区别发电机与电动机（精选7篇）
区别发电机与电动机 篇1
摘要：三台索拉机组自2007年以来, 频繁的发生机组逆功率保护和熄火保护跳机事故, 造成逆功率保护和熄火保护起动的主要原因是当线路发生接地、短路故障或者主燃料阀突然关闭后, 机组将发生逆功率保护跳机故障和发动机熄火保护跳机故障, 严重影响电力生产的安全可靠性。
关键词：索拉,发电机逆功率,发动机熄火,研究
1 故障现象简介
(1) 2007年7月17日, #2索拉机组发电机逆功率保护动作, #2索拉机组出口断路器跳闸, 机组冷却非闭锁停机;#3索拉机组发电机逆功率保护动作, #3索拉机组出口断路器跳闸, 机组空载运行。
(2) 2009年1月30日, 10K V瓦克夏输气首站#1线1031相间短路, 电缆起火、故障跳闸;输气首站#2线1032故障跳闸。#1、#2索拉机组发电机保护动作, 逆功率保护动作, #1、#2索拉机组出口断路器跳闸, 机组冷却非闭锁停机。
(3) 2009年8月25日由于10KV瓦克夏燃油#2进线 (掺稀线) 1005电流Ⅰ段保护动作跳闸, #1、#2索拉机组熄火保护动作, 索拉机组出口断路器跳闸, 机组快速非闭锁停机。
(4) 2009年11月15日, #2索拉机组告警:发电机保护故障 (CN561 GEERATOR PR O TEC TI ON FA U L T) ;机组告警:燃气压力高 (FN482 GAS FUEL STRT PRESS FLOW HI) 、点火失败 (FN497 IGNTION FAILURE) ;机组发电机保护装置报警:逆功率保护 (32#DIRETCTION POWER) 。
(5) 2010年2月17日#2索拉机组告警:发电机保护故障 (C N561 G E E R A T O R PR O TEC TI ON FA U LT) ;机组告警:燃气压力高 (FN482 GAS FUEL STRT PRESS FLOW HI) 、点火失败 (FN497 IGNTION FAILURE) ;机组发电机保护装置报警:逆功率保护 (3#2 DIRETCTION POWER) 。
2 索拉机组发电机逆功率保护研究
(1) 2009年1月30日10KV瓦克夏输气首站#1线1031相间短路, 造成#1、#2机组逆功率保护停机, 为了防止逆功率保护动作的再次发生, 将#1、#2索拉机组逆功率保护启动值由-0.08P u改为-0.1P u, 逆功率保护时间由3s改为5s。但是2009年8月25日由于瓦克夏燃油#2进线 (掺稀线) 1005电流Ⅰ段保护动作跳闸#1、#2索拉机组报警, 发动机熄火保护快速非闭锁停机后, 发电机发生逆功率保护冷却非闭锁停机, 也就是说机组最终快速非闭锁停机, 故障录波中的数据可以看出三台索拉机组逆功率保护起动后在5秒内均返回 (如图1、图2) , 从而, 造成逆功率保护的后备保护动作, 发动机熄火保护跳机, 再次将#1、#2索拉机组逆功率保护时间由5s改为4s, 逆功率保护定值不变 (-0.1Pu) 。
(2) 2009年11月15日和2010年2月17日#2索拉机组先后发生了两次发电机逆功率保护停机, 故障现象相同, 索拉机组的故障报警条分别为:
CN561 GEERATOR PROTECTION FAULT
FN482 GAS FUEL STRT PRESS FLOW HI
FN497 IGNTION FAILURE
32#DIRETCTION POWER
故障发生后, 索拉公司检查认为是主燃料阀突然关闭后, 索拉机组发生发电机逆功率保护起动, 此时的发电机的逆功率时间为4.3秒左右, 可以得出结论, 当索拉机组主燃料阀故障突然关闭后, 索拉机组将发生逆功率现象, 逆功率时间为4.3秒。
(3) 通过对发电机逆功率保护动作时间可以判断, 无论是电网发生故障还是机组发生故障造成的逆功率的动作时间在4至5秒之间;
#1、#2索拉机组逆功率保护动作, 机组将会冷却闭锁停机, 熄火保护动作将会快速非闭锁停机, 3#索拉机组逆功率保护动作, 机组将会冷却非闭锁停机, 在索拉机组《TITAN130燃气发电机组安装与维护手册》中定义:
a、冷却非闭锁停机:
包括正常停机和一些超过报警状态, 但不会立即造成设备设备, 包括滑油温度高, 带载失败和一些重新运行前需要修正的动作 (进入冷却非闭锁停机, 将进入正常停机程序, 机组将空载运行10分钟)
b、冷却闭锁停机:
包括正常停机, 也包括运行状态超过立即停机的水平, 但设备损坏已经发生, 典型的故障包括传感器的顺坏、油箱液位低、油箱压力高
c、快速非闭锁停机:
包括持续运行可能引气的设备损坏, 这些状态可能由于瞬时的故障;瞬时的故障包括:发动机超速、低转速、发电机熄火保护, 高振动 (发动机、压气机或者发电机)
根据索拉公司对这两种停机方式的定义不难看出, 机组的这三种停机方式更希望机组能够执行冷却非闭锁停机、冷却闭锁停机次之, 最不希望的是快速闭锁停机, 因为快速闭锁停机可能造成设备部件的损坏。
3 结论
目前, #1、#2索拉机组, 发电机逆功率保护和发动机熄火保护同时发生的情况下, 说明发电机逆功率保护定值设定不正确, 在索拉机组安装与维护手册中明确的定义, 熄火保护是由于发电机逆功率造成的, 需要修改#1、#2索拉机组逆功率保护定值, 建议将逆功率保护动作后延时3停机。
参考文献
[1]Titan130 Gas Turbine-Driven Generator Set Installation and Maintenance Instructions
[2]M-3420 Generator Protection Instruction Book
区别发电机与电动机 篇2
1 永磁电机的电磁转矩参数计算与组成
1.1 永磁电机的直流分量的概述
即永磁体的制动转矩和磁滞磁链与定子电流之间产生的平均转矩。永磁体的制动转矩表达式为:
式中Id0和Iq0为永磁体在定子绕组中感应的转速频率的电流;7d0和7q0为Id0和Iq0在定子dq轴绕组中产生的磁链;Xs为同步电气角速度;E0=Xs7pm, 7pm为永磁体产生的的磁链;xd=Xs Ld, xq=Xs Lq;s为转差率。
1.2 永磁电机以转差频率脉振的分量
即转子永磁体在气隙空间形成的转子磁势与定子磁势之间的作用而产生的转矩, 在电机接近同步速时, 交变的频率逐渐减小, 在同步运行时与定子磁势形成稳定的同步电磁转矩, 见式 (2) 。
1.3 永磁电机二倍转差频率的脉振转矩
它由dqn轴系中转差频率的磁链和转差频率的电流之间的作用所形成。如果气隙均匀, 磁路对称, 则这项转矩为0, 它是d、q轴磁导不等所引起的, 见式 (3) 。
由于机械时间常数远大于电气时间常数, 所以在转速较低的阶段, 即转差率s接近于1时, 永磁体的电磁转矩角频率也接近于电气角频率, 而在转速接近于同步速时, 因为转差率s接近0, 此时转矩交变的角频率与机械时间常数对应的角频率接近到同一数量级, 所以在接近同步的时刻, 永磁体的电磁功率的流向就不能忽略。
2 定子相电流对永磁机转差率特性与电流特性的影响
电机的定子相电流值反映了电机起动、同步阶段的绕组温升情况。相电流波形的变化对电机运行的稳定性有重要影响。如果在起动阶段, 电流瞬变过程出现电流过大、频率不稳定的现象, 就有可能对定子绕组造成损坏, 从而使电机的性能恶化。电机牵入同步的同时, 电流开始下降;这是因为磁滞损耗、涡流损耗随转差率的减小而逐渐减小, 所以定子输入的电功率降低, 相电流减小;同时, 永磁体感应电势平衡了一部分定子电压, 所以定子电流进一步降低。永磁体增加时, 随着永磁体感应电势的增加而使定子起动电流增加, 稳态电流降低。
3 永磁电机转速的特性与最高效的运行频率
随着永磁体在定子中感应电势E0的增加, 即当永磁材料的比例增加到原来3倍的时候, 转速在比较低的数值振荡, 电机未能进入同步。如果观察此时的永磁体制动转矩, 可以发现在转速为2000 r/m附近永磁体制动转矩有一个峰值, 而且可看到电机转速没有能够超过这一数值, 所以电机永磁材料不能无限制地增加, 由于永磁体制动转矩增加, 而使电机起动时间延长。
