摘 要: 利用“比較跟蹤放大(CTA)變頻(逆變)技術”,提出了一種在柴油機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,使節約能源和降低柴油機生產成本成為可能,且不對電網產生污染。
關鍵詞: CTA逆變 柴油機測功 能量回饋
隨著技術的進步,在動力機和動力設備的研制方面,對動力機(如柴油機)的各項性能都提出了更高的要求。我國有中小柴油機廠數百個,目前各中小柴油機廠對柴油機功率及其它性能參數的測量手段及設備仍相對落后。測功設備均為水力測功機配以各分立測試儀表。測試時,將柴油機的機械能通過水力測功機轉化為的水的溫升(熱能)都白白浪費掉了。據不完全統計,一臺中小型柴油機在功率測試過程中轉化成熱而浪費的能量,如果全部轉化成電能,可達到生產這臺柴油機所用電能的1/3左右。由此看來,如果能改進測功工藝,開發優質高效的能源回饋技術,將柴油機測試過程中的機械能轉化為電能回饋給電網,將會大大節約能源,降低生產成本。通過對柴油機測功的能量回饋研究,本文提出了一種有參考價值的設計方案。
1 方案設計
在柴油機測功過程中,將水力測功機負載改為發電機,在滿足測試工藝的前提下,通過CTA逆變技術將發電機發出的頻率和幅值不固定的電能,優質高效地轉換為和電網同頻同幅且同步的電能,回饋給電網(或帶動其它用電負載),即可達到節能的目的。我們采用如下方案:在柴油機試驗臺上和柴油機同軸安裝減速機、發電機和啟動電機;發電機輸出的電能經整流、CTA逆變電路,逆變出和電網同頻同步的電能;再經電壓調節電路回饋至電網。
2 硬件電路設計
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。
經過整流得到的直流電,加在圖中+、-端。S1、S2為開關管,兩組L、C分別構成兩個正負半波濾波器。參考正弦信號Vref和后級取樣信號在比較器中比較的結果,通過驅動電路驅動開關管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 試驗臺設備配置
試驗臺設備配置框圖如圖2所示。柴油機的額定轉速一般都高于發電機的額定轉速(如各系列柴油機額定轉速有1800、2200、2900r/min等多種,而發電機的額定轉速一般為1500r/min)。為使轉速相匹配,同時也使試驗臺能夠適應不同型號柴油機的測功試驗,設置了有2～3個轉速比的減速機和發電機相匹配。啟動電機的作用是在測試試驗前啟動柴油機,啟動后即通過離合器和轉軸分離。啟動電機為小容量的三相異步電動機,它和電網的切換由轉換開關來實現。當啟動完成時,轉換開關即切斷電網和啟動電機的連接,進入柴油機的低速空載磨合期(根據各型號柴油機的測功工藝不同,磨合期在20～50分鐘不等)。此后,加大油門進入不同轉速下的參數測試期。在測試期,當CTA逆變電路正常工作時,轉換開關將電路切換到能量回饋端。從CTA逆變電路輸出的能量經電壓調節電路調節電壓幅值后,回饋給電網。
2.3 三相CTA逆變技術方案
CTA逆變技術電路的主電路如圖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,在逆變側輸出與電網同頻率且同步的略帶毛刺的正弦波,再經TA技術電路濾去毛刺,輸出純正弦波,經電壓調節電路后,通過轉換開關送入電網。CTA逆變技術目前已成為一種能產生優質純正弦波的成熟逆變技術,其產生的正弦波波形失真度小于4～5%。
電壓調節電路是一個隨時跟蹤電網電壓幅值的高性能的電動調壓器。由取樣的電網側及逆變輸出側的信號和柴油機測功的負載信號經過運算和處理,產生電動調壓器的調節信號,調節電壓比以控制回饋電流。為使電路穩定,電路中加入了電流反饋環節,以穩定回饋電流(即柴油機測功的負載)。
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電壓同頻率且同步,這可通過直接從電網電壓側同步取參考信號來實現;二是輸出的電壓波形毛刺包絡線要比較窄,否則,后級TA技術電路的功率管功耗將大大增加。這可通過適當提高控制電路和IGBT管的開關頻率來實現。控制電路原理框圖如圖4所示。
首先從電網側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行比較,從而產生控制IGBT導通的控制信號。再經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同頻率、同相位(同步)的帶毛刺正弦波。通過由電網參考信號控制的TA技術電路濾去毛刺(諧波),即得到和電網同頻率、同相位的純正弦電壓。再經電壓調節電路調整后,通過轉換開關回饋給電網。
2.4.2 測功控制
對于小型柴油機,以額定轉速為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,發電機不發電;然后在1000～1100 r/min時,加額定負載的50～60%,運行30～40分鐘,此階段發電機開始發電,逆變器工作并向電網回饋電能;在測試后期,柴油機在額定轉速下滿負載運行約一小時,系統在此狀態下測定柴油機的各項參數,主要包括功率、扭矩、耗油量、機油溫度、進出氣溫度、汽缸壓力等;最后是測定在超過額定負載30%負荷下的轉速、耗油量、機油溫度、汽缸壓力等參數的變化情況。
小型柴油機要測試的參數較少,測功工藝也相對簡單。而中型及以上柴油機需要測試的參數較多,要求也較高。為提高測功系統的可靠性和測試參數的準確性,提高控制效率,整個測功系統采用微型機算機控制。柴油機轉速由計算機控制的油門供油量閉環控制,通過操作面板上的觸摸開關給定其升降;負荷的大小由逆變器回饋入電網電流的大小決定,計算機通過采樣回饋電流信號及對負荷給定信號的比較計算,來調節(微調)電壓調節電路的電壓比,從而調節回饋入電網的電流大小,以實現負荷的增減。負荷的增減給定,也由操作面板上的負荷增減觸摸開關實現。柴油機的各項參數,包括轉速、功率、扭矩、耗油量、機油溫度、進出氣溫度、汽缸壓力等均由各數字測量儀表或測量傳感器通過計算機運算和處理后,進行存儲、顯示和打印,并配以適當的報警和查詢功能,以實現測功系統的完整性和通用性。
3 參數設計
以額定功率為18.5kW的S195和S1100柴油機為例,選定測功系統的功率等級為20kW,額定轉速為2200r/min。
發電機選用額定轉速為1500r/min、額定輸出功率為20kW的三相交流發電機或單相交流發電機。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為:整流二極管耐壓1000V(單相發電機選用800V),額定電流為40A(單相發電機選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節,其作用是將輸出的脈沖波形變為帶有毛刺的正弦波形。此電容和電感參數不可過大,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,我國各柴油機生產廠均未進行柴油機測試中能量回饋的研究和開發,但這方面的研究和開發對節約能源和降低生產成本極有價值,同時在礦山、起重業方面也有很大的應用前景。據初步統計,僅在動力機生產測試中,若進行能量回饋開發,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果來看,本方案的可行性和可靠性均較好,但尚需進行計算機控制和配合測試工藝的進一步完善和開發。
參考文獻
1 Cianzhi Zhou，Xiangjun Zhang，Haibin Xu. Unitive Switch Theory Introduction and Its Application.IPEMC＇97，729～733
2 周謙之,王維平,許海斌.CTA復合變換的優波高效與負載適應性分析.電力電子技術,1997.4