功率测试装置

功率测试装置（共8篇）

功率测试装置 篇1

0引言

在体育界,科学训练的重要性越来越受到重视,各种先进的机械装置也越来越多地进入到运动员的训练中。本文装置的设计,正是符合了新时代科学训练的要求而产生的。利用该装置能够更加准确地记录和评估每个游泳运动员在游泳过程中不同阶段的机械功率变化情况,为制定更加科学合理的训练策略起到重要参考作用。

1测力系统的整体结构图及工作原理

1.1系统整体结构图

如图1 所示,该结构主要由四部分组成:阻力系统、弹簧系统、支撑装置、棘轮机构,机构外面罩有安全覆盖件。

1.2工作单元及原理

机构设有弹簧装置,其内部安装有挤压弹簧,借助螺栓为其各自一端的制动片提供设定的挤压力。该挤压力的大小可通过指示盘读取。内部环状部分为制动盘,制动盘与制动圆块相互作用提供需要的阻力。制动盘与中心部位的棘轮相连,棘轮的主要作用是当运动员拖拽牵引线时,提供恒定的机械阻力,当测试完成,进行牵引线回收时,能够避免测力装置的运动,为提高测力装置的准确性及寿命起到重要作用。

2主要结构及功能

2.1阻力系统

该阻力系统由制动圆环、制动圆块、散热孔、辐条、连接环等组成。其功能为:摩擦外环与圆环两侧的制动圆块共同作用产生阻力,从而形成恒定的止动力;连接环与棘轮相连,将阻力传递给运动员;摩擦外环上的密集小孔起到散热作用;外环与内环连接部分为弯曲辐条,该辐条的弯曲方向与制动盘受力时的运动方向基本一致,从而起到减小弯曲变形的作用。

2.2弹簧系统

其结构如图2 所示。包括弹簧、弹簧垫板、指示盘、固定螺栓、挤压螺栓等组成。

该系统的主体部分为弹簧,根据胡可定律F=-kx,可准确计算出所需要的阻力大小,并通过指示盘读出,从而达到有效检测的目的。

2.3棘轮机构

棘轮机构的结构如图3 所示,由棘轮、棘爪、弹簧叶片及棘爪支撑架组成。

该机构的主要功能是在测试时与阻力系统配合以提供有效的阻力。当测试完成后,将拖拽绳收回时,起到让阻力装置不旋转的作用。

3结论

该装置的设计以能提供恒定阻力为出发点,与新型的测量游泳运动员机械功率的导向装置相结合,将不同系统的功能特点进行有效组合,从而形成一个完整的能有效测量并能直接读取阻力值的阻力装置。该装置最大优点在于可方便快捷地设置阻力值大小,易于操作。机构缺点在于长时间使用时,摩擦片与制动盘之间会产生一定的磨损,但是由于该阻力装置采用求差法(F=k·Δx)读取测量值,因而磨损对测力精度不会有太大影响。

功率测试装置 篇2

1. 电流通过电动机做功，电能转化为能;电流通过电热器做功，电能转化为能。

2.某个体户4月1日和5月1日电能表记数器上的示数分别如图甲、乙所示，则该个体户一个月用电_______度。若每度电的费用0.5元，则他需交电费元。

3.如图所示根据电能表的铭牌，你能读到哪些信息?请写出其中两条：

(1)_________________。 (2)___________________。

4.电功率为100w的灯泡正常连续工作5h，消耗的电能是_______kwh，合_______J。

5.家庭电路过大的原因是和。

6.保险丝是由电阻率较而较低的铅锑合金制成的。

7.白炽电灯上标有“220V 40W”字样，表明该灯正常发光时通过灯丝的电流是A，灯丝的电阻为Ω。

8.把一根阻值为484Ω的电炉丝接到照明电路上，通电时间240s，则它放出J的热。

9.标有“220V 100W”的灯接在110V电源上，灯丝电阻是_______Ω，灯的实际电功率是_______W。

10.把“12V 8W”甲灯和“6V 3W”的乙灯串联后接在12V的电路。两灯的实际功率之比为，灯更亮。

11.在图中所示的甲、乙两种使用测电笔的方法中，正确的是_________。

二、选择题(每小空2分，共32分四个选项中，只有一个选项符合题意)