4 三相异步交流电动机的制动运转状态
若要使三相异步电动机在运行中快速停车、反向或限速, 就需要进行电气制动, 其特点是电动机的转矩T与转子旋转n的方向相反, 以实现制动。同时希望制动时制动转矩尽可能大, 而制动电流则不能过大, 使拖动系统有较好的制动性能。此时, 电动机由轴上吸收机械能, 并转换为电能三相异步电动机电气制动有能耗制动和回馈制动。
4.1 概述能耗制动的几个方面
(1) 能耗制动原理。能耗制动是把原处于电动状态的电动机定子绕组从三相电源上切除, 迅速将其接入直流电源, 通入直流电流, 流过电动机定子绕组的直流电流, 在电动机气隙中产生一个静止的恒定磁场, 转子感应电流与恒定磁场相互作用产生电磁力与电磁转矩, 由左手定则判断, 该电磁转矩T方向与转子旋转n方向相反, 起制动作用。 (2) 能耗制动机械特性分析。由于定子绕组通入的是直流电, 建立的是恒定静止的磁场, 因此能耗制动时的机械特性与发电机状态一样, 当电动机定子电流一定时, 增加转子电阻, 产生最大制动转矩的转速也增大, 但最大转矩值不变, 而当转子电路电阻不变, 增大定子直流电流时, 则最大制动转矩增大, 而产生最大转矩时的转速不变。
4.2 回馈制动 (再生发电制动) 的分析
处于电动运行状态的三相异步电动机, 如在外加转矩作用下, 使转子转速n大于同步转速n1, 于是电动机转子绕组切割旋转磁场的方向将与电动运行时相反, 因而转子感应电动势、转子电流、电磁力和电磁转矩方向都与电动状态时相反, 即电磁转矩T方向与n方向相反, 起制动作用。这种制动发生在起重机重物高速下放或电动机由高速挡换为低速挡的过程中, 对应的是反向回馈制动与正向回馈制动。起重机就是应用反向回馈制动来获得重物高速稳定下放的。反向回馈制动时, 将三相异步电动机原工作在正向提升重物状态的三相电源反接, 此时电动机定子旋转磁场反转, 电动机转速因为机械惯性来不及变化, 当电动机加速到等于同步转速时, 虽然电磁转矩降为零, 但由于重力转矩TL的作用, 仍使电动机继续加速并超过同步转速。
5 三相异步电机运行电流与负载率的计算
当忽略励磁电流, 不考虑挤流效应时, 则三相运行相电流的有效值
三相异步电动机正常运行时相电流的有效值IB3=UBC
起动电流IB3St=UBC34S2m+1=KIN (6)
联立式 (6) 和式 (4) , 得IB1IN=3K4S2m+12+1S+12-S2S2m+4 (7)
设三相异步电动机的负载率B=TTN, 由三相电动机的实用表达式得出:S=Sm B (K-K2-B2) …… (8) 将式 (8) 代入式 (7) , 整理得:
对于三相异步电动机来说, 一般有K=1.6~2.5, K=5~7, Sm=0.1~0.2.如果取K=2.0, K=6, Sm=0.1, 代入式 (9) , 就可以得到不同负载率下单相运行时的电流与额定, 单相运行电流与负载率的关系: (1) 随着负载增大, 单相运行电流增大; (2) 单相运行时, 电动机的带负载能力大大下降, 即由1.0降低到0.4左右。
6 结语
随着科技的快速发展, 相信在不久的将来一定会有更加先进的技术与分析出现的, 那时的设备也会越来越智能化, 能够大大地解放工作人员的双手。
摘要：随着我国经济的快速发展与科技的跨越式进步, 永磁电机与三相异步电动机也在不断地应用到各个领域, 这些设备用途广泛, 但设备价值贵重, 所以要合理地使用才能发挥其应有的价值。
关键词：永磁电机,三相异步电动机,运行特性,变频特性
参考文献
[1]李蒙.浅谈永磁电机[J].中国文刊, 2010, 3.
[2]郝雨曼.三相异步电机的讨论[Z].文库, 2009, 12.
区别发电机与电动机 篇3
随着环保和能源问题的日益突出,电动汽车以其零排放、低噪声等优点而倍受关注,世界各国都把电动汽车作为汽车工业的发展方向。纯电动汽车(EV)起步控制技术作为纯电动汽车的关键技术之一,其研究对纯电动汽车技术的发展及其产业化具有重要意义。
目前,关于车辆起步控制的研究已有很多,文献[1,2,3]研究了双离合器自动变速器车辆起步与换挡过程中离合器的动态控制,文献[4,5,6]针对AMT车辆的起步和换挡过程进行了研究。文献[7]为了提高电动汽车起步加速过程的性能, 建立了车速与电流双闭环调速系统的仿真模型,并对车速阶跃响应进行了仿真研究。文献[8]针对电动汽车的起步加速过程,提出了恒转矩+恒功率控制、恒转矩控制和恒功率控制的三种电机控制方案,并分析了采用不同的电机控制方案对电动车原地起步加速时间的影响。然而,这些文献都没有考虑不同坡度对起步性能的影响。文献[9]针对装备电控制动器的车辆设计了一种坡度起步辅助系统,根据车轮处的转矩和车辆运动状态对电控制动器进行控制以实现坡度平稳起步。文献[10,11]提出了一种基于扭矩传感器的坡度起步辅助系统,该系统能够很好地辅助驾驶员实现坡度起步,有效避免溜车现象的发生。但是以上两种坡度起步方法都必须利用扭矩传感器进行转矩检测,适用范围受到限制。
本文根据车辆正常起步的技术实质,提出了一种纯电动汽车电机与制动器协调控制的自动起步控制方法,对其起步控制过程进行了动力学分析,在此基础上提出了一种具有坡度识别和坡度自适应能力的纯电动汽车电机与制动器协调控制起步策略。在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了仿真模型,对所提出的控制策略进行了仿真研究,结果表明,电机与制动器协调控制起步策略具有较好的坡度自适应能力。
1 起步过程动力学分析
车辆正常起步的关键操作在于离合器、制动踏板和油门踏板之间的协调控制,其技术实质就是驱动力与制动力之间的协调控制。在起步过程中,驱动力与制动力之间协调控制的好坏直接决定了车辆的起步性能,若驱动力与制动力协调控制效果不好,则可能会造成发动机熄火、起步冲击度过大、坡度溜车或飞车等现象,严重影响驾驶员的舒适性和安全性。
本文根据车辆正常起步的技术实质,利用纯电动汽车起步无需离合器参与的特点和电机 “低速大扭矩,响应速度快”的基本特性,模仿普通自动变速器车辆的自动起步功能,提出了一种纯电动汽车电机与制动器协调控制的自动起步控制方法,即利用驱动力与制动力之间协调控制实现起步。
1.1 上坡(平路)起步过程分析
本文将车辆在自由状态下会发生倒溜或停止不动的路面称为上坡(平路)路面。如图1所示,根据制动器制动力Fb和车辆驱动力Fd的变化规律,将上坡(平路)起步过程分为四个阶段:
第一阶段:驾驶员解除制动之前。此阶段对车辆起步品质没有任何影响。
第二阶段:坡度识别阶段。在t0时刻,驾驶员解除制动后进入此阶段,首先控制车辆驱动力Fd迅速增加到最大起步阻力Frmax(电机特性决定了此过程在0.3s内完成),同时制动器制动力Fb在0.3s内下降到2倍的最大起步阻力Frmax。然后驱动力Fd保持不变,制动力Fb按照冲击度限制的变化率继续下降,到t1时刻,电机转速n开始大于0,此时驱动力、阻力和制动力的平衡方程为
Frmax=Fb0+Ff+Fi=
Fb0+mgfcosα+mgsinα (1)
式中,Fb0为坡度识别阶段最后一刻时的制动器制动力;Ff为车辆滚动阻力;Fi为车辆坡度的阻力;m为整车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;α为路面坡角;Frmax为最大起步阻力,即最大坡角起步时的阻力。
Frmax的表达式如下:
Frmax=mgfcosαmax+mgsinαmax (2)
式中,αmax为车辆最大起步坡角。
由式(1)、式(2)求得路面的坡角为
坡角α与坡度i的换算关系为
α=arctani (4)
第三阶段:制动器制动力Fb和车辆驱动力Fd协调控制阶段。本阶段以冲击度为限制条件,协调控制Fd与Fb在相同时间内下降至目标驱动力Fd_tar和目标制动力0,其中目标驱动力Fd_tar的大小等于当前坡角下最低稳定车速所对应的行驶阻力。考虑坡角识别误差,可以得到上坡(平路)路面坡角的可能取值范围为[(1-e)α,(1+e)α](e为第二阶段的坡道识别误差),因为上坡(平路)时目标驱动力Fd_tar的功能是克服行驶阻力防止倒溜,所以目标驱动力Fd_tar需要克服最大坡角(1+e)α下的行驶阻力,即
