则有
联立式(2)和式(5),则有
式(6)即速度——负载特性(方程),它表达了a(x)=const条件下,液压缸速度u随负载FL(或负载压力pL=FL/A)的变化规律。它表明当节流阀通流面积a调定为定值ai时,液压缸速度随负载变化按抛物线规律变化;当FL=A1ps时,不管节流阀过流面积如何变化,恒有u=0;当FL=0时,u=umax(负载速度)随ai而变化。
5 结论
通过上述分析,得出了节流调速回路的速度特性和负载特性,建立了数学模型,为更深入的研究做了铺垫。
摘要：本文在分析进油节流调速回路工作原理的基础上,对其速度特性和负载特性进行了讨论分析,得出了有益的结论,为同行进一步研究提供了参考依据。
变频调速特性 篇5
柴油机和同步发电机组成移动电站, 并作为供电电源广泛用于船舶推进和雷达、火炮供电等领域。同步发电机和励磁控制器构成了移动电站的励磁调压系统, 柴油机和调速控制器构成了移动电站的调速系统。通常, 移动电站的励磁、调速控制采用独立控制的方式, 但转速和电压是一对相互耦合的变量, 建立励磁、调速的整体模型, 对开展移动电站综合控制至关重要。
由于移动电站容量有限, 用电负载 (雷达、火炮等) 工作具有随机性、冲击性等特点, 为了保证励其供电指标, 移动电站通常采用相复励、三次谐波磁等电压控制方式。相复励非线性励磁控制通常将叠加的电压、电流控制分量看作是一种扰动, 从而可以实施H∞[1]控制, 克服了系统不确定性引起的励磁控制性能下降的问题。三次谐波励磁的特性也有相关介绍[2], 但是具体数学模型建立研究很少有介绍。
关于调速系统控制策略的研究取得了许多成果, 但大多针对电磁铁与齿条构成的直接电控制方式[3,4,5,6], 并且没有考虑由飞锤和电控制相结合的机电复合型控制方式。结合移动电站的结构, 文献[7]提出一种特殊的交流跟踪励磁控制方式, 解决了采样延时导致的控制滞后问题, 但要开展综合最优控制, 还需要进行系统的模型建立研究。文献[8]采用H∞控制方式对发动机怠速控制进行研究, 但采用的模型没有考虑机电复合调速和谐波励磁, 研究结论具有一定的局限性。
本文首先分析了机电复合调速系统模型建立过程, 然后结合三次谐波励磁电机特点建立了谐波励磁模型, 进而建立了谐波励磁机电复合调速型移动电站模型, 最后结合具体电站参数, 采用数字仿真和试验验证的方式, 证明了所建模型的正确性。机电复合调速谐波励磁机组模型对分析相关类型移动电站特性和开展综合非线性鲁棒控制等具有重要意义。
1 机电复合调速系统数学模型分析
机电复合调速器的结构如图1所示, 主要由调速弹簧、速度控制摆杆、飞块儿、调速套、控制套、张杆等零部件组成。图中O3、调速套与起杆接触点O1、调速弹簧固定支点O2到M2的距离分别记为Δ1、Δ2、Δ3。张杆摆动会改变控制套的位置和断油孔位置, 进而改变柴油机的喷油量。张杆的摆动幅度受由飞块儿离心力控制的调速套和速度控制摆杆的摆动位置的双重控制。外部控制器控制速度控制摆杆的位置, 达到无静差调速的目的。
依据达兰贝尔原理, 可得
式中, mg为离心感受元件各运动件转换到调速套的当量质量;fg为调速套的摩擦系数;M为飞块儿对调速套向右的支持力, 与飞块儿转速、调速套位移有关, 即M=f1 (ωT, x) , 其中ωT为飞块儿转速, 且满足ωT=Kωg, ωg为柴油机转速, K为飞块儿与柴油机转速比;E为张杆作用于调速套的回复力, 与调速弹簧对张杆作用力有关;x为调速套的移动距离。
将M进行泰勒级数展开, 并略去高次项, 可得:
当张杆围绕M2旋转时, 回复力E与调速弹簧作用与张杆力FT满足:
式中, c为弹簧的刚度;y1为弹簧的变形量。
由图1的几何关系可知, 当速度控制摆杆的摆动距离为l时, 张杆的移动距离为y2=l-y1。调速套的移动距离x满足, 控制套的移动距离为
将以上关系代入式 (1) 可得
取式 (5) 可表示为
调速系统中的执行器将驱动电压u转换为执行器移动距离l, 且满足线性关系。定义驱动器的时间常数为T1, 增益为K1, 则驱动器满足
柴油机组的运动方程式为
式中, M1为柴油机主力矩;k1为柴油机转矩转速特性曲线的斜率;b1为柴油机转速为零时对应的力矩;a为柴油机调整特性曲线的斜率;y0为执行控制套的空载行程;Me为电磁力矩;MD为阻尼力矩;ωg为机组转动速度;D为发电机的阻尼系统;P为发电机的极对数;m为发电机相数;E′q为发电机电势;x′d为发电机直轴暂态电抗;δ为发电机功角;n为柴油机转速;Pe为发电机功率;U为发电机端电压有效值;J为机组的转动惯量。k1、b1、a由柴油机的转速特性曲线和转矩特性曲线确定。
2 三次谐波励磁系统数学模型分析
三次谐波励磁电机 (HESG) 通常采用增加气隙均匀度和保证极弧系数大于的方法, 使定转子间的主磁场接近平顶波, 从而得到较大的三次谐波磁场。通过傅里叶分解, 主磁场可分解为
式中, B1为转子基波磁场幅值;B3为转子三次谐波磁场幅值。
由于发电机定子主绕组和谐波绕组的电势都满足E=4.44fNKwΦ, Φ=Blτ, 所以由主磁场产生的三次谐波电势为