1.电能表接在家庭电路中，是为了测量( )

A.电流 B.电压 C.电功 D.电功率

2.下列关于用电器作用的说法中，错误的是( )

A.电灯是将电能转化为光能的装置

B.电动机将电能转化为机械能

C.电吹风将电能转化为热

D.电熨斗将电能转化为热

3.下列单位不是电功率单位的是( )

A.千瓦时

B.瓦特

C.焦/秒

D.伏特?安培

4.下列说法中，正确的是( )

A.电功率是表示电流做功多少的物理量

B.电功率是表示电流做功快慢的物理量

C.用电器的电功率越大，做功越多

D.相同时间内，消耗功率大的用电器耗电一定多

5.下列关于安全用电的说法正确的是( )

A.只要电灯不发光，就可以用湿布把它擦干净

B.只要将保险丝换上粗的，电路中就可以接入大功率的用电器

C.把家用电器的金属外壳接上地线，可以防止触电

D.看到有人触电应立即用手把他拉开

6.下列说法中不符合实际情况的是( )

A.微波炉的电功率约1000W

B.手电筒的`电功率约0.5W

C.电视机的电功率约200W

D.电子计算机的电功率约900W

7.有三盏白炽灯，甲标有“PZ220—15”，乙标有“PZ220—40”，丙标有“PZ220—100”，将它们接在家庭电路中，正常工作时的发光情况是( )

A.甲灯最亮

B.乙灯最亮

C.丙灯最亮

D.一样亮

8.保险丝熔断后，正常作法是( )

A.用铜丝代替，以免以后再熔断

B.用较粗的保险丝代替，使通过的额定电流更大

C.先查明故障原因，再采取相应的解决措施

D.马上换上原来规格的新保险丝

9.电阻R1和R2串联，R1=15欧，R2=30欧，接通电源后，R1和R2消耗的功率之比为( )

A.2：1 B.1：2 C.4：9 D.9：4

10.下图中，符合安全用电原则的做法是( )

11.家庭电路使用的电炉，电炉丝与导线是串联的，当电炉丝发热发红时，连接导线却不热，这是因为( )

A.通过电炉丝电流比通过连接导线的电流大

B.通过电炉丝电流比通过连接导线的电流小

C.电炉丝两端电压比连接导线两端电压小

D.电炉丝的电阻比两节导线的电阻大

12.家用电能表的盘面上，标有3000R/kwh的字样，当接入一个用电器正常工作时，1min内电能表的转盘转了15转，则该电器消耗的实际功率是( )

A.150W B.500W C.300W D.3000W

13.把标有“6v 6W”的L1灯和标有“6V 3W”的L2灯串联，接在6V的电源上，则( )

A.两灯一样亮

B.L1比L2暗

C.L1比L2亮

D.两灯都能正常发光

14.小刚利用电能表测某家用电器的电功率.当电路中只有这个用电器工作时，测得在15min内，消耗电能0.25 KW·h，这个用电器可能是( )

A.收音机

B.电冰箱

C.电视机

D.空调器

15.家庭经常用到的三孔插座和三脚插头，如图所示。下面接法正确的是( )

A.1孔接地，1脚接用电器外壳

B.2孔接地，2脚接用电器外壳

C.3孔接地，3脚接用电器外壳

D.不论哪孔接地，哪脚接用电器外壳都可以

16.如图是一个灯泡的铭牌，正常发光时通过灯丝的电流是( )

A.0.88A B.5.5A C.0.27A D.0.11A

三、实验探究题(26分)

1.把带有开关的电灯，三孔插座正确地连入下图的家庭电路中。(4分)

2.(14分)用图中器材测定小灯泡的额定功率。已知小灯泡的额定电压为2.5V，小灯泡灯丝的电阻约10Ω左右，要求：

(1)画出实验电路图(2分)。(2)请你用笔画线代替导线，在图甲中把电路连接完整。(2分)

(3)闭合开关，将变阻器的滑片移到某位置时，电压表示数为2.5V，电流表示数如图乙所示，则此时小灯泡中的电流是______A，(1分);小灯泡的额定功率是____________W。(2分)