式中,CD为风阻系数;A为车辆迎风面积,m2;vi为最低稳定车速,km/h。
式(5)中,根据后面的仿真结果可知,坡度识别误差e在3%以内,所以取e=0.03。
第四阶段:等待驾驶员参与阶段。在驾驶员未踩下加速踏板时车辆按照驱动力Fd_tar行驶,当驾驶员踩下加速踏板后,按照驾驶员意图输出驱动力。
整个上坡(平路)起步过程的动力学模型为
式中,a为车辆加速度;δ为旋转质量换算系数。
起步过程的冲击度J为
由式(7)可以看出,当Fd-Fb>Fi+Ff时,系统才会产生冲击,而且此时Fd和Fb的下降斜率Kd、Kb需满足如下关系:
|Kd-Kb|=Jδm (8)
由式(7)可得,制动器制动力Fb和车辆驱动力Fd协调控制阶段的时间计算模型为
由式(8)、式(9)可以计算得到Fd和Fb的下降斜率。
1.2 下坡起步过程分析
本文将车辆在自由状态下会发生前溜的路面称为下坡路面。如图2所示,根据制动器制动力Fb和车辆驱动力Fd的变化规律,将下坡起步过程分为四个阶段。其中,第一、二、四阶段与上坡(平路)起步过程完全相同,只有第三阶段的目标驱动力Fd_tar的计算方法有所区别。
考虑坡角识别误差,可以得到下坡路面坡角的可能取值范围为[(1-e)α,(1+e)α],此时坡角为负值,值越大坡角越小。因为下坡时目标驱动力Fd_tar既要防止车辆前溜过快,又要保证车辆以最低稳定速度前进,所以目标驱动力Fd_tar只需要克服最小坡角(1-e)α下的行驶阻力,即
2 制动器制动力控制模型
为了进行纯电动汽车电机与制动器协调控制起步,必须建立制动液压力与制动力间的关系模型。液压制动系统制动力Fb与制动液压力p的关系为
式中,K1、K2分别为前后轮制动器制动因数;R1、R2分别为前后轮制动器制动块作用半径;d1、d2分别为前后轮制动器制动轮缸直径;r为车轮半径;Fw1、Fw2分别为前后轮制动器制动轮缸对制动块的作用力。
由于受路面附着系数φ的限制,制动器制动力Fb存在一个最大值Fbmax:
Fbmax=mgφ (12)
由式(11)、式(12)计算得液压制动系统制动力Fb与制动液压力p的关系,如图3所示。
3 电机与制动器协调控制起步策略
根据前面对起步控制过程的动力学分析,本文提出了一种具有坡度识别和起步自适应功能的纯电动汽车电机与制动器协调控制起步控制策略,其控制流程如图4所示,该策略可以总结为7个步骤:
(1)判断驾驶员是否解除制动,若驾驶员没有解除制动,则返回继续判断。
(2)若驾驶员解除制动,则控制车辆驱动力Fd在0.3s内增加到Frmax,同时制动器制动力Fb在0.3s内下降到2Frmax。然后保持驱动力Fd不变,使制动力Fb按照冲击度限制的下降斜率继续下降。
(3)判断电机转速n是否大于零,若n不大于零,返回继续判断;若n大于零则将此时的制动力Fb0与Frmax进行比较。
(4)若Fb0大于Frmax,则可以确定车辆处于下坡起步,根据式(3)计算坡角α,然后根据式(10)计算目标驱动力Fd_tar。
(5)若Fb0不大于Frmax,则可以确定车辆处于上坡(平路)起步,根据式(3)计算坡度α,然后根据式(5)计算目标驱动力Fd_tar。
(6)以冲击度为限制条件,协调控制Fb和Fd在相同的时间内分别下降到0和Fd_tar,Fb和Fd的下降斜率Kd、Kb根据式(8)、式(9)计算得到。
(7)控制车辆在驱动力Fd_tar下低速运行,完成自动起步,同时等待驾驶员参与起步操作。
本控制策略中,第(2)～第(5)步为坡度识别策略;第(6)步为制动力与驱动力的协调控制策略,即制动器与电机的协调控制策略。
4 仿真分析
在MATLAB/Simulink软件平台上,搭建了起步控制仿真模型,从起步时间、起步冲击度、坡度识别精度和大坡度起步时有无溜车或飞车现象四个方面对本文控制策略进行了仿真研究,整车参数如表1所示。
4.1 电机与制动器协调起步控制方法仿真分析
图5、图6分别为坡角20%和10%的上坡起步仿真结果,可以看出上坡起步时,坡度识别时间为0.5～0.8s,协调控制时间为0.1～0.3s,总起步时间在0.9s以内,起步冲击度在6m/s3以内,车速始终大于或等于0,无负车速。可以得出结论:本文提出的起步控制策略在大坡度上坡起步时,可以迅速完成自动起步功能,冲击度小,无车辆倒溜现象,而且完成自动起步后以较低的车速行驶来等待驾驶员操作。
图7所示为平路起步仿真结果,可以看出平路起步时,坡度识别时间为0.5s,总起步时间为0.8s,起步冲击度在2m/s3以内,车速变化平缓。可以得出结论:本文提出的起步控制策略在在平路起步时,可以迅速完成自动起步功能,冲击度小,而且完成自动起步后以较低的车速行驶来等待驾驶员操作。
图8、图9分别为-10%和-20%的下坡起步仿真结果,可以看出下坡起步时,坡度识别时间为0.3～0.5s,协调控制时间为0.3～0.6s,总起步时间在0.9s以内,起步冲击度在7m/s3以内,车速变化平缓。可以得出结论:本文提出的起步控制策略在大坡度下坡起步时,可以迅速完成自动起步功能,冲击度小,而且完成自动起步后以较低的车速行驶来等待驾驶员操作,且大坡度下坡起步时无飞车现象。
综上所述,可以得出如下结论:本文提出的纯电动汽车电机与制动器协调控制起步策略不仅起步时间短,起步冲击小,坡度识别精度高,大坡度上坡起步无溜车现象,大坡度下坡起步无飞车现象,而且能在不同坡度上自动起步后以较低车速行驶,等待驾驶员的加速踏板操作,坡度自适应能力较好,自动起步安全性较好。
表2所示为坡度识别结果,可以看出,坡度识别误差在3%以内,比较精确。
4.2 常规纯电动汽车自动起步控制方法仿真分析
由于无自动起步功能的车辆起步性能受驾驶员操作熟练程度的影响较大,且本文研究的是具有自动起步功能的起步控制方法,所以本文选择具有自动起步功能的常规纯电动汽车起步控制方法作为对比。
常规纯电动汽车自动起步控制方法由于不具备坡度识别能力,一般按照某个坡度的上坡起步能力来确定起步扭矩,自动起步扭矩值为固定值。本文分别对具有5%、10%、20%坡度上坡起步能力的自动起步控制方法进行了不同坡度起步时的仿真分析,仿真结果如图10、图11和图12。
由图10、图11可以看出,具有5%和10%坡度上坡起步能力纯电动汽车自动起步控制方法在更大坡度上坡起步时会出现负车速(即倒溜现象)。若提高其上坡起步能力,如图12所示,车辆具有20%坡度的上坡起步能力,虽然在规定的坡度范围内不会出现倒溜现象,但是其在小坡度或者下坡起步时,车速上升过快,若驾驶员不及时参与起步,可能会发生飞车现象,影响驾驶员的安全性。因此,为了保证安全性,常规纯电动汽车自动起步控制方法一般只具有较小坡度的上坡起步能力,较大坡度时依然需要驾驶员参与才能正常起步,不具备坡度自适应能力。
综上所述,本文提出的纯电动汽车电机与制动器协调控制起步方法与常规纯电动汽车自动起步控制方法相比,具有较好的坡度自适应能力,能够完成不同坡度下的自动起步,而且具有较高的安全性。
5 结论
(1)本文根据车辆正常起步的技术实质,结合纯电动汽车起步无需离合器参与的特点,提出了纯电动汽车电机与制动器协调控制的自动起步控制方法。对纯电动汽车电机与制动器协调控制的起步过程进行了动力学分析,在此基础上提出了一种具有坡度识别和自适应起步功能的纯电动汽车电机与制动器协调控制起步策略。
(2)在MATLAB/Simulink软件平台上,搭建了起步控制仿真模型,并进行了仿真研究。结果表明,采用电机与制动器协调控制起步策略不仅起步时间短,起步冲击小,坡度识别精度高,而且不同坡度起步时均无溜车或飞车现象,具有较好的坡度自适应能力。
(3)本文对常规纯电动汽车自动起步控制方法进行了仿真分析,将仿真结果进行对比得出,本文提出的纯电动汽车电机与制动器协调控制起步方法具有常规纯电动汽车自动起步控制方法没有的坡度自适应能力。
参考文献
[1]秦大同,刘永刚,胡建军,等.双离合器式自动变速器两离合器起步控制与仿真[J].机械工程学报,2010,46(18):121-127.
