摘 要: 利用“比較跟蹤放大(CTA)變頻(逆變)技術(shù)”,提出了一種在柴油機(jī)測功過程中的能量回饋方案。該方案可逆變出純正弦波形的電能回饋電網(wǎng),使節(jié)約能源和降低柴油機(jī)生產(chǎn)成本成為可能,且不對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。
關(guān)鍵詞: CTA逆變 柴油機(jī)測功 能量回饋
隨著技術(shù)的進(jìn)步,在動力機(jī)和動力設(shè)備的研制方面,對動力機(jī)(如柴油機(jī))的各項性能都提出了更高的要求。我國有中小柴油機(jī)廠數(shù)百個,目前各中小柴油機(jī)廠對柴油機(jī)功率及其它性能參數(shù)的測量手段及設(shè)備仍相對落后。測功設(shè)備均為水力測功機(jī)配以各分立測試儀表。測試時,將柴油機(jī)的機(jī)械能通過水力測功機(jī)轉(zhuǎn)化為的水的溫升(熱能)都白白浪費掉了。據(jù)不完全統(tǒng)計,一臺中小型柴油機(jī)在功率測試過程中轉(zhuǎn)化成熱而浪費的能量,如果全部轉(zhuǎn)化成電能,可達(dá)到生產(chǎn)這臺柴油機(jī)所用電能的1/3左右。由此看來,如果能改進(jìn)測功工藝,開發(fā)優(yōu)質(zhì)高效的能源回饋技術(shù),將柴油機(jī)測試過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng),將會大大節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本。通過對柴油機(jī)測功的能量回饋研究,本文提出了一種有參考價值的設(shè)計方案。
1 方案設(shè)計
在柴油機(jī)測功過程中,將水力測功機(jī)負(fù)載改為發(fā)電機(jī),在滿足測試工藝的前提下,通過CTA逆變技術(shù)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率和幅值不固定的電能,優(yōu)質(zhì)高效地轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)同頻同幅且同步的電能,回饋給電網(wǎng)(或帶動其它用電負(fù)載),即可達(dá)到節(jié)能的目的。我們采用如下方案:在柴油機(jī)試驗臺上和柴油機(jī)同軸安裝減速機(jī)、發(fā)電機(jī)和啟動電機(jī);發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)整流、CTA逆變電路,逆變出和電網(wǎng)同頻同步的電能;再經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路回饋至電網(wǎng)。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 CTA逆變原理
CTA是比較跟蹤放大(Compare-Track-Amplify)的英文縮寫。它逆變出的波形輪廓完全由提供的參考信號決定。單相的CTA逆變電路原理圖如圖1所示。
經(jīng)過整流得到的直流電,加在圖中+、-端。S1、S2為開關(guān)管,兩組L、C分別構(gòu)成兩個正負(fù)半波濾波器。參考正弦信號Vref和后級取樣信號在比較器中比較的結(jié)果,通過驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)管S1、S2的通斷,就會在后級得到帶鋸齒的正弦波,且其基波是和參考信號Vref同頻率的正弦波。把此電壓信號作為電源加在乙類功率管上,功率管為射極輸出,最后在負(fù)載上就可得到頻率和參考信號Vref完全相同的純正弦電壓波形。輸出電壓的波形和頻率完全由參考信號Vref決定。
2.2 試驗臺設(shè)備配置
試驗臺設(shè)備配置框圖如圖2所示。柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般都高于發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(如各系列柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速有1800、2200、2900r/min等多種,而發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為1500r/min)。為使轉(zhuǎn)速相匹配,同時也使試驗臺能夠適應(yīng)不同型號柴油機(jī)的測功試驗,設(shè)置了有2～3個轉(zhuǎn)速比的減速機(jī)和發(fā)電機(jī)相匹配。啟動電機(jī)的作用是在測試試驗前啟動柴油機(jī),啟動后即通過離合器和轉(zhuǎn)軸分離。啟動電機(jī)為小容量的三相異步電動機(jī),它和電網(wǎng)的切換由轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。當(dāng)啟動完成時,轉(zhuǎn)換開關(guān)即切斷電網(wǎng)和啟動電機(jī)的連接,進(jìn)入柴油機(jī)的低速空載磨合期(根據(jù)各型號柴油機(jī)的測功工藝不同,磨合期在20～50分鐘不等)。此后,加大油門進(jìn)入不同轉(zhuǎn)速下的參數(shù)測試期。在測試期,當(dāng)CTA逆變電路正常工作時,轉(zhuǎn)換開關(guān)將電路切換到能量回饋端。從CTA逆變電路輸出的能量經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電壓幅值后,回饋給電網(wǎng)。
2.3 三相CTA逆變技術(shù)方案
CTA逆變技術(shù)電路的主電路如圖3所示,分為整流(由整流二極管組成)和逆變(由IGBT組成)兩部分。通過CTA逆變電路,在逆變側(cè)輸出與電網(wǎng)同頻率且同步的略帶毛刺的正弦波,再經(jīng)TA技術(shù)電路濾去毛刺,輸出純正弦波,經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路后,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)送入電網(wǎng)。CTA逆變技術(shù)目前已成為一種能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)純正弦波的成熟逆變技術(shù),其產(chǎn)生的正弦波波形失真度小于4～5%。