(4)你连接的电路闭合开关前滑动变阻器的滑片应位于变阻器的_________端(填左或右)。

(5)连接电路时，电压表选用________量程。电流表应选__________量程。

(6)实验中某小组多测了几组小灯泡两端电压的数据，如下表所示。将表格填完整(2分)

小灯泡规格

电压表示数(V)

电流表示数(A)

灯泡亮度

额定电压

U额=2.5V

2.0

0.16

暗淡

2.5

0.20

2.8

0.22

(7)(2分)若实验中所用器材良好，但某同学在实验中发现电流表的指针几乎不动，而电压表的示数较大，则电路中发生故障的原因是______________________________。

3.小宇同学按如图所示的装置，研究“电流通过导体时产生的热量与导体电阻大小的关系”。图中两只烧瓶内盛有质量和温度相同的煤油，温度计显示煤油的温度，两瓶煤油中都浸着一段金属丝，乙瓶铜丝的电阻比甲瓶镍铬合金丝的电阻小。

①闭合开关后，通过两段金属丝中的电流是。

②一段时间后，可观察到甲瓶中温度计的示数(填“大于”、“小于”或“等于”)乙瓶中的温度计的示数。

③由上述实验可知，在电流和通电时间都相同时，导体电阻大，产生的热量。

④由该实验最终得出定律。用公式表示为Q=。

13.某家庭电路的组成如下图所示，图上注明A、B、C、D、E、F字母处的元件名称：(3分)

(1)能计量家庭消耗电能的是________;(2)发生火灾要拉开的是_________;(3)电路电流过大起到保护电路的是_________。

四、计算应用题(本大题共3个小题;第小题6分，第2小题6分，第3小题10分共22分。解答时，要求有必要的文字说明、公式和计算步骤等，只写最后结果不得分)

1.(6分)某同学家的电炉铭牌模糊不清了，为了测出电炉的额定功率，他让家里的所有用电器都停止工作，只接入电炉让其正常工作，然后观察家里正在运行的电能表，电能表上标有“3000R/kWh”，利用手表计时，发现1min转盘转了50转，那么：

(1)电炉的额定功率是多少?

(2)电炉的电阻是多少?

(3)该电炉正常工作10min放出多少焦耳热量?

2.(6分)如图所示，R1=20欧，R2=40欧，电源电压保持不变。

(1)当S1、S2都闭合时，电流表A1的示数是0.6安，小灯泡L恰好正常发光，求电源电压和小灯泡的额定电压;

(2)当S1、S2都断开时，电流表A2的示数是0.2安，求小灯泡的实际功率。

2.(10分)如图是一种恒温式电烙铁的电路图，在不用电烙铁焊按时，使它处于保温状态;需要焊接时，就能很快达到焊接温度。若电烙铁的规格是“220V 40W”：

(1)判断S闭合电烙铁处于状态S断开时电烙铁处于状态。(2分)

(2)求电烙铁的电阻是多少?(2分)

(3)电烙铁加热时5min消耗多少电能?(2分)

可变功率节能拖动装置的应用 篇3

抽油机作为油田主要的耗能设备之一, 在生产原油的同时也消耗了大量的电能。随着油田开发进入高含水后期, 油井井数不断增加、液量逐渐下降, 机采节能形势不容乐观。近年来萨北油田为降低机采能耗、节约能源, 不断试验应用了各种不同类型的节能电机, 由于抽油机工作时为脉动负荷和重负荷启动, 它所配用的电机必须有较高的启动转矩, 而目前与抽油机配套普遍采用的Y系列电机由于启动转矩偏低, 配套时不得不提高电机容量以满足启动的需要, 这样势必造成电机安装容量过大, 使电机常常处于轻载运行造成“大马拉小车”的问题。本着“抽油机负载和电动机输出功率匹配”的原则, 试验一种新型可变功率节能拖动装置。

1. YCH高转差率三相异步电动机

YCH高转差率三相异步电动机有以下特点:

(1) 电动机的转差率达到7%-11%, 具有转差率高、启动力矩大, 过载能力强、运行特性平滑、堵转电流小、堵转力矩大, 节能效果显著的特点;

(2) 电动机能可靠地在额定负荷下连续运行, 具有较大的过载能力;