[2]Kulkarni Manish,Shim Taehyun,Zhang Yi.Shift Dynamics and Control of Dual-clutch Transmis-sions[J].Mechanism and Machine Theory,2007,42:168-182.
[3]Amir I A,Qin Datong,Liu Zhenjun.A Control Strategy on Starting up a Vehicle with AMT[J].In-formation Technology Journal,2005,4(2):140-145.
[4]Zhao Yongsheng,Chen Liping,Zhang Yunqing.En-hanced Fuzzy Sliding Mode Controller for Automa-ted Clutch of AMT Vehicle[J].SAE Paper,2006-01-1488.
[5]Liu Haiou,Chen Huiyan,Ding Huarong,et al.A-daptive Clutch Engaging Process Control for Auto-matic Mechanical Transmission[J].Journal of Bei-jing Institute of Technology,2005,14(2):170-174.
[6]Zhao Y S,Chen L P.Enhanced Fuzzy Sliding Mode Controller for Launch Control of AMT Vehicle U-sing a Brushless DC Motor Drive[J].International Journal of Automotive Technology,2007,8(13):383-394.
[7]汪贵平,马建,杨盼盼,等.电动汽车起步加速过程的动力学建模与仿真[J].长安大学学报(自然科学版),2009,29(6):98-102.
[8]佘建强,万淑芸.电动汽车电动机起步加速控制研究[J].湖北汽车工业学院学报,2003,17(1):1-3.
[9]Delvecchio D,Savaresi S M,Spelta C.A Control System for Hill Start Assistance for Commercial Vehicles[C]//ASME2009Dynamic Systems and Control Conference(DSCC2009).Hollywood,Cali-fornia,USA.2009:517-524.
[10]崔海峰,刘昭度,王国业,等.基于扭矩传感器的汽车坡道起步辅助系统[J].仪器仪表学报,2006,27(10):1191-1193.
区别发电机与电动机 篇4
目前电动汽车充电设施建设主要有两种方式,一是占用较大场地的充电站方式,二是占用空间比较小的离散充电桩方式，这两种方式都存在一定的不足。充电站方式可以满足目前市场上要求的直流充电和交流充电方式，但是在日益紧张的市区空间很难有合适的地方建设，只能选址市郊;而占用空间不大的离散桩，只能对带车载充电机的电动汽车进行充电。而电动汽车一体化充电机可以很好的对上述两种充电设施建设方式进行有力的补充，在未来电动汽车充电设施建设中存在很大的竞争优势。
1 电动汽车一体化充电机设计
本文所论述的电动汽车一体化充电机依据《GB/T 20234-2011电动汽车传导充电连接装置-通用要求》、《NB/T 2033001-2010电动汽车非车载传导式充电机技术条件》、《Q/GDW 478-2010电动汽车充电设施建设技术导则》、《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》等相关要求进行设计。该产品在满足标准对电动汽车充电桩技术要求的基础上，强化了充电机电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的设计，具有故障充电模块自动剔除、无线组网等功能。该产品采用模块化设计，有利于产品维护。
1.1 硬件系统构成
电动汽车一体化充电机硬件系统主要由总控单元、模拟量采集模块、开关量采集模块、开关量输出控制模块、CPU卡读写器、数字电表、移动通信模块、显示屏、指示灯、按键、充电模块等组成。硬件系统的结构框图如图1所示。
总控单元是硬件系统的核心组成部分,它以高性能的32位ARM芯片TI-AM1808为核心,使用linux系统,外部通过配置FPGA芯片扩展多路通信口。总控单元具有16路RS232/485、2路CAN、2路标准以太网口。总控单元对各输入模块输入的数据进行实时运算、处理,实现系统的各种逻辑控制功能,并通过键盘及液晶显示接口进行人机交互和系统信息的实时显示,通过通信接口与上位机及其它配有通信接口的模块进行通信。对配置模块提供RS232、RS485两种串行通讯方式,可适应多种波特率和校验方式。总控单元通过以太网口或GPRS方式与后台进行通讯,可在远端实时获取运行数据,也可对一体化充电机进行管理和配置。总控单元可实时监测充电桩的运行状态,保证充电过程的安全、可靠,可对充电桩的进线输入电压,充电输出电压、电流,充电接口连接状态,车载电池管理系统状态,车载电池状态等进行实时监测,一旦出现异常,能够及时切断电源输出,保护电动汽车、电池及充电桩的安全。
其它各功能模块通过通讯方式实时上传总控单元所需要的数据，接受总控单元下发的命令，通过有机合理的配置共同完成充电工作。
系统利用通信技术实现控制分布而信息管理相对集中的分布式控制系统(DCS)[4]，该控制系统具有良好的性能和易于维护，具有良好的经济效益。
1.2 软件系统设计
电动汽车一体化充电机在空闲状态下进行充电模块自检，当某一模块存在可控状态下的报警时，依然可以进行正常的充电流程，监控系统可将故障信息发送到后台，以便进行维护处理。
当电动汽车需要充电时，用户将充电卡放置刷卡区，根据画面提示通过键盘进行相应操作，连接充电接口，选择充电模式，启动充电过程。在上述过程中，总控单元检测充电接口连接状态，如果连接状态不正常，则无法启动充电。同时，在充电过程中，显示区的充电指示灯点亮。总控单元实时监测充电电压、充电电流、充电接口连接状态、充电开关状态等，在异常或故障时断开充电开关，并报警。
充电桩软件系统主要完成的功能是将各功能模块有机的结合起来，实现各模块的协调工作，系统整体控制流程图如图2所示。
1.3 系统可靠性设计
电动汽车一体化充电机应用环境大多在室外，工作环境比较恶劣，需要适应雨、雪、雾、风吹、日晒、高温、低温等恶劣天气的考验[5,6,7]。需要进行可靠性设计。