式中, N为定子绕组线圈的匝数;N1为基波绕组线圈的匝数;N3为谐波绕组线圈的匝数;Φ为磁通;Kw为绕组因数;Kw1为基波的绕组因数;Kw3为三次谐波的绕组因数;E30为三次谐波绕组的空载电势;Eq0为基波绕组的空载电势。
HESG的相电压波形受谐波的影响, 输出电能质量会变差。因此, HESG的主绕组通常采用正弦分布方式, 结构如图2所示, 参数如表1所示。
HESG带载后, 电枢绕组电流分解为直轴分量Id和交轴分量Iq。当Id按正弦规律变化时, 同时考虑主绕组线圈的正弦分布, 以转子直轴方向为磁势正方向时, 直轴电枢反应磁势为
式中, Nmax为每相正弦分布定子线圈的最大匝数;θ为电角度。
由Fad产生的磁场为Bsd, 且其三次谐波磁场Bsd3方向与转子主磁场产生的谐波磁场B3方向相同, 因此HESG的感性负载越强, 电枢反应产生的三次谐波磁场越强, 起到抵抗电枢反应的去磁作用。HESG直轴方向的磁场分布如图3所示。图中, B1为转子主磁场的基波分量, B3为转子主磁场的三次谐波磁场, Bsd为电枢反应磁场, Bsd1为电枢反应磁场的基波分量, Bsd3为电枢反应磁场的三次谐波分量。Bsd3产生的电势Esd3=4.44f3N3Kw3Bsd3lτ3, 且与E30相位相同。由公式 (13) 进行傅里叶分解可得Fad3, 从而得其中Radm为直轴磁路磁阻。而Fad3与直轴电流Id成正比, 因此可得Fad3=K″Id, 同理可得电枢反应的交轴分量Iq产生的电势为
依据上分析, 可得HESG的三次谐波电势有效值为
HESG柴油发电机组通常采用如图4所示的励磁主回路。图中, S1、S2为谐波绕组输入端;D1~D4为整流二极管;WE为励磁绕组;R1为励磁限流电阻。谐波电势由S1、S2输入, 并经D1~D4整流后, 通过限流电阻R1向励磁绕组WE提供励磁电流。控制系统通过短路R1, 增加WE的励磁电流, 进而达到控制励磁电压的目的。这种励磁主回路结构可以实现直接起励的作用, 结构简单, 得到了普遍的应用。
图4中励磁电压为控制系统控制电压与整流桥平均整流电压的叠加, 即
式中, E3为三次谐波电势有效值;uf为控制系统输出的励磁电压;rf为励磁绕组阻值。
HESG满足如下方程:
式中, xd为直轴电抗;xd′为直轴瞬态电抗;Td′为发电机纵轴瞬变时间常数;Td0为励磁绕组时间常数;其中xL=ωL为负载电抗;ω为发电机的转动角速度, ω=Pωg;ω0为发电机的标定角速度, ω0=Pωg0。
3 发电机组非线性数学模型分析
依据式 (6) 、式 (7) 、式 (10) 、式 (16) 和式 (17) , 可得发电机组的数学模型为
4 基于派克变换的负载模型
谐波励磁机电复合调速机组的负载通常为阻感性。负载上的电压、电流满足如下矩阵方程:
式中, Re为负载电阻值;L为负载电感值。
将式 (19) 进行派克变换后得
式中, ud、uq分别为机组端电压瞬时值的直轴、交轴分量;id、iq分别为机组输出电流瞬时值的直轴、交轴分量。
5 谐波励磁机电复合调速机组特性试验
由发电机组的非线性动态数学模型可以看出, 谐波励磁机电复合调速柴油机组是由Pe、ωg、l构成的非线性动态系统。负载模型实现了id、iq向ud、uq的转换。同步发电机5阶模型依据ωg、ud、uq、uf、E3可计算出id、iq, 同时结合调速控制、励磁控制共同构成了发电机机组闭环控制仿真模型。仿真模型中各状态变量间的关系如图5所示。
以装配了NJVE4/12F1900L的机电复合控制的分配泵和SB-W 7-2 0-2P型谐波励磁电机的20kW工频发电机组的参数为依据, 对所建立的发电机组的数学模型进行了仿真试验研究。并采用基于CORTEX-M3内核的STM32F130ZET6设计了信号采集、控制系统, 对发电机组突然加载85%标定负载时的转速和电压变化过程进行了测试以验证模型的正确性。电站采用传统的PID速度、励磁独立控制的方式。仿真和测试结果如图6所示。通过对比可以发现:由于实际系统的惯性较大, 所以速度曲线变化较平缓;在试验条件下, 机电复合调速系统可以保证移动电站转速在1.4s左右恢复平稳, 速度控制较快;三次谐波强励磁效果较显著, 对于提高移动电站电压指标具有重要意义。
为了实现移动电站电压、转速的采集, 以及励磁绕组、执行器的驱动, 设计了电压、转速采集电路和驱动电路。
图7为进行电压交流采样的电路图。发电机输出电压通过标号为A_PH_V、N_PH_V的输入接线, 以及限流电阻R2将电压信号转化为0~2mA电流信号, 电流型电压互感器TV1013-1可以实现电流1∶1的隔离传输, 通过电阻R5、电容C1滤波, 转化为正弦电压信号。芯片U1B和电阻PR1、R1构成电压跟随器, 其输出电压叠加在电阻R5上, 使得电阻R5两端的正弦信号为正。MAX293型椭圆滤波器可以滤除U1A的输出电压信号上高的频干扰信号, 电阻R17、R18和电容C3、C51、C52构成椭圆滤波器的外围电路。
图8为转速信号采集原理可实现转速信号的整形输出。移动电站上的霍尔转速传感器输出高频信号通过电阻R2004、R2005分压后的电压V1与Vcc+3.3通过电阻R2033、R2005的分压信号V2进行比较, 当电压V1>V2时, 二极管D2006截止, 当V1