(3) 该装置具有高低压断相、过载、短路、过热等多项保护功能, 及电流跟踪指示、线路停电恢复供电后延时自启等功能;

(4) 超高转差率电机可以通过降低转速降低载荷的峰值, 就可以用小容量的电机取代大容量的普通电机, 避免大马拉小车, 取得良好的匹配, 电机固定损耗及可变损耗均大大降低。

可变功率节能拖动装置的电机控制箱的最大特点是在其内部安装了一个能够在液晶面板上显示基础参数的节能控制器, 这种跟踪器具有跟踪、记录电流和进行功率切换的作用;此装置能够真正实现软启动, 减少对电网的冲击。

2. 可变功率节能拖动装置的工作原理

可变功率节能拖动装置的电机根据不同的绕组方式改变其输出扭矩, 即高、中、低三种形式。当启动高功率形式时, 数字化节能控制器将会自动检测抽油机运行时的负载和电流, 并根据不同情况, 数字化节能控制器会自动将电源自动切换到与电机匹配的最佳运行形式。如果电机在小功率运行期间, 工况发生变化, 那么抽油机控制器就会将电源切换回电机的大功率状态。数字化节能控制器在整个功率变换过程中电机转速始终保持稳定, 这种数字化控制器相当于汽车里的“变速箱”。使抽油机始终保持抽汲平衡, 增加泵效, 这不但可以降低电机的定子励磁电流, 使得电机绕组的供电线路的损耗减少, 有效地避免电机的电能浪费, 提高了电机的利用效率。

二、可变功率节能拖动装置的实验分析

1. 现场试验情况

2013年5月对4口抽油机井更换安装可变功率节能拖动装置, 安装后试验井均能正常启动, 产量保持稳定状态。最初启动时, 数字化节能控制器的液晶面板上对应高档指示灯亮, 说明启动时为高档功率 (10k W) ;运行一段时间后 (现场观察平均时间为1分钟) , 电机发出一声清晰的转矩切换响声, 液晶面板上对应中档指示灯亮, 说明电机已转换为中档功率 (6.8k W) ;大约再过分钟后电机自动切换到小功率 (4.6k W) 运行, 并最终在此功率下稳定运行, 整个功率切换过程中, 电机转速保持稳定, 冲次保持不变, 没有出现电机振动、噪声异常等现象。

2. 安装前后效果对比

和安装前对比, 上下电流分别下降7.7A、7.9A, 沉没度上升0.87m, 功率利用率提高24.3%, 系统效率上升3.07%, 消耗功率下降0.63k W, 平均单井日节电15.12k Wh, 有功节电率为18.58%, 无功节电率53.23%, 综合节电率24.82%。

可变功率电机冲次相同在低档时节能效果统计表

(1) 应用抽油机可变功率节能拖动装置后, 在电动机额定功率降低、控制箱的无功补偿等共同作用下, 电机的运行电流减少, 有功功率和无功功率损耗减少, 同时电机的功率因数得到提高。

(2) 抽油机可变功率节能拖动装置不仅能有效降低抽油机的装机功率, 而且能最大限度地匹配电机功率与抽油机负载情况, 从根本上解决解决大马拉小车的问题, 达到节约能源的效果。

(3) 抽油机可变功率节能拖动装置可以直接在低档状态下启动, 证明可以进一步降低电机装机功率, 还有一定的节能空间。

(4) 可变功率电机使用一年后, 铁损、铜损增加, 导致消耗功率增加, 节电效果相比安装初期有所减弱。

参考文献

[1]李夙.异步电动机直接转矩控制.北京:机械工业出版社, 1999.