充电桩硬件采用分布式离散控制方式，软件采用模块化编写规则，这样既能保障一体化电动汽车充电机高效可靠运行和可维护性，又使软件系统具有良好的扩展性，对产品升级换代具有非常重要的意义。
电动汽车一体化充电机输入输出电压比较高，功率比较大(可达100k W)，如不能进行可靠设计一旦发生事故后果比较严重，故对相关方面进行了严格设计。电磁兼容性方面严格按照GB/T 18487.3—2001中相关条款规定的电磁环境测试要求进行设计，结构采用金属外壳，壳体坚固，外表面采用汽车烤漆工艺，充电机防护等级按照IP20要求设计，充电机内印刷线路板、接插件等电路应进行防霉变、防潮湿、防盐雾处理，其中防盐雾能力按照GB/T 4797.6—1995中表9的要求设计，使充电机能在室外潮湿含盐雾的环境下正常运行。
电动汽车一体化充电机软件对待机、启动充电、结束充电等状态进行严密判断，即保证安全使用，也保证用户等方面的利益。软件方面采取的具体措施如图3所示。
2 现场应用及优势
本项目开发完成的电动汽车一体化充电机，于2011年12月通过了电力工业电力系统自动化设备质量检验测试中心的型式试验;目前，本项目已通过有关专家的鉴定，并在山东临沂焦庄充电站、义堂充电站，山东济南英贤充电站、葛家庄充电站等推广应用，得到一致好评。
电动汽车一体化充电机现场应用的优势：
首先，电动汽车一体化充电机能够提高土地利用率。电动汽车充电站一般建立在大型停车场、变电站等地方，占地面积大，而电动汽车一体化充电机充分利用现有土地，可在停车场、高速公路服务区、甚至在不影响交通的路边等地方安装，方便电动汽车驾驶者随时为汽车充电，这种充电桩的占地面积仅为1m²，提高了土地利用率。
其次，对带动电动汽车全产业链的发展有促进作用。电动汽车一体化充电机的合理配置能大大提高电动汽车的续驶里程，从而促进电动汽车市场的扩张。
最后，有助于低碳经济的发展。随着电动汽车一体化充电机的普及应用，将大大促进电动汽车行业的发展，对环境的可持续发展起到促进作用。
3、结论
本电动汽车一体化充电机严格遵守国家及国网公司相关标准，并根据电动汽车产业发展的规划和发展方向，研制了一种稳定、可靠、安全、实用的电动汽车一体化充电机。改充电机可靠的性能、较高的土地使用率和安装的方便性将有力的推动电动汽车充电行业的发展。
摘要：随着能源危机的显现和日益严苛的环保要求,电动汽车及其支撑配套设施得到了快速的发展。针对国内电动汽车充电站(桩)当前建设场地大等问题,设计并实现了一种电动汽车一体化充电机。首先介绍了国内电动汽车一体化充电机的现状、需求,然后以国网公司标准为设计原则进行了硬件系统的设计,采用了模块化设计原则进行了软件系统的设计,针对充电桩恶劣工作环境进行了系统安全性设计。本电动汽车一体化充电机已在山东临沂、济南等众多充换电站运行使用,运行结果表明该装置安全、稳定、可靠,必将为电动汽车的发展提供强有力的保障。
关键词：一体化,充电机,电动汽车
参考文献
[1]王涛,张东华,贺智轶,梁曦.电动汽车充电桩的控制系统研究与设计[J].湖北电力.2011.1
[2]张允,陆佳政,李波.利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩[J].高电压技术.2011.1
[3]周洪超,李海峰.基于博弈论的电动汽车充电站选址优化模型研究[J].科技和产业.2011.2
[4]程仁海.分布控制系统通信技术简介[J].华东电力.1994.2
[5]崔玉峰,杨晴,张林山,王骏.国内外电动汽车发展现状及充电技术研究[J].云南电力技术,2010,2
[6]Scotland WWF.The Role of ElectricVehicles in Scotland’sLow CarbonFuture[R].Scotland:WWF Scotland,2010
[7]The Alpiq Group.Electric VehicleMarket Penetration inSwitzerlandby 2020[R].Switzerland:The AlpiqGroup,2010
区别发电机与电动机 篇5
我们公司主要生产矿山用小型挖掘机的模拟教学设备产品, 在业界也小有名气。一次, 一家大型挖掘机生产企业找上门来, 要求定制两台大型挖掘机的模拟教学设备。由于设备庞大, 模拟教学设备的训练内容也要相应增加, 显示屏也要相应增大, 使用了一台带有弧度的超宽显示器来显示完整的画面。整台设备的体积也要加大, 以便使操作者有实际操作真实设备的感觉。
就在这两台模拟教学设备的研制接近尾声之时, 客户又提出了一个新的要求, 就是模拟教学设备的座椅要有振动的效果。即如果遇到加油门或是踩刹车, 座椅应当有向前或向后摆动的感觉。过去的产品座椅都是固定的, 我们查阅了一些资料, 市场上有一些成品振动座椅, 但尺寸都不合适。再有这个产品已经制作完成, 再重新研制新摆动座椅也不太可能。最现实的办法就是对现有的座椅进行改造。
于是我们想到用单片机控制步进电机来实现。将固定座椅从工作台上拆卸下来, 座椅下面加装滑轮与滑轨, 通过连杆与步进电机主轴相连, 由步进电机带动座椅来回摆动。我们的改造方案最终获得厂领导的同意, 于是改造工作正式开始。从上面的改造思路我们可以看到, 整个的改造内容有两部分, 一部分是机械部分的改造, 一部分是电气部分的改造。而我们只负责电气部分的改造。经过两个多月的努力, 我们终于将座椅改造完成, 产品得到用户的肯定, 厂子也获得了较好的信誉。现将电气部分的研制过程整理如下, 希望对有类似项目的同仁能有所借鉴。
1 步进电机及驱动器的型号选择
一个座椅, 坐上一个成年人, 座椅下面安装上滑轮与滑轨, 那么需要多大的力能够拉动这个座椅, 这是需要计算才能够知道的。假设成年人的体重是200kg, 滑轮的滑动系数是0.2, 那么需要拉动座椅的力
步进电机给出的参数是扭矩, 扭矩在物理学中就是力矩的大小, 等于力和力臂的乘积, 国际单位是牛米Nm。假设我们的步进电机的力臂是10cm, 也就是0.1m, 那么400N的力需要的扭矩
当然我们这个估算还没有考虑机械设备的机械效率, 除此之外, 还要留有一定的设计余量等, 最终我们选择了130BYG三相步进电机, 具体型号为130HT5050A3, 而与之配套的驱动器的型号为3M2080。我们之所以选择130BYG三相步进电机, 是因为它的静扭矩达到50Nm, 符合我们的计算要求。
2.单片机的选择与控制电路
步进电机需要脉冲信号进行驱动, 如今有了步进电机驱动器, 我们对步进电机的控制简单多了。下图是厂家提供的步进电机控制系统连接图。
从图中可以看到, 控制器部分我们只需用单片机的3 个引脚产生3 路控制信号, 即脉冲信号、方向信号和使能信号, 就可以方便的控制步进电机。所以我们单片机选用的是STC12C2052AD。
3 座椅的功能要求与编程实现