驱动电路原理图如图9所示。ARM芯片输出的PWM驱动信号控制三极管C5551, 并通过TL521-1型光耦实现隔离, 并将输出信号输入LM339型比较器。LM339型比较器输出的PWM信号驱动三极管T1~T3来控制MOSFET管Q1, 并改变输出励磁电压的大小。励磁输出接线与励磁绕组串联, IN5408型二极管并联在励磁绕组两端, 起到续流的作用。
6 结论
(1) 根据机电复合调速系统、三次谐波励磁系统的结构特点, 建立了机电复合调速系统和谐波励磁系统的模型, 并结合阻感型负载的派克模型, 给出了移动电站数学模型。
(2) 仿真试验图形表明:采用机电复合调速方式, 机组速度在1.6s恢复稳定;采用谐波励磁方式, 机组输出电压在1.8s恢复稳定。通过与台架试验对比, 证明了所建模型的可行性, 并证实了机电复合调速、谐波励磁型移动电站具有调速快、强励效果显著的特点。
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变频调速特性 篇6
调速器的调速特性是指喷油泵供油齿杆或拉杆的行程位置随着转速而变化的规律, 常常用特性曲线来表示出其规律性。调速特性曲线是在喷油泵试验台上进行检查和调速的。试验时, 固定操纵杆, 增加喷油泵转速, 分别记录喷油泵凸轮轴的转速和相应的供油齿杆位置, 然后用坐标形式再绘制成特性曲线。
几年来, 我们经过多次反复试验、调试以及上车试验, 对东风汽车配备的CY6105Q柴油机低速行驶时的剧烈“游车”现象, 试以喷油泵调速器怠速调速特性方面探讨其原因。
东风汽车配装的CY6105Q柴油机是在CY6102BQ的基础上加大缸径, 增加排量, 提高功率和扭矩, 它具有优良的可靠性、油耗低、易起动、低噪声、低排放等优点。只是在汽车低速行驶时, 有些柴油机存在着剧烈的“游车”现象, 给驾驶造成不便。机车“游车”现象是发动机在中、低速范围内运转, 加速踏板保持在某一位置不变时, 发动机转速产生忽高忽低的变化。
经检查, 汽车离合器技术性能正常, 柴油机怠速空转时很稳定, 对高压油泵检查喷油泵齿杆灵活, 各部位没有磨损, 因此可以怀疑汽车低速行驶时, 剧烈“游车”是喷油泵调速器反应与柴油机实际需要的供油量不同步造成的。
柴油机标定工况的循环供油量VH (mm3/循环) 近似计算公式:
undefined
式中:ge-有效燃油消耗率 (g/ps.h)
Ne-发动机的标量功率 (ps)
nH-发动机的标定转速 (r/min)
T-发动机冲程数
r-柴油比重 (g/cm3)
i-发动机的气缸数
最终通过台架试验确定。然而汽车在低速行驶时是部分负荷, 而且是随着路况改变而改变, 其实际需要的供油量在诸多因素影响作用下, 很难用计算方法精确计算出来, 因此要解决变载工况下油泵的供油量与柴油机的实际供油量同步问题, 在现有试验设备的条件下, 研究调速器怠速部分的调速特性是解决“游车”现象的重要途径。
我们取一台有“游车”现象的6105Q柴油机的喷油泵, 在油泵试验台上试验, 测出该泵调速器的调速特性曲线。
该曲线与CY6105Q型柴油机喷油泵调速特性曲线 (东风朝阳柴油机公司说明书) 比较无差异。
Sh-SH行程为8.3mm nh100r/min
mH=580r/min
多次反复实践, 保持nh=100r/min与nH=580r/min不变, 将Sh-SH行程减至7.7mm、7.1mm、6.5mm、6.0mm、5.5mm, 其怠速特性曲线值为:
Sh-SH行程减至7.7mm装机后无好转;
Sh-SH行程减至7.1mm装机后还有“游车”现象;
Sh-SH行程减至6.5mm装机后有好转;
Sh-SH行程减至6.0mm装机后消除“游车”现象;
Sh-SH行程减至5.5mm在四挡时“游车”。
变频调速特性 篇7
风机和泵是工业生产中的重要设备, 其年耗电量约占全国总用电量的31.3%[1]。工程设计中, 风机和泵的选型留有很大的裕量。实际运行时, 通常采用挡板或阀门调节风速或流量, 以满足工况需求。但该调节方式导致大量能源浪费在节流损耗上, 风机和泵系统运行效率偏低[2,3]。为解决这一问题, 高耗能企业纷纷采用调速技术代替挡板和阀门, 以实现流量或压力的连续控制以及风机水泵的经济运行。基于磁力驱动技术的永磁调速器是一种新型的调速设备, 具有高可靠性、高效节能、隔振、轻载启动、能够适应恶劣环境等优点[4], 已越来越受到高耗能企业的关注。国内外学者对永磁调速技术的研究也已取得了一定成果[5,6]。然而, 目前关注的主要是筒式结构永磁调速器的应用和节能效果[7], 很少涉及其磁场和机械特性等问题[8], 且设计数据大多基于大量试验和使用经验。
针对上述问题, 笔者采用有限元分析方法, 基于三维运动涡流场对筒式结构永磁调速器进行磁场的仿真和计算, 分析磁场和涡流的分布规律, 并在此基础上, 计算不同啮合面积和不同转差率下永磁调速器的输出功率和转矩。最后将计算结果与试验结果进行了比较, 从而验证了有限元分析结果的正确性。
1 永磁涡流调速器的结构和原理