论低压无功功率补偿装置的选择 篇4

无功功率补偿装置的合理配置对于电网电压的稳定、功率因数的提高、电力网络损耗的减小、供电环境的改善至关重要。 传统的低压电网中感性负荷比例较大,运行时需要补充大量的无功功率,否则会造成功率因数、电能质量的降低[1]。合理的无功功率补偿的实现,从整体角度看,提高了电网的输电能力, 节省了电网建设的费用;从企业的角度看,功率因数的提高、电压的稳定,节约了用电费用,减少了用电成本,保障了生产稳定,增加了企业的经济效益。

1低压无功补偿装置概况

1.1低压无功补偿技术发展现状

随着电力电子技术和器件制造工艺的发展,无功补偿装置从传统的机械开关投切电容方式逐步发展到完全的电力电子补偿方式。补偿装置的灵活性、可靠性、动态响应速度、补偿效果不断增强。补偿装置先后出现了MSC、同步调相机、SVC、 SVG等。在我国,鉴于技术和成本等因素的限制,传统的电容投切补偿方式依然应用广泛,随着SVC技术的不断进步,静态无功补偿装置逐步兴起,而SVG广泛应用的条件尚不成熟。

1.2低压无功补偿装置的分类

无功功率补偿装置可以分为无源补偿和有源补偿2类。 无源无功补偿包括静态补偿、动态补偿和混合补偿3类。其中静态补偿属于早期无源补偿,一般采用专用的接触器完成电容器的投切操作,动作较慢;而动态补偿装置采用晶闸管完成,调节快速,现代采用晶闸管控技术的静止无功补偿器SVC分为自饱和电抗器型、晶闸管投切电容器型、晶闸管相控电抗器型等。有源补偿装置具有吸收、产生无功的功能,如SVG。

1.3低压无功补偿装置的特点

无源补偿装置的特点:(1)静态补偿装置:分级补偿,无功补偿的效果不能达到最优;受电容、接触器限制,调节速度慢; 投切过程易产生谐振;不能用于谐波严重的场合。(2)动态补偿装置:投切过程平稳可靠,可以频繁动作,调节迅速,造价高, 本身产生谐波。

有源补偿装置的特点:能够实现感性、容性无功功率的双向调节,调节迅速,省去了大体积的电容器、电抗器等无源器件,节省空间;对系统参数变化不敏感;维护复杂。

2低压无功功率补偿装置的选择要点分析

2.1选择的原则

下面从无功功率补偿装置使用的主要部件对选择的原则进行分析:(1)主开关器件。负责投切电容器的主开关器件质量的好坏对无功补偿装置的性能至关重要,包括专用接触器、 可控硅、复合开关。接触器缺点是在投入电容时产生的涌流容易对触点、电容器造成损害;可控硅式无触点开关器件具有过零触发、动作迅速、合闸涌流小等优点,但可控硅成本高,且其负载能力受温度影响大。复合开关兼具两者特性,具有谐波小、功耗小、抗干扰能力强等优势。应依据开关器件自身的电气性能进行选择,且额定电流、通流能力等参数必须符合要求。 (2)补偿电容。电容对谐波很敏感,故在选择电容时,应充分考虑系统谐波的含量。此外,从延长电容器工作寿命的角度来看,电容的温度、电压等参数也应当结合实际运行工况进行选取。

2.2选择时需要注意的问题

(1)分析待补偿系统的电能质量,合理地选择补偿方式。 (2)准确计算无功补偿的容量。(3)合理选择低压配电系统无功补偿装置的安装方式,如表1所示。(4)无功倒送问题。无功倒送会增大变压器、电力线路的损耗,动态补偿能有效地防止无功倒送。(5)谐波问题。现代电力电子器件的使用带来的谐波问题,使得电网畸变率、谐波电压升高。此外,在谐波的作用下,可能使系统中的无源器件产生谐振,造成设备的损坏,产生电网的二次污染;同时,谐波会降低电容器的使用寿命,易造成电容器的损坏。因此,实际应用中,不仅要对电容器的容量进行可靠计算,必要时还要配置相应的滤波装置。

2.3选择的方法

在选择低压无功功率补偿装置时,需要重点从以下几个方面进行考虑:

2.3.1补偿目的

(1)以节能为目的时,补偿系统应针对无功功率的参数进行调节。(2)以改善电压为目的时,应针对系统的电压参数进行调节。(3)以提高电网运行稳定性为目的,例如,为提高电网对用电负荷及故障造成的潜在不稳定因素的抵抗能力,通过合理地安装SVC,及时、灵活地改变电网的阻抗特性,能够显著提高运行的稳定性。