電壓調(diào)節(jié)電路是一個隨時跟蹤電網(wǎng)電壓幅值的高性能的電動調(diào)壓器。由取樣的電網(wǎng)側(cè)及逆變輸出側(cè)的信號和柴油機(jī)測功的負(fù)載信號經(jīng)過運算和處理,產(chǎn)生電動調(diào)壓器的調(diào)節(jié)信號,調(diào)節(jié)電壓比以控制回饋電流。為使電路穩(wěn)定,電路中加入了電流反饋環(huán)節(jié),以穩(wěn)定回饋電流(即柴油機(jī)測功的負(fù)載)。
2.4 CTA逆變控制電路
2.4.1 CTA逆變控制原理
CTA逆變控制電路要解決兩個問題:一是逆變出的電壓波形必須和電網(wǎng)電壓同頻率且同步,這可通過直接從電網(wǎng)電壓側(cè)同步取參考信號來實現(xiàn);二是輸出的電壓波形毛刺包絡(luò)線要比較窄,否則,后級TA技術(shù)電路的功率管功耗將大大增加。這可通過適當(dāng)提高控制電路和IGBT管的開關(guān)頻率來實現(xiàn)。控制電路原理框圖如圖4所示。
首先從電網(wǎng)側(cè)同步取出可供逆變器工作的參考信號和同步信號,由此參考信號產(chǎn)生的三相六波頭信號和由逆變器輸出的帶毛刺三相六波頭信號進(jìn)行比較,從而產(chǎn)生控制IGBT導(dǎo)通的控制信號。再經(jīng)由六脈沖門信號控制的門電路,送到六個IGBT柵極,從而控制六個IGBT的通斷,最后使逆變器輸出和電網(wǎng)同頻率、同相位(同步)的帶毛刺正弦波。通過由電網(wǎng)參考信號控制的TA技術(shù)電路濾去毛刺(諧波),即得到和電網(wǎng)同頻率、同相位的純正弦電壓。再經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)整后,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)回饋給電網(wǎng)。
2.4.2 測功控制
對于小型柴油機(jī),以額定轉(zhuǎn)速為2200r/min為例,測試工藝要求在800～1000r/min時空載磨合約30分鐘,此階段逆變器不工作,發(fā)電機(jī)不發(fā)電;然后在1000～1100 r/min時,加額定負(fù)載的50～60%,運行30～40分鐘,此階段發(fā)電機(jī)開始發(fā)電,逆變器工作并向電網(wǎng)回饋電能;在測試后期,柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下滿負(fù)載運行約一小時,系統(tǒng)在此狀態(tài)下測定柴油機(jī)的各項參數(shù),主要包括功率、扭矩、耗油量、機(jī)油溫度、進(jìn)出氣溫度、汽缸壓力等;最后是測定在超過額定負(fù)載30%負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速、耗油量、機(jī)油溫度、汽缸壓力等參數(shù)的變化情況。
小型柴油機(jī)要測試的參數(shù)較少,測功工藝也相對簡單。而中型及以上柴油機(jī)需要測試的參數(shù)較多,要求也較高。為提高測功系統(tǒng)的可靠性和測試參數(shù)的準(zhǔn)確性,提高控制效率,整個測功系統(tǒng)采用微型機(jī)算機(jī)控制。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由計算機(jī)控制的油門供油量閉環(huán)控制,通過操作面板上的觸摸開關(guān)給定其升降;負(fù)荷的大小由逆變器回饋入電網(wǎng)電流的大小決定,計算機(jī)通過采樣回饋電流信號及對負(fù)荷給定信號的比較計算,來調(diào)節(jié)(微調(diào))電壓調(diào)節(jié)電路的電壓比,從而調(diào)節(jié)回饋入電網(wǎng)的電流大小,以實現(xiàn)負(fù)荷的增減。負(fù)荷的增減給定,也由操作面板上的負(fù)荷增減觸摸開關(guān)實現(xiàn)。柴油機(jī)的各項參數(shù),包括轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、耗油量、機(jī)油溫度、進(jìn)出氣溫度、汽缸壓力等均由各數(shù)字測量儀表或測量傳感器通過計算機(jī)運算和處理后,進(jìn)行存儲、顯示和打印,并配以適當(dāng)?shù)膱缶筒樵児δ?以實現(xiàn)測功系統(tǒng)的完整性和通用性。
3 參數(shù)設(shè)計
以額定功率為18.5kW的S195和S1100柴油機(jī)為例,選定測功系統(tǒng)的功率等級為20kW,額定轉(zhuǎn)速為2200r/min。
發(fā)電機(jī)選用額定轉(zhuǎn)速為1500r/min、額定輸出功率為20kW的三相交流發(fā)電機(jī)或單相交流發(fā)電機(jī)。所配減速箱為具有1800/1500、2200/1500和2900/1500三個速比和扭矩為80牛頓米的減速箱。
CTA逆變器主電路功率元件參數(shù)為:整流二極管耐壓1000V(單相發(fā)電機(jī)選用800V),額定電流為40A(單相發(fā)電機(jī)選100A);IGBT管耐壓1000V,額定電流為40A;濾波電容為兩個耐壓1000V和容量為2200μF的電解電容。
CTA逆變器的三相輸出端,各有一個由兩個電容和一個電感組成的濾波環(huán)節(jié),其作用是將輸出的脈沖波形變?yōu)閹в忻痰恼也ㄐ巍４穗娙莺碗姼袇?shù)不可過大,也不可過小。通過實驗,此電感和電容分別選為8～10mH、20μF較為合適。
目前,我國各柴油機(jī)生產(chǎn)廠均未進(jìn)行柴油機(jī)測試中能量回饋的研究和開發(fā),但這方面的研究和開發(fā)對節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本極有價值,同時在礦山、起重業(yè)方面也有很大的應(yīng)用前景。據(jù)初步統(tǒng)計,僅在動力機(jī)生產(chǎn)測試中,若進(jìn)行能量回饋開發(fā),我國每年即可回收再生電能近億度。通過前期的研究和實驗結(jié)果來看,本方案的可行性和可靠性均較好,但尚需進(jìn)行計算機(jī)控制和配合測試工藝的進(jìn)一步完善和開發(fā)。
參考文獻(xiàn)
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