筒式永磁涡流调速器主要由筒形永磁转子、导体转子和调节机构组成, 结构如图1所示。永磁转子浮动安装在与负载轴连接的输出轴上[9], 其轭铁外圆周面均匀分布着m (偶数) 个永磁体。永磁体径向磁化且N极、S极交替排列。导体转子由导体环和导体筒组成, 固定在电机输出轴上或与电机输出轴相连的输入轴上。两转子间由气隙隔开, 可以独立旋转。调节机构安装在输出轴上, 通过调节两转子间的轴向相对位置来改变啮合面积, 从而控制永磁调速器传递转矩的大小。
1.输入轴或电机输出轴2.导体筒3.导体环4.永磁体5.永磁体轭铁6.调节机构7.输出轴
电机带动导体转子旋转时, 导体转子与永磁转子间的转速差使得导体环切割永磁体的磁力线产生涡流, 涡流产生的感应磁场与永磁体的磁场相互作用, 使永磁转子随导体转子同方向旋转, 最终实现电机和负载之间转矩和运动的传递[10,11]。当负载实际所需转矩减小时, 减小导体转子与永磁转子的啮合面积, 如图2所示。此时, 通过导体转子的磁力线减少, 导致永磁调速器传递的转矩减小, 从而对电机系统起到调速节能的作用。不同于硬机械连接的传动设备, 永磁调速器通过气隙磁场传递转矩, 不仅允许一定量的安装对中误差, 而且有效减小了系统的振动[12]。调节两转子间的啮合面积, 还可以实现电机的空载启动和过载保护, 大大提高系统的可靠性。因此, 永磁调速器在风机水泵节能领域有较好的应用前景[13,14]。
2 永磁涡流调速器的磁场仿真分析
本文采用有限元分析方法, 对永磁调速器进行三维磁场仿真, 分析永磁调速器的涡流场和磁场分布规律。计算过程采用Maxwell方程组来描述和求解永磁调速器的电磁场, 忽略位移电流效应, Maxwell方程组微分形式可写为[10]
式中, ▽为矢量算子;H为磁场强度, A/m;J为传导电流密度, A/m2;E为电场强度, V/m;B为磁通密度, T。
磁场中的本构关系为
式中, μ为磁导率。
考虑永磁体时, 本构关系为
式中, μ0为真空磁导率;M0为本征剩余磁化矢量, A/m。
为了简化电磁场的计算, 在ANSYS中引入了矢量磁势A来描述磁场, 其定义如下:
永磁调速器导体中的总电流密度可表示为
其中, Je为变化的磁场产生的电流密度;Js为标量电位产生的电流密度, 永磁调速器中无源电流, 因此, Js=0;Jv为速度电流密度矢量;σ为电导率, S/m;v为运动导体速度, m/s。
根据上述公式, 导体区的控制方程可表示为
永磁体区的控制方程为
空气、轭铁区和导体筒的控制方程为
根据式 (8) ~式 (10) 以及设定的边界条件可求解永磁调速器的电流密度J、磁感应强度B等电磁场量。
2.1 永磁调速器三维模型
在建立筒式永磁调速器三维模型之前, 为简化问题分析过程, 根据永磁调速器的特点, 作出以下假设: (1) 模型中的所有材料各向同性[12], 永磁体均匀磁化; (2) 忽略永磁转子和导体转子由于装配和转动产生的弹性变形; (3) 筒式永磁调速器实际工作时, 导体转子和永磁转子存在转速差, 根据相对运动原理, 可以假设永磁转子转速为零, 导体转子以一定的相对转速运动[15]。
筒式永磁调速器 (含12个永磁体) 的永磁体材料为钕铁硼, 导体材料选用铝。模型各部分尺寸见表1, 材料属性见表2。根据表1、表2所示参数, 建立筒式永磁调速器模型, 设置永磁调速器各材料的属性, 并为导体转子定义转速。永磁调速器的磁场是由永磁体直接产生的, 只需在模型的外表面加载磁力线平行边界条件。
mm
2.2 永磁调速器三维涡流分布
设定永磁调速器安装在异步电动机上, 电动机额定功率为0.75kW, 额定转速为1400r/min。对永磁调速器三维模型进行瞬态磁场分析, 转差率为0.05时永磁调速器的涡流分布如图3所示。由图3可知, 导体转子切割磁力线产生的感应电流主要分布在导体环上, 呈现涡旋状分布;形成的涡流回路数与永磁体的级数相同, 且相邻回路电流方向相反。因此, 涡流产生的感应磁场正好可以等效成12个N、S极交替排列在导体环上的磁体, 与永磁体相互作用, 从而将导体转子的运动传递给永磁转子。
涡流产生感应磁场的同时还会引起发热损耗, 不仅降低了永磁调速器的传递效率, 也会导致永磁调速器温度升高, 影响永磁体的磁性能。涡流分布在导体转子上, 致使导体转子发热, 一方面可对其采取合理的散热措施, 以控制设备的温升;另一方面, 由式 (7) 可以看出, 永磁调速器的涡流大小与导体转子的电导率和转速差有关。因此, 应合理选择导体环的材料和永磁调速器的额定转差率, 以解决发热严重的问题。
2.3 永磁调速器三维磁场分布
永磁调速器磁感应强度矢量分布如图4所示。主磁通从永磁体出发, 沿径向穿过气隙和导体环, 在导体筒中沿圆周方向传递, 再沿径向穿过导体环和气隙, 到达相邻的永磁体, 最后在永磁体轭铁部分闭合, 形成回路。有部分磁通直接穿过气隙进入相邻磁体, 未对导体转子产生影响, 该部分磁通即为漏磁。漏磁减弱了源磁场对导体转子的作用, 在永磁调速器设计过程中应考虑尽量减小。