对座椅的功能要求是这样的:当操作者踩油门时, 座椅应有一个向后的摆动, 而且操作者踩油门的动作越大, 座椅的摆动幅度就越大;当操作者踩刹车时, 座椅应有一个向前的摆动, 而且操作者踩刹车的动作越大, 座椅的摆动幅度就越大。为了实现这种运动功能, 我们是用单片机产生脉冲信号控制步进电机的摆动来实现的。通过与模拟教学设备的软件工程师进行沟通, 他们说油门与刹车的信号是通过两个传感器产生两个模拟量信号, 然后再通过AD转换将这两个模拟量信号转换成一个字节 (即0~255) 的数字量信号。而且这个数字量信号可以通过串口通信送给单片机。知道了这个工作机制, 我们选用的STC12C2052AD单片机就显示出它的优势。因为它自身带有AD转换功能, 所以我们在对座椅进行功能调试的时候, 并不需要连接油门和刹车, 而是在单片机的一个AD端口接一个电位器, 只要转动电位器的旋钮, 就可以模拟出踩油门与踩刹车的动作。等到把座椅的运动完全调试完毕, 再真正接入油门与刹车信号, 并对之进行统调, 这使得调试工作变得方便简单, 并能够与座椅的机械改造部分同步进行, 缩短了项目改造的周期。
4 软件部分程序编写思路
踩油门与踩刹车时, 传感器传送过来的数字信号量是一个变化值。具体的说, 踩油门的数字量是一个增大的量, 如从50 到80 的变化, 而踩刹车的数字量是一个减小的量, 如从80 到50 的变化, 所以它们的变化量一个是正值, 一个是负值, 正值是表示踩油门, 负值是表示踩刹车。而单片机要捕捉的正是这个变化量。我们在一个固定的时间段, 比如说50 毫秒前后分别采集两个数字量d1 和d2, 然后计算出它们的变化量 Δd=d2-d1, 如果 Δd=0, 说明没有踩油门或刹车;如果 Δd>0, 就说明踩的是油门;如果 Δd<0, 就说明踩的是刹车。如果 Δd的值大, 说明踩油门或刹车的动作大, 这时我们就让步进电机的摆动幅度大, 反之就让步进电机的摆动幅度小。当然, 为了使油门与刹车的感觉更加逼真, 我们可以将Δd的值分成几个等级, 对应的步进电机有不同的摆动幅度, 这就是编程的整体思路。我们将单片机程序的步骤整理如下:
(1) 设置串口, 接收系统发来的从油门及刹车传感器转换过的数字量信号。
(2) 在一个固定取样间隔时间计算出数字量信号的变化量。
(3) 判断变化量是正值还是负值。
(4) 正值表明是踩油门, 步进电机主轴向前摆动;负值表明是踩刹车, 步进电机主轴向后摆动。
下面是程序的流程图表示:
当然, 这是编程的总体思路, 具体调试时还要注意以下几点。
(1) 接收信号时, d1 与d2 之间的延时时间我们称之为采样时间。实验表明, 这个时间取600 毫秒较为合适, 符合大多数人踩油门或踩刹车的反应时间。
(2) Δd的值如果很小, 由于存在干扰信号, 座椅容易产生振动, 所以要将这个小的 Δd的值忽略掉, 以消除干扰信号引起的座椅的振动。此外, 如果油门或刹车踩得很慢, 我们也不希望座椅发出摆动。实验表明, 取 Δd<20 这个门限值较为合适。
(3) 为了模拟出座椅摆动的真实感, 可以根据 Δd的大小对步进电机主轴的摆动幅度进行分级。实验表明, 步进电机的摆动幅度分为3 级较为合适, 这样可以明显的感到踩油门或踩刹车快慢的不同, 座椅也跟着产生不同幅度的摆动。如果级数分得太多, 程序写得复杂, 人的感觉也不明显。
(4) 3M2080 三相高压步进电机驱动器参数每转步数的设置。此驱动器可将步进电机每转的步数细分为16 档, 最细的一档每转为12800 步, 步数越细, 步进电机运行越平稳, 振动及噪音越低。我们实际使用的就是每转12800 步。
5 出现的问题及解决的办法
我们在设备调试过程中主要出现两个问题, 现将出现的问题及解决的办法总结如下。
第一个问题是步进电机的失步问题。出现的现象是, 刚开始步进电机的工作正常, 可是过了几分钟, 步进电机只向前摆而不向后摆了。也就是说步进电机不能归位, 即出现了严重的失步现象。我们一开始是按照厂商给出的参考电路图用单片机的管脚直接接到驱动器的输入端来控制步进电机的。这种接法对小功率的步进电机是可行的, 可是130BYG三相步进电机的额定功率是2000W, 属于大功率的步进电机, 我们估计直接从单片机引脚输出脉冲的功率达不到驱动器的驱动要求, 从而导致步进电机的失步。于是我们在单片机与驱动器之间加入了一块ULN2003 集成电路。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品, 具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点, 适应于各类要求高速大功率驱动的系统。实际的单片机控制步进电机的电路图如图3所示。从电路图中可以看出, 加入了ULN2003 集成电路以后, 单片机的电源与驱动器的电源就区分开了, 这样也保证了单片机系统的稳定性。
自从加入了ULN2003 集成块以后, 步进电机就再也没有出现过失步现象。
第二个问题就是对显示屏电路产生干扰。表现为没有接步进电机时, 显示屏显示正常, 只要给步进电机通电, 就会出现花屏, 严重时显示屏全是雪花。我们也知道因为步进电机功率大, 产生的电磁干扰也大, 会对显示屏产生影响。于是尽量将显示屏与步进电机及驱动器隔开距离, 然后将步进电机的接地线与电源的接地线尽量做好, 然后将步进电机及驱动器用金属罩罩住。但是这些办法都用了还是无济于事, 显示屏还是出现干扰。看来大功率步进电机的电磁干扰是与生俱来的, 你是消除不掉的, 除非你不用它。
正在我们对此一筹莫展的时候, 一位同事的话提醒了我们。他说, 步进电机的电磁干扰一直是存在的, 为什么系统其他部分不受干扰, 只有显示屏部分受到干扰?是啊, 这说明显示屏的抗干扰能力差, 那么能否增强它的抗干扰能力呢?于是我们将显示部分的接线全部改换成屏蔽线, 然后将显卡、主板的接地线全部重做一遍。步进电机的电源线、信号线也都改换成屏蔽线, 然后再进行整机调试。这时候, 显示屏的干扰消失了, 终于可以正常显示了。
于是我们得到了一条经验, 消除干扰可以从两方面入手。一是尽量减小干扰源, 想办法使其对其他设备的影响最小。二是想办法增强被干扰设备的抗干扰能力, 如我们对显示屏电路的处理。在实际的电路设计中, 第二种办法也许更实用。
摘要：本文通过对挖掘机模拟教学设备中电动座椅的改造, 提出了一套简单易行的使用单片机控制步进电机实现座椅电动功能的方法。本文简述了电气部分电路改造的全过程, 并总结了改造过程中出现的问题及解决的办法, 希望对有类似功能项目的工程人员有所帮助。
关键词：单片机,步进电机,驱动器,抗干扰方法
参考文献
[1]古志坚.基于单片机的步进电机控制系统研究[D].华南理工大学.2013.
[2]杨滁光, 徐德好.步进电机的单片机控制方法探讨[J].仪器仪表用户.2009 (04) .