2.3.2具体负荷、工况

低压无功补偿装置的选择应充分考虑实际的运行工况及负荷的变化情况,各种无功补偿装置的特性如表2[2]所示。(1) 对于负荷波动不大,三相平衡,或冲击负荷少的情况,宜采用静态补偿。例如,对于无功功率容量稳定且无需频繁调节的场合,宜采用机械开关投切电容器的补偿方法,简单、经济性好、运行可靠。(2)对于存在大功率冲击负荷、负荷波动大、非线性严重的情况,宜采用动态补偿、 有源补偿的方法。(3)对于谐波含量大的情况,应选用带有滤波功能的无功补偿装置。(4)对于三相不平衡系统,如民用建筑中大量使用单相负荷,容易造成三相负荷失衡,应采用分相补偿或混合补偿。(5)其他负荷,如空调、电梯等运行受季节影响,启动频繁,运行时间短的情况,应使用静态和动态共同补偿。(6)特殊工况,如存在瞬变高电压、大电流冲击负荷的工况,不宜采用动态补偿。

3结语

TSC装置中功率不平衡保护方法 篇5

随着电力电子与控制技术的发展,变频调速、中频炉、电弧炉等大功率非线性负载在工业、交通等领域广泛应用,导致功率因数降低、无功波动以及谐波污染等电能质量问题[1,2]。目前多采用晶闸管投切的电容器补偿装置来进行无功动态补偿和滤除谐波。采用大功率晶闸管替代传统的开关设备,可以解决开关触点机械动作的延时性和分散性与工频正弦交流电源电压变化的快速性和周期性之间的矛盾[3,4,5]。但是作为电力电子器件,晶闸管在工作时可能会因承受较大的电压与电流而被击穿或者损坏,导致补偿装置出现故障。目前,在TSC装置中常用开口三角形电压和中性点电流不平衡保护[6,7]。这2种保护算法在TSC装置中的应用存在以下不足:开口三角形电压保护的电压传感器并接在电容器两端,TSC装置中晶闸管开关断开后,由于电容器的残压导致电压传感器要承受较大的直流电压而使其发热损坏;而中性点电流不平衡保护要测量2路中性点间的电流,在TSC装置工作过程中,各补偿支路的投切都是动态改变的,因此可能出现保护误动作[8,9]。

因此,针对TSC装置的工作特点,相应的保护算法必须要合理设计。本文结合在TSC装置正常工作过程中有功功率是平衡的这一特性设计了一种新型的不平衡保护方法,该方法可以实现对TSC装置的可靠保护。

1 方法原理

TSC装置正常工作时,忽略补偿支路的电抗器直流损耗、谐波损耗、晶闸管导通损耗后,补偿支路中基本不消耗有功功率。不正常工作时,若补偿支路中有1个或2个电容器发生断开、短路、快熔损坏等故障,补偿支路的相电流就出现不平衡。经过研究发现在补偿支路不平衡状态时,有一个非常显著的特征:虽然每个补偿支路中电容器电流超前电容器电压90°这一物理现象没变,但是三相补偿系统总的相电流和相电压却偏离90°,三相补偿系统有功功率的和不再近似为零。利用这个特征就可以产生一种新的功率不平衡保护方法。该方法采用检测补偿装置的相电压和各相总电流,计算有功功率。TSC装置正常工作时三相平衡,总的有功功率近似为零;TSC装置故障时,总的有功功率不为零,并且随着三相不平衡的严重而增加[10,11]。TSC装置中功率不平衡保护的系统结构图如图1所示。

图中,TSC装置的保护控制单元通过测量系统A、C相电压以及补偿装置A、C相电流后,可计算得到三相总功率,根据总有功功率在正常工作时近似为零可以进行相应的保护动作。忽略电压畸变,设三相电压相量分别为Ua、Ub=α2Ua、Uc=αUa,其中α=ej 2π/3为旋转量,在实际TSC装置的任一补偿支路两相间的导纳分别为Yab、Ybc和Yca,则各相的电流相量为

则可以计算出三相视在功率为

于是通过两式可以计算出各相的有功功率,从而得到总有功功率。事实上,通过测量A、C相的电压与电流即可计算得到三相总有功功率。各相有功功率取绝对值后相加为总有功功率P鄱,则有功不平衡保护的判据为其中Pset为保护定值,同时根据实际运行情况将该保护的时限整定为反时限特性。