气隙处的磁感应强度反映了永磁体磁场与感应磁场的耦合结果, 空载和负载状态下气隙处的径向磁感应强度沿周向的变化曲线如图5所示。两种状态下曲线的变化趋势相同, 呈正弦规律变化, 其峰值点数量均等于永磁体个数, 但负载状态的磁感应强度高于空载状态。空载时, 导体转子与永磁转子无相对运动, 导体转子中不产生感应电流, 气隙处的磁场由永磁体产生;负载时, 导体转子切割永磁体的磁场产生涡流, 涡流产生的感应磁场影响了原气隙磁场的分布和大小, 使得气隙磁场随导体转子切割磁力线的速度的变化而变化。导体转子处于气隙磁场中, 气隙磁场的大小转而影响导体环中涡流的大小。
3 永磁调速器和机械特性及样机试验
3.1 永磁调速器的机械特性
在实际工程应用中, 永磁调速器往往要根据负载需求工作在不同的状态下。因此, 对永磁调速器传递的功率和转矩随啮合面积和转差率的变化而变化的规律进行研究, 分析其机械特性。
永磁调速器是恒转矩传递设备[12], 即
式中, T1为输入转矩, N·m;T2为输出转矩, N·m。
永磁调速器的传递效率为
式中, P1为输入功率, W;P2为输出功率, W;n1为输入转速, r/min;n2为输出转速, r/min;ε为转差率。
根据导体中的涡流密度, 计算损耗的功率:
式中, ρ为电阻率, Ω·m。
输入功率P1与损耗功率的关系如下:
输出功率P2和转矩T2的关系如下:
利用建立的三维有限元模型, 计算出永磁调速器在不同啮合面积和转差率下的涡流损耗, 代入式 (15) 、式 (16) 即可得出永磁调速器的输出功率和转矩, 进而绘制其机械特性曲线, 如图6和图7所示。
1.啮合100%2.啮合80%3.啮合60%4.啮合40%5.啮合20%
由永磁调速器的机械特性曲线可以看出, 在相同转差率下, 啮合面积越大, 永磁调速器传递的功率和转矩越大;在啮合面积不变的情况下, 随着转差率的增大, 输出功率先增大后减小, 输出转矩则不断增大, 并逐渐趋于平缓。转差率增大时, 导体环所处的磁场变化频率加快, 涡流随之增大, 使得传递的转矩不断增加;输出转矩随着转差率的增大而增大, 而输出转速随着转差率的增大而减小, 导致输出功率在转差率增大到一定值时出现减小的趋势。另外, 涡流感应产生的磁场会对永磁体的磁场产生退磁效应, 涡流越大, 退磁效应的影响就越大。因此, 随着转差率的增加, 永磁调速器传递的转矩的增大越来越慢。
1.啮合100%2.啮合80%3.啮合60%4.啮合40%5.啮合20%
筒式永磁调速器的机械特性曲线表明, 可以通过调节永磁调速器的啮合面积来使电机的输出功率适应离心式负载的需求, 达到降低电机能耗的目的。永磁调速器运行时存在转速差, 与电机转速不同步, 但电机的额定转速通常高于负载额定转速, 因此永磁调速器总能保证系统稳定运行在各种工况。
3.2 永磁调速器的样机试验
为验证有限元仿真计算结果的准确性, 对筒式永磁调速器样机进行了试验。试验过程中, 调节筒式永磁调速器的啮合面积和转速差, 测得不同工况下永磁调速器的输出功率。随后, 仿真计算出永磁调速器三维模型在各个试验点的输出功率, 并与试验结果进行对比。试验与仿真的输出功率-转差率曲线如图8所示, 有限元计算结果与试验测得的结果基本吻合, 误差在工程允许的范围内。误差产生的主要原因是:一方面, 利用有限元软件分析筒式永磁调速器时, 对其仿真模型进行了简化, 且模型网格划分的密度影响了计算结果的精度;另一方面, 样机在实际运行时不可避免会存在机械损耗, 导致仿真结果比试验结果略大。通过试验结果验证了利用有限元软件计算永磁调速器的磁场和机械特性是一种可信度较高的方法, 可以用于永磁调速器的设计开发过程, 缩短研发周期。
4 结论
(1) 涡流引起的发热主要集中在导体环上, 在结构设计中应着重考虑导体环的散热;同时, 合理选择导体环的材料和额定工作转差率可避免热损耗过大。
(2) 筒式永磁调速器通过永磁体磁场和导体转子上涡流产生的感应磁场相互作用传递运动和转矩, 漏磁的存在削弱了永磁体对导体转子的作用力。在调速器结构设计的过程中, 应尽量减少漏磁, 以提高永磁体的利用率。
变频调速特性 篇8
风机是机械通风冷却塔的重要设备, 其变频运行已成为冷却塔循环水系统节能讨论的重点。文献[1~5]对风机在变频调节下散热能力变化的研究和节能计算, 但并没有给出风机变频的具体方案和调节的参考依据。冷却塔风机变频调速是通过水温传感器将水温信号传至PLC (Programmable Logic Controller) , PLC对信号进行运算后控制改变变频器的输出频率, 使风机的转速随水温的变化而改变。理论上可根据出水温度对风机进行实时变频调速控制, 但是由于冷却需求总在不断变化、水温电流信号有滞后性等各种因素的影响, 很容易使电流信号形成振荡, 在电流反复冲击下, 变频器的寿命会大大的缩短甚至发生故障[6,7]。
针对风机变频时出现的不稳定问题, 有必要将风机变频离散化, 并制定相应变频模式。冷却塔内填料区的换热能力与通风量密切相关, 通风量又直接由风机电机输入频率 (以下简称风机频率) 决定, 根据上述关系, 本文分析了特征数 (散热能力) 与风机频率的关系, 在新的关系下设计离散频率点的计算方法, 提出了特征数等差离散变频模式, 实现变频调速系统稳定工作。