区别发电机与电动机 篇6
挖掘机是土方工程中应用较多的一种机械,具有装运与挖掘两种功能,广泛应用于矿山开采、管道施工和房地产行业等[1]。在全球节能减排的形势下,能源紧张成为全球共同关注的焦点之一,由于挖掘机能耗高、效率低、排放差、用量大等特点,电动化已经成为挖掘机发展的一个趋势[2]。永磁同步电机具有结构简单、质量轻、损耗小、效率和功率因数高等特点,同时,它因没有直流电机的换向器和电刷、无需励磁电流等而具有转矩大、控制简单和维护方便等优点[3,4]。20世纪80年代,国外已开始对逆变器供电的永磁同步电机进行深入研究。199年,中国华联电动汽车研究所研制成功的四人座电动轿车也采用了永磁同步电机[5]。我国电动液压挖掘机的研制工作正在迅速发展,三一重工在2011年推出的纯电动液压挖掘机所用到的永磁同步电机就达到了世界先进水平[6]。
结合挖掘机工况,同时考虑电动挖掘机电池匹配和能量回收,本文对永磁同步电机进行建模与仿真,继而搭建起整个永磁同步电机矢量控制系统的模型,通过参数的调整,得到了运行平稳的电流、转速、转矩数据,验证了矢量控制对电动液压挖掘机动力系统的合理性与可行性。
1 永磁同步电机数学模型的建立
通过永磁同步电机的结构得知:永久磁钢装在转子上,三相对称绕组(A、B、C)装在定子上,转子通过气隙磁场与定子耦合。定转子之间的位置关系随时间变化存在相对运动,定转子多个参量关系也随之发生变化,各参量的变化规律无法被准确分析,这给人们对永磁同步电机的分析和控制带来诸多困难[7,8]。本文对永磁同步电机的理论分析与控制进行简化,建立清晰明了的永磁同步电机数学模型,将误差控制在允许范围内,得到与实际情况基本吻合的结果。现对永磁同步电机做如下假设:(1)永磁铁和转子均不产生阻尼作用;(2)定子三相绕组在空间上各绕组轴线完全对称,相差120°;(3)默认电机的磁路是线性的,忽略磁路因饱和、磁滞和涡流产生的影响,对电机回路各电磁参数应用叠加原理进行分析研究;(4)电机定子的电势按正弦规律变化,磁场中的高次谐波磁势不产生影响。
2 永磁同步电机的数学模型
在永磁同步电机运行过程中有三种微分形式,分别为在A、B、C三相坐标系下,在α、β、ο三相坐标系下,在d、q、o坐标系下的永磁同步电机数学模型。
2.1 在A、B、C三相坐标系下的永磁同步电机数学模型
θ为转子角,ψs为磁链矩阵,ψf为转子链过定子的磁链,is为定子三相电流综合矢量。在电流正方向和磁链确定好后,可以得到在三相坐标系下永磁同步电机的定子电压方程为:
永磁同步电机在三相坐标系下的磁链方程为:
永磁同步电机在A、B、C坐标系下数学模型还包括了运动方程和转矩方程。通过在A、B、C坐标系下微分形式得出的电压方程和磁链方程比较复杂,加上磁链会随定转子相对位置发生变化,此外,转矩方程表述非常复杂。从式(1)、式(2)看出,在A、B、C坐标系下的永磁同步电机定转子在磁、电结构上并不对称,同步电机数学模型是一组与转子瞬时位置存在某种关系的非线性时变方程。所以,采用A、B、C坐标系下数学模型对永磁同步电机进行分析与控制过于复杂,不是最优的数学模型。
2.2 在α、β、ο三相坐标系下的永磁同步电机数学模型
电机在静止的α、β、ο坐标系下各个变量都能直接测量,在研究电机特性和控制时可采用α、β、ο坐标系上的数学模型。将永磁同步电机在三相坐标系下的电流参数进行坐标变换,使电压与磁链方程在α、β、ο坐标系中表示出来。将α、β、ο坐标放在定子上,α与A相轴线相重合,β超前α轴90°。在α、β、ο坐标系下的电流和电压方程可直接从A、B、C坐标系中的电流、电压方程通过简单的线性变换得到。静止坐标系α、β、ο下电压方程变换为:
磁链方程变换为:
式中,Ld、Lq分别为永磁同步电机直轴与交轴电感;ψα为永磁磁极与定子绕组交链产生的磁链。
对于α、β、ο坐标系下的永磁同步电机,模型经变换可以得到简化,但凸极效应因为转子直轴、交轴的不对称而显现出来,直轴、交轴的电感不相等,所以内永磁同步电机电压和磁链方程在α、β、ο坐标系下变成了一组非线性方程组,数学模型与在A、B、C坐标系下一样复杂,对于永磁同步电机的分析和控制困难也很大,故通常不采用该坐标系下的数学模型。
2.3 在d、q、o坐标系下的永磁同步电机数学模型
表面式永磁同步电机具有对称的转子结构,直轴和交轴电感相等,电机模型相对简单,可以对该电机进行分析与控制[9]。该坐标系下电机的运动方程简单,但转矩方程表述复杂。现将定子上随气隙磁场同步旋转的坐标系称为d、q、o旋转坐标系,d轴表示永磁同步电机转子励磁磁链方向,q轴超前d轴90°。在旋转坐标系下电机模型中,β为定子三相电流合成后空间矢量与直轴之间的转矩角,θ为转子上d轴轴线与A相绕组轴线之间的夹角,ψf为转子链过定子的磁链。
在旋转坐标系d、q、o下的磁链、电压方程分别为:
即电磁转矩等于定子磁链矢量与电流空间矢量的叉积。其中,Pn为电机极对数。故有:
式(7)括号中第一项是励磁磁场与定子电流之间产生的电磁转矩,第二项是转子凸极效应所产生转矩,也称磁阻转矩。尤其是在内置式永磁同步电机的矢量控制中,因Ld=Lq,所以可以通过消去磁阻转矩的方式来扩大电机调速范围或增加电机输出力矩[10]。
力矩平衡方程式为:
式中,Ti、J、ωr、RΩ分别为电机的负载阻力矩、电机转动惯量、机械角速度、电机阻尼系数。
3 永磁同步电机控制系统模型建立和仿真分析
3.1 永磁同步电机控制系统
目前,永磁同步电机主要通过调节供电电源频率来现实对速度的控制,常用的永磁同步电机变频调速方式包括基于磁场定向的矢量控制、直接转矩控制、转速闭环恒压频比控制和转差频率控制。其中,矢量控制拥有动态性能良好、简单可控性和调速范围宽的特点。
永磁同步电机矢量控制借助于对定子电流的控制来完成,特别是对转矩的控制,最终演变成对d、q轴上电流的控制。由于输出转矩有多个d、q轴电流控制组合,产生了多种永磁同步电机的电流控制策略[8]:(1)id=0的控制方法:输出转矩控制通过永磁同步电机解耦控制实现,解耦后性能类似于直流电机,控制方式简单,无去磁作用,但这种方法的使用降低了电机功率因数,电机和逆变器的容量没有完全发挥作用。(2)cosφ=1的控制方法:逆变器容量因电机功率因数始终保持为1而得到了充分利用,但电机的最大输出转矩减小。(3)磁链恒定的控制方法:电压基本恒定,功率因数相对较高,转矩是线性可控,但这种方法需要较大的定子电流磁场分量助磁。(4)最优转矩控制:在转矩不变的情况下使定子的电流最小,而对d、q轴上电流分量进行最优配置的方法,这种方法实现了在给定电流下电机输出转矩最大的控制。
当转子磁链ψf恒定时,电磁转矩Te与iq成正比,得到直流电机的控制性能。本文采用了最优转矩控制方法对永磁同步电机进行控制。
3.2 永磁同步电机控制系统建模与仿真
对永磁同步电机控制系统建模的方法有很多,例如微分方程法、Laplace法、状态空间法、S函数法以及Simulink法。本文运用MATLAB/Simulink软件建立永磁同步电机及其控制系统模型如图1所示。
根据参数的调节,输入角速度ω=1 000 r/s,Kp=20,Ki=0.4,三相逆变器为IGBT,逆变器的直流电源与空间矢量脉宽调制为320 V,永磁同步电机电阻R=2.88Ω,交直轴定子电感Ld=Lq=0.008 5 H,电机转动惯量J=0.000 8 kg·m2,电机极对数P=4。
4 仿真结果分析
模型通过在各输出端口连接示波器模块输出永磁同步电机的三相电流波形如图2所示,转速波形如图3所示,转矩特性曲线如图4所示,观察到各输出波形平稳无强烈变化,对电动液压挖掘机用永磁同步电机控制系统建模符合要求,同时,验证了矢量控制对电动液压挖掘机动力系统的合理性与可行性。
5 结语
通过MATLAB/Simulink软件对电动液压挖掘机用永磁同步电机进行建模与仿真,仿真结果满足预期效果,建立了磁场定向控制和空间矢量合成等多个模块并进行仿真分析,通过参数调整,得到了运行平稳的电流、转速、转矩数据,验证了矢量控制对电动液压挖掘机动力系统的合理性与可行性。仿真结果分析为今后电动液压挖掘机用永磁同步电机的控制系统建模仿真提供了理论与实验数据基础,有着十分重要的指导意义。
参考文献
[1]冀宏,左嘉韵,程源.工程机械液压元件及节能液压系统的发展与思考[J].液压与气动,2013(5):1-8.
[2]林添良.混合动力液压挖掘机势能回收系统的基础研究[D].浙江:浙江大学,2011.
[3]孟高军.永磁同步电机直接转矩控制系统的研究[D].大连:大连交通大学,2012.
[4]徐艳平,钟彦儒,于宏全.基于MATLAB的永磁同步电机直接转矩控制的仿真建模[J].微电机,2005,38(3):27-30.
[5]尹安东,王泽平,赵韩,等.基于ADVISOR的电动汽车动力性能仿真分析[J].客车技术与研究,2007,29(1):8-11.
[6]辛建坤.提高永磁同步电机动态转矩控制方法的研究[D].西安:西安理工大学,2003.
[7]张大成.纯电动汽车电力驱动系统[J].汽车维护与修理,2013(12):72-74.
[8]王庆龙.交流电机矢量控制系统滑模变结构控制策略研究[D].合肥:合肥工业大学,2007.
[9]刘斌.用DSP实现永磁同步电机的无速度传感器矢量控制[D].西安:西安理工大学,2001.