2 方法实现

要在TSC装置中实现功率不平衡保护,必须对两相电压与电流进行测量。目前常用的TSC接线形式为采用2个晶闸管开关作为A、C相的投切开关,B相直通,所以一般在TSC装置中测量A、C相的电压和电流,B相的参数通过计算可以得到。在TSC装置工作时可能在测量的A、C相的电压与电流中有相应的谐波成分,在实际进行保护计算之前必须要把测量结果中的谐波成分滤除,以防止谐波分量导致保护误动作[12]。实际的滤波功能可以通过数字滤波器或者模拟滤波器来实现,由于数字滤波器具有延时特性,为了提高保护动作的响应速度,本文采用了模拟低通滤波器来实现。具体的电路如图2所示。

通过调节可调电阻RW1和RW2实现对输入与输出信号的幅值和相位调整后,通过设置R1～R5的阻值与C1、C2的容值后实现截止频率为60 Hz的低通滤波。信号滤波后就可以在控制器中实现保护的计算与判定。当TSC装置发生缺相或者晶闸管击穿等故障时,有功功率不平衡保护可以迅速地判断出故障,并封锁控制信号,同时通过相应的继电器发出保护跳闸及报警信号。

3 仿真与实验

为了验证所提功率不平衡保护的有效性,进行了相关的仿真和实验。其中仿真是在EMTDC/PSCAD环境中进行,实验装置是在某工业场合进行实际检测,该现场的TSC装置为了防止5次谐波对TSC装置工作的影响,补偿回路中配备电抗率为7%的电抗器,各相电容补偿容量为30 kvar,额定电压为480 V。图3为忽略谐波影响时TSC装置中某一补偿回路在1.0 s B相发生缺相时的电流仿真波形。表1为实际测量的TSC装置在正常工作和故障(缺相)运行时的实际数据(包括电流幅值Im、相位φ、有功功率P、无功功率Q)。

由图3和表1可知,在1.0 s之前未发生缺项时,三相电流平衡,相差120°,此时各相电流与电压之间基本成90°,因此各相有功功率绝对值相加后总有功功率较小,为0.36 kW;在1.0 s发生缺相运行时,A、B相的电流相位发生变化,从而导致总有功功率较大,为4.91 kW。因此,通过有功功率不平衡保护方法可以迅速地进行判定,从而实现保护动作。因此,所提出的有功功率不平衡方法可以对TSC装置进行快速、可靠的保护。

4 结论

新型的功率不平衡保护方法检测硬件电路简单,只需要对一套TSC装置总的电流与系统电压进行测量,然后通过计算判断有功功率是否平衡就可以对该套TSC装置进行故障判定进而实施保护。该保护方法整定简单,通过整定计算就可以确定保护定值。目前该保护方法已应用在数套中、低压TSC装置,现场运行可靠。

参考文献

[1]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004:31-37.

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太阳能最大功率跟踪装置的设计 篇6

21世纪,在环境污染与资源匮乏的双重压力下,人们不断地寻找一种清洁的可再生能源来取代传统的化石燃料,而太阳能由于其总储存量大、容易获取、使用过程无污染等特点引起了各国政府的重视。虽然地球上接收太阳辐射的总能量大,但是分布面积广泛,能流密度较低。因此,设计一种简单可靠的中小型光伏发电系统,既能够为城市无电网地区的照明和交通信号提供所需电力,也可以满足家庭和企业对直流电源的需求,具有广阔的应用前景。

2 太阳能电池方阵的倾斜角选择与方位角跟踪

太阳能光伏发电成本60%以上花费在太阳能电池组件的制造上[1],为了最有效的利用太阳能电池组件,使其在一年中接收并转换尽可能多的能量,在设计和安装时就必须考虑太阳能电池的最佳倾斜角与方位角。