1 塔内填料热力特性分析
填料的热力特性是指其散热能力, 填料区散热占冷却塔散热总量的60%~70%, 为冷却塔主要的散热区域。我国一般使用Merkel[8]焓差法对冷却塔进行热力计算, 1925年Merkel引入Lewis关系, 将散热与散质统一到焓中, 所建立的冷却塔热力计算方程经演算, 表示为如下:
式中 βv为容积填料散质系数, kg/ (m3•h) ;V为填料体积, m3;C为水的比热, k J/ (kg • ℃) ;Q为总循环水量, kg;i ′为饱和空气比焓, k J/kg;为湿空气比焓, k J/kg;t1为进塔水温度, ℃;t2为出塔水温度, ℃。
将上式表示成我国常用形式:
式 (2) 中N为冷却数, 表示冷却塔需要冷却的负荷大小, 与外界自然环境、进水温度、需求的出水温度有关。
式中: λ为气水比;A、n为常数, N′为特征数, 表示冷却塔具有的冷却能力, 由填料特性决定。
式中, G为总通气量, kg;Q为总循环水量, kg。
式 (1) 等式两边相等表示填料冷却能力满足冷却需求, 填料的设计选型通常由此计算:当N =N′ 时, 得到对应的气水比 λ, 再根据式 (3) 可计算所需填料体积V。
特征数N′ 的大小标志着填料热力性能的好坏。由式 (3) 知, 当填料种类一定时, 参数A、n不变, 气水比 λ 将直接影响填料的散热能力。
对于参数A、n, 由填料本身决定, 填料生产厂家通常会给出其数值, 也可通过实验方法算得各工况的冷却数N和气水比 λ 后, 用最小二乘法拟合得到。计算方程组为:
式中m为实验点数;
冷却数N的计算可根据辛普逊积分法算求解, 因循环水冷却系统的水温差通常不超过15℃, N可由下式算得:
式中i1′ 、i2′ 、in′ 为与t1、t2、tn= (t1+t2) /2相应的饱和焓, k J/kg;i1、i2、in为空气进口、出口及平均的比焓, k J/kg。
2 风机频率与冷却性能 (特征数) 的关系
2.1 通风量与特征数的关系
由式 (3) 知, 在循环水量不变的情况下, 通过风机控制塔内通风量大小可直接改变冷却塔散热能力。由于冷却塔中的通风量主要由风机提供, 通过风机变频改变风机转速, 调节冷却塔通风量G, 塔本身形成的自然抽力可忽略不计, 则可用比值法得到通风量和特征数之间的关系。
与填料有关参数A和n, 在同一冷却塔中数值不变。设在额定工况下的特征数为N0′, 通风量为G0;改变通风量后某一工况下的特征数为N1′ , 通风量为G1。则:
用式 (8) 与式 (7) 相比得到特征数N′与通风量G的关系式:
系数A被消去, 根据参数n就可以由式 (9) 计算出不同风量下的特征数与额定特征数的比值关系, 同样, 因为满足冷却需求时冷却数与特征数相等, 也可根据不同的冷却数计算所需通风量。
2.2 风机电机频率与特征数的关系
设风机流量g为单位时间内的冷却塔通风量, 一定时间内通风量为G, 根据风机相似定律中流量g与转速n成一次正比关系, 可得到下式:
式中:n0、n1为风机的不同转速, r/min;G0、G1为与n0、n1对应的通风量, kg。
风机所使用电机是三相异步电机, 电源输入频率与电机转速关系为:
式中:n为电机转速, r/min;s为转差;f为电源频率, Hz;p为磁极对数。
电机输出轴通过传动轴与风机减速箱连接, 减速箱传动比不变, 电机转速与风机转速成一次正比。
将式 (9) 、式 (10) 、式 (11) 联立, 得到特征数与风机电机输入频率的关系:
上式是基于相似定律推导得出的, 成立的条件是每个工况点都是相似工况点, 即每点的风机效率都相等。实践证明, 当转速变化在一定范围内时才可认为风机是等效率的[9]。
机械通风冷却塔中常采用孔眼大, 阻力小的填料。以塑料斜波50×20-60° (数字分别代表波距、波高、斜角) 填料为例, 将其叠置五层, 总高1.25m, 参数n=0.50。图1为在此填料 (n=0.5) 下, 风机频率与特征数无因次特性关系。
由上图可知, 风机电机输入频率对填料散热的影响是非线性的, 散热能力随频率的增加而增大, 且其影响效果越来越小。
3 特征数等差离散变频模式分析
经上述分析知, 风机频率过小会使冷却塔散热能力不足, 风机频率过大又会造成风能的浪费, 因此合理的风机频率应满足冷却塔的冷却需求, 且风能应被充分利用, 提高能源利用率。
变频器输出的频率决定于由PLC根据出水温度信号运算后发出的控制指令。为保证风机的高效运行, 通常风机变频后转速不低于额定转速的70%, 这时仍可认为风机运行在相似工况, 满足相似定律, 对应变频器输出频率不低于35Hz。
为避免水温传感器的电流信号时刻变化造成变频器震荡, 本文提出离散化的变频模式。由式 (10) 知, 风机频率对特征数的影响是非线性的, 特征数代表塔内冷却能力, 风机变频时的离散点决定风机是否能满足冷却需求, 同时使系统稳定。如果离散点选择不当, 如离散间隔过大会造成冷却能力的突变, 使变频系统不稳定;离散间隔过小, 则冷却能力变化过小, 达不到工况需求。为使风机离散变频时换热能力的均等变化, 在变频范围内, 将特征数等差离散, 计算相应离散频率点。