区别发电机与电动机 篇7
376柴油机是华源集团(公司前身)于20世纪90年代末期引进日本某公司的一个发动机产品。当初,该柴油机结构紧凑、质量轻,在欧洲和东南亚市场亨有很高的声誉。它体积小、结构紧凑,噪声和振动小,油耗低,排放性能达标(当初已达到欧Ⅱ标准),是一款适合微型轿车动力的很好的发动机,曾获得世界金奖设计。但是引进来后柴油机给人的感觉就是“冒黑烟、排放不好”,国内各大微型轿车生产厂家都不愿意接受此产品,所以该发动机在国内无“立足之地”。我公司通过一年时间的努力,对376柴油机重新开发设计和改进,使之成为发电机组(备用电源)的动力。事实证明,这种发动机(由车用变为在发电机组上使用)的重新开发和改进是成功的。到目前为此,发动机产量已达到2万台/年,给公司带来很高的经济效益。
轿车用376柴油机经过重新设计与开发成为发电机组上使用的专用动力,首先对发动机的整机性能做了以下变更:1)输出功率由15min功率改变成12h功率,发动机转速由原来最高转速5000r/min变成额定转速3000r/min(50Hz)和3600r/min(60Hz,四极发电机)两种转速,以满足不同地区和客户需求,因而对标定功率和额定转速给予重新标定;2)发动机的调速率由原来15%变成5%以下;3)由于发电机组的工作是在额定转速和额定负载下连续运行,而且要有110%的带载(超负载)能力,所以要求发动机的机油温度、冷却液温度都要给予修订,甚至重新设计,确保温度不要升的太高,以保证发动机正常运转。
1 功率和转速
根据发电机组使用要求,发动机标定转速只能采用3000r/min和3600r/min两种标定转速(当然也可以选用1500r/min和1800r/min)。由于本发动机是属于高转速发动机,标定转速设定太低时,发动机的输出功率也相应减少,达不到一定的经济效益。发电机组用的发动机要求12h功率,比原来车用发动机功率(15min功率)要下降20%;为了避免转速降低,功率也相应减少,因而采用加大原车用发动机的冲程(由73mm改为77mm),这样发动机功率也相应增加8%,发动机的具体技术参数列于表1:
2 调速率
由于车用柴油发动机的调速率可以允许到15%,这样大的调速率对发电机组是根本无法使用;对于普通发电机组来说,发动机的调速率要≤5%;有的特殊发电机组要求发动机的调速率还要小。目前我公司已开发并投入使用的电子调速,这样发电机组上用的发动机调速率可以达到0.2%以下。
a) 发动机的调速率要控制在5%以下。首先主要是针对发动机上的喷油泵(VE泵)的调速弹簧等零部件进行重新设计。经过重新计算,调速弹簧的刚度确定为0.8N/mm(原来弹簧刚度为1.5N/mm);通过油泵综合试验台和在台架上进行试验,发动机的调速率可以控制在5%以下。发动机标定点的油量也要重新设定,油泵调速段的断油点的油量控制在2ml(400次)以下。具体调速状况的测量数据列于表2:
注:以上的数据是在发动机的油门处于某一个固定位置(油泵综合试验台校出发动机在标定转速和功率状况下,发动机所需的油量位置)。另外,以上的功率是发电机组最终输出功率。
b) 调速弹簧性能的好坏将直接影响发动机的调速性能和波动性。因而对调速弹簧要进行特殊处理,采用热定型,即将弹簧比标定工作长度拉长3mm,在200℃高温下保温6h。同时也做了百万次疲劳试验,确保弹簧品质。另外还对VE泵上的调速滑套做了改进,使其随转速的变化能够更加快速灵活地移动,从此改变油泵油量的大小;经过发动机台架试验,仅此项改进,发动机的波动率由0.6%下降到0.45%。再则,对VE泵的飞锤质量和调速臂长度以及角度做了相应改变。通过以上几项改进,发动机的调速率以及波动率都能较好地满足发电机组要求。
3 温度
为了适应发电机组要求,发动机润滑油的温度(油温)、冷却液温度(水温)和排气温度(排温)至关重要。为此,要让发动机连续运行,必须解决好以上三种温度,这里主要阐述润滑油的温度和冷却液的温度:
a) 润滑油温度的控制。一般情况下,车用发动机的机油温度相对较低,其冷却方式主要通过汽车高速行驶时迎面而来的自然风将发动机的油底壳及其表面热量带走,所以原车用发动机的机油温度能够满足要求。而发电机组上的发动机是固定的,所以机油冷却就面临着问题,因而要重新设计。
1) 加大发动机润滑油的容量:对原来车用的油底壳重新设计,原来机油容量为3L,加大后的发电机组用的发动机油底壳容量4.8L。图1所示是两种油底壳的简图。
通过台架试验,采用加大机油容量后,发动机的机油温度下降3℃(在相同环境下);
2) 对原车用发动机的润滑系统结构进行重新设计:一般情况下,发动机的润滑油温度高于冷却液的温度(水温)10℃左右,利用此温差,所以在水箱散热器的底部(下水室)增加一个机油热交换器,这样不仅能把机油的温度降下来,而且结构也相对简单,水箱散热器外形尺寸也变化不大,有利于发电机组的安装。具体机油冷却器(热交换器)结构如图2所示。
经过台架试验,增加了机油热交换器后,发电机组用的发动机润滑油的温度可以下降5℃。
总之,发电机组用发动机的油温,采用以上两项措施后,下降了8℃(此温度是在标定转速和功率连续运行情况下测得),使发动机油温得到有效地控制,保证发动机能在标定状况下长时间运行,满足发电机组的要求。
b) 冷却液温度(水温)的控制:
1) 首先对水温报警器重新标定:车用发动机的水温报警点一般设定较低(在90℃±2℃),而发电机用的发动机水温报警点设定为98℃±2℃。根据发电机的实际使用要求,在标定的工况下甚至要超负荷长时间连续运转,水温都较高,尤其是封闭式的发电机组。如果水温报警点设定低了,发动机时常报警,自动停车;如果设定高了,发动机容易出现“开锅”,损坏发动机;
2) 水箱散热面积的选定:散热面积的大小,将直接影响水温高低,但也不能选用太大的散热面积,否则既不经济又无法安装(封闭式的电机组内部空间都较小),选定合适水箱的原则须满足让进水温度与出水温度(经过水箱散热器后)两者相差10℃。通过台架试验后,选定散热面积为14m2、下水室带有机油冷却器的水箱能满足发电机组的要求,如图2所示;
3) 适当加大水泵皮带轮的直径(为D100mm),加大水泵的流量,以提高热交换效率;
4) 风扇的设计:原来车用发动机的风扇(图3)为吸风,根据发电机组的要求,其风扇应改为面对散热器方向吹风(图4);为了提高冷却效果,在又不过多损耗发动机功率的前提下,将风扇直径加大为D360mm(原车用的冷却风扇为D320mm),风扇的叶片变为5片(原设计为5片但不是等距),同时还控制风扇端面与水箱的距离,以确保风扇的冷却效果。
通过以上的几项措施后,发动机组用的发动机冷却液温度(水温)在标定转速和功率状况下[根据发电机组的要求,机组还要经过110%负荷(超负荷)运行1h],发动机的水温都能控制在98℃以内,完全满足发动机的要求,使发电机组上的发动机能够在各种情况下长时期连续运行。
为了使原车用发动机能够达到发电机机组的要求,还对发动机的外部结构做了改变,如进、排气系统,飞轮及飞轮壳,支撑和减震系统等。同时考虑到成本问题,又对原车用发动机的零部件的材质做了改变,如曲轴、凸轮轴等。
4 结论
综上所述,将原车用发动机改为封闭式发电机组用的发动机,通过耐久试验和市场验证,此项的开发设计与改进是成功的。目前,此款发电机组用的376柴油发动机成为公司的一个主导产品,也为公司创造了丰厚的利润。
摘要：概述了可作为发电机组备用电源的376柴油机。该柴油机原为车用发动机(分类为移动),现通过对此柴油机重新设计与改进成为发电机组(按发动机用途分类为固定)的最佳动力。目前,此发动机配成封闭式(静音)的发电机组,已受到广大用户的认同,市场前景很好。
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