3.1 离散频率点计算方法
首先求出风机电机输入频率在35Hz时与50Hz时的特征数之比N′min/ N′max;然后, 在以N′min/ N′max与1 (N′max/ N′max) 这两个无因次数为边界的闭区间内, 将特征数之比等差离散, 表示风机每次变频时冷却塔的冷却能力变化量均等。每次变频的特征数之比的差为:
上式中m为离散阶数, 为整数, 表示在变频范围内将特征数均等分为m段。
最后, 离散变频点f1由下式计算:
上式中, i为整数, 0 ≤ i ≤ m, i在其取值范围内取不同的值可得到其系列的变频点。
3.2 离散变频模式
风机变频模式的制定是根据传感器检测到的出水温度, 判断出水温度是否满足工况需求, 并对风机电机输入频率做出调整, 调整方式是根据上述计算的离散频率点, 通过PLC对变频器发出指令, 对风机频率进行升阶或降阶的控制。图2为单台可变频风机依据离散点确定的变频模式, 设计工况:出水温度上限为32℃, 下限为30℃, 变频信号检测周期为20min。
依据风机频率与特征数关系以及冷却塔散热需求的变化规律, 选择符合工况的离散点个数 (变频阶数) , 制定的变频模式应满足工况需求的同时减少变频次数。
3.3 实例计算
天津石化化工部使用NL-I-4000型冷却塔, 现对其风机进行变频节能改造。冷却塔设计工况:循环水流量为4000m3/h, 风机额定功率200kw, 叶片直径9.14 m, 额定工况风量为296×104m3/h。以参数n=0.50的填料为例, 利用式 (12) 、式 (13) 、式 (14) 计算频率点。表1为离散点个数分别为3至10个时的频率。
变频器调频精度通常可达到1%~2%, 所以计算频率点的精度取到0.01是有意义的。每个频率对应一条风机性能曲线, 它们分别与管路特性曲线相交, 相交点为各自工况点。所选取频率点个数越多, 风机变速调节幅度越小, 散热变化越平缓。不同外界环境 (干湿球温度) 影响冷却塔散热需求变化不同, 离散点个数应依据此条件选择。
表2为当离散频率点选为10个时, 各频率下风机的运行参数与填料散热性能变化。由表可知:特征数之比等差变化, 代表散热能力的等差变化;风机轴功率与风机电源频率的三次方成正比, 当风机频率下降时, 节能效果显著。
4 结束语
本文针对冷却塔风机变频调速系统, 根据塔内填料热力特性与风机相似定律, 得到风机频率与特征数的关系, 设计了等差散热量下离散频率点的计算方法。依据算得的频率点, 由变频系统根据设计工况的出水温度, 制定了风机升阶、降阶的变频模式。通过对天津石化化工部冷却塔风机 (叶片直径9.14 m) 变频改造后的计算, 得知在此变频模式下冷却塔散热能力变化更加平稳, 变频调速系统实现了稳定运行, 且风机具有良好的节能效果。
摘要：基于冷却塔内填料热力特性, 结合风机相似定律, 得到并分析了冷却塔风机频率与冷却性能的关系, 进而提出了特征数等差离散变频模式, 并优化设计了一种离散频率点的计算方法。结果表明, 该模式解决了风机电机输入频率因散热需求变化等因素导致的易波动问题, 并取得了较好的节能效果, 为风机变频模式的选择提供依据。
关键词：冷却塔风机,填料热力特性,特征数,变频模式
参考文献
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变频调速特性 篇9
调速特性原理
康明斯电控柴油机节气门变化可以实现转速控制、扭矩控制以及混合控制三种不同的调速方式:全程调速特性ABS、两极调速特性ABT、混合调速特性。
全程调速特性以发动机转速为控制目标, 两极调速特性以发动机喷油量 (转矩) 为控制目标, 混合调速特性是两者兼顾, 都有相同的控制源——节气门踏板。
ABS把节气门踏板开度值标定对应于发动机转速, 在发动机的调整控制区域内控制发动机的转速。此控制模式具有一定的Droop (斜率) 和同步转速控制, 这样ABS全程调速特性工作的需求交互、接口、初始化及性能要求才能确定。ABS不需要对控制需求特别明确。简而言之, 节气门开度对应于发动机的转速, ABS调速特性适用于要求发动机转速稳定的设备中, 常应用于非道路设备。
ABT是一种基于控制油门踏板位置开度对标定发动机输出扭矩的一种发动机控制策略。根据节气门位置开度对应发动机的负载标, 调速发动机转速使其稳定在低怠速和最大负载转速之间, 此时发动机的转速与负载状况相关。表现为发动机转速随着发动机负载的增加而降低。ABT模式下要增加发动机转速, 应增加转矩需求即增加开度。简而言之, 节气门踏板开度对应着需求的转矩。ABT调速模式工作状态因发动机转速变化较平滑, 故在低载和道路负载的设备中较优异, 常应用于道路车辆。
混合调速特性是综合ABT和ABS的一种模式, 具有较优异的动力性。ABT模式是由发动机转速控制使负载变化平稳为目标;而ABS模式由发动机转矩变化控制使发动机转速稳定为目标;故ABT相对ABS来说, 优点是驾驶操作平滑, 但转矩响应动力性差。试验证明, 优化混合调速特性标定设值, 可以在良好的驾驶特性基础上, 综合油耗不增加或略有优化的基础上对动力性有较大改善。
调速特性研究
本次研究对象是康明斯9L电控柴油机, 发动机输出功率为290~375马力 (1马力≈0.735k W) 。
ABT的调速特性如图1所示。标定图表分析如下:在0%节气门的标定转矩为负值, 其目的是松节气门时让发动机快速回怠速表现是发动机转速下降得快。如果车辆在上坡时换挡, 驾驶人会感觉发动机转速下降较快, 动力感觉不充沛。如果再出现换挡失误重新起步, 发动机在低速最大负荷区域加速时间可能会长甚至发生熄火, 驾驶人感觉动力不足。
在100%节气门时, 标定转矩值远远大于外特性, 其目的是加节气门时发动机快速响应。
ABS的调速特性如图2所示。标定图表分析如下:在0%节气门开度时储备转矩大, 使发动机起动带载能力强, 当发动机载荷变化大时, 发动机转速稳定。在100%节气门的高怠速区域仍具有较强的高负荷变化能力。
全程调速特性应用于非道路车辆时, 发动机转速稳定性高, 抗负载变化能力强。但是燃油消耗率偏高。如果应用于道路行驶车辆, 则在高速行驶中有利于驾驶人换挡, 但舒适性不佳, 车辆行驶路面稍差, 发动机加减速时, 车辆有可感知的颤抖。
混合型1调速特性 (定斜率型) 的调速特性如图3所示。标定图表分析如下:此种调速特性是以ABT为基础兼顾两种两极调速特性和全程调速特性的优点综合的一种调速特性模式, 目的是改善动力性, 兼顾油耗和舒适性调整的一种模式, 具有较好的线性, 便于参数发放和集成。
混合型2调速特性 (变斜率型) 的调速特性如图4所示。此种调速特性也是以ABT为基础兼顾两种两极调速特性和全程调速特性的优点综合的一种调速特性模式, 目的也是改善动力性, 兼顾燃油消耗率和舒适性调整的一种模式, 但不具备有较好的线性。
混合型2调速特性相对混合型1调速特性的优点是实现工况区域细分。在动力性需求较大时, 即对发动机常规转矩需求值大的低转速区域提高其抗变化性, 发动机高转速区域平滑提高舒适性和降低燃油消耗率。经试验证明, 在综合油耗变化较小的前提下实现了对动力性较好的改善。
车辆试验研究
1.试验车辆信息
试验车辆信息见表1。
2.车辆试验方法
(1) 控制条件车辆、驾驶人、路线、驾驶操作均一致, 标载, 小于三级风的晴天, 环境温度10℃~16℃。
(2) 数据来源发动机开发使用的软件记录数据, 实车实时监测操作状况, 确保数据准确性。
(3) 调整坡道同物理位置, 同挡位, 同车速入坡, 满油门控制, 换挡条件操作方式相同。
(4) 动力分析以车辆挡位状态, 换挡状况, 发动机转速变化, 综合时长, 燃油消耗等数据进行分析对比。
(5) 油耗分析坡度油耗, 记录路段油耗和里程;综合油耗, 统计全天油耗数据和里程。
(6) 测试路段山区高速坡道关注点坡度约3.5%, 国道坡道关注点坡度约6.5%。
3.试验数据分析
(1) 高速坡道换挡状况分析在相同坡路和同一驾驶人的条件下, 最高挡入坡, 发动机转速1200r/min时减挡, 1800r/min时加挡, 监测车速及速比 (挡位) , 满油门上坡。分别试验ABT、ABS、混合型1和混合型2调速特性。ABT调速特性的换挡状况如图5所示。ABS调速特性的换挡状况如图6所示。混合型1调速特性的换挡状况如图7所示。混合型2调速特性的换挡状况如图8所示。根据图5~图8, 分析如下:
1) 从挡位上看混合型2调速特性 (ABT2) , 在入线车速最低的状态下使用7挡即完成上坡, 动力性好。
2) 从低挡 (6挡) 在挡时长分析, 全程调速特性 (ABS) 模式因其斜率较大相对较优, 混合型1调速特性 (ABT1) 相对两极调速特性 (ABT) 有较大优势。
3) 综合分析结论是调速特性对动力性有影响, 混合型调速特性具有改善车辆动力性的功能。
(2) 国道坡道换挡状况分析在相同坡路和同一驾驶人的条件下, 入线车速50km/h, 加减挡由驾驶人根据使用经验决定, 整个试验在连续四天内完成。分别试验ABT、ABS、混合型1和混合型2调速特性。试验结果见表2。
国道试验条件复杂, 换挡次数较多。本次评价是根据当前数据和工况的综合性进行的。
1) 低挡位状况分析:评价因素是低挡位次数和低挡位总时长, 综合越少越好, 分析结论是混合型2调速特性优于全程调速特性ABS;全程调速特性ABS优于混合型1调速特性;混合型1调速特性优于两极调速特性ABT。
2) 高挡位状况分析:挡位越高, 占时越长, 综合性越大越好, 分析结论是混合型2调速特性优于全程调速特性ABS;全程调速特性ABS优于混合型1调速特性;混合型1调速特性优于两极调速特性ABT。
3) 是混合型调速特性动力性有较好改善, 有利于国道坡路的行车换挡, 混合型2调速特性综合性更好。
(3) 车辆综合性油耗分析在相同路段和同一驾驶人的条件下, 试验车辆分别在平原高速、山区高速及综合路况下进行燃油消耗率试验, 每种试验在连续4天内完成。分别试验ABT、ABS、混合型1和混合型2调速特性。试验结果如图9所示。由此可见, 混合型调速特性综合燃油消耗率较有优势。
结语