对于太阳能发电,我们总是希望太阳光始终与光伏阵列垂直,这样便能得到最多的太阳辐射能量。为此,人们开始研究太阳光的跟踪装置,目前的跟踪装置可分为单轴跟踪(只对太阳方位角γs进行跟踪)和双轴跟踪(对太阳高度角α和太阳方位角γs同时跟踪)。实验表明,单轴跟踪能提高系统发电量的20%～30%,双轴跟踪能提高系统发电量的30%～40%。就理论上说,双轴跟踪必然比单轴跟踪能获得更多的太阳辐射能。但是,由于双轴跟踪装置比较复杂,初始安装成本和维护费用也高,所获得的额外太阳能所产生的效益不足以抵消安装维护成本。因此,在中小型的光伏发电系统中,单轴跟踪装置更具有现实意义。

若只对太阳光的方位角进行跟踪,光伏阵列有一个固定的倾斜角β。对于倾斜角的选择除了令太阳光入射角φ尽可能小,以获得最多的太阳能之外,还需要考虑诸多因素[2]。例如所在地的纬度,日照时间,蓄电池容量,积雪滑落角度等问题。

以广州为例,广州城区纬度为23°8′,夏季有阳光直射,太阳高度角最大可达90°,冬季太阳高度角最小为46°34′;广州地区没有积雪(如果考虑积雪滑落,那么倾斜角应在50°～60°),夏天最长日照时间为13.45 h,冬天最短日照时间为10.54 h。

从表1可看出广州城区年平均太阳辐射值约为4 500 MJ/m2,其中夏季的太阳日辐射量可达17.7 MJ/m2,冬季只有为7.7 MJ/m2。考虑到冬季日辐射量少,如果蓄电池长期处于亏电状态,则蓄电池的极板会硫酸盐化,降低使用寿命;而夏季辐射量大,蓄电池长期处于充满状态又会造成能量浪费。综合考虑,太阳能光伏阵列的倾斜角应该设计在33°～39°为宜。太阳能斜单轴跟踪装置[4]如图2所示。

本文设计的太阳能光伏阵列是由两块成150°夹角的电池板组成,与地面成35°倾斜角并固定在转盘上。转盘下方的控制箱中带有电压电流传感器、步进电机和CPU。工作方式如下:按下手动开关,可以根据旋转按钮来手动控制步进电机,调整光伏阵列的方位角。如果按下自动开关,跟踪装置自动工作:早上跟踪装置处于复位状态(-90°)当太阳方位角开始变化,两块电池板的功率必然发生改变,其中偏向方位角变化方向的电池板受阳光直射,功率较大,此时电压电流传感器开始工作,每隔20分钟测量两块太阳能电池板的功率,并控制步进电机转向功率较小的太阳能电池板方向旋转一定角度,以实现对太阳方位角的跟踪。当达到最右边的限位开关(+90°)时,跟踪装置停止工作,并在两小时后复位。

2 光伏系统工作模式优化

2.1 最大功率跟踪控制(MPPT)原理

为了获得尽可能多的能量,我们总是希望太阳能电池方阵总是工作在最大功率点(Pm)附近。但是太能电池方阵的最大功率点会随着太阳辐射强度和环境温度的变化而变化,如果不采取任何控制措施,光伏发电系统也就不可能发挥出最大的功率输出[5]。

图3表明,不同的光照强度下太阳能电池组件的最大功率点几乎保持在同一电压水平上。要保持太阳能电池组件的最大输出功率,可以简化成控制太阳能电池的输出电压。本文采用扰动观察法(P&O)[6]和BUCK降压斩波电路来实现系统输出电压的控制。原理如下:

先对光伏阵列的输出电压和电流进行连续的采样,并将每次采样的一组电压电流数据换算成功率值,然后减去上一次采样得到的功率值,即为功率差分值。当功率达到最大值时必然满足式(1),同时还可以得到式(2)

$\frac{\text{d}{\rm P}}{\text{d}U}=\frac{\text{d}(U{\rm I})}{\text{d}U}=U\frac{\text{d}{\rm I}}{\text{d}U}+{\rm I}\frac{\text{d}U}{\text{d}U}=0(1)$

UdI=-IdU (2)

令 ΔI=UdI,ΔU=-IdU 。当ΔI=ΔU时,可近似认为太阳能电池达到最大功率点。因此,对系统输出电压和电流进行连续采样,取一段时间内的平均值,并且减掉上一次平均得到的电流和电压值,可以得到比较精确的电压和电流差分值,分别记作dI(k)和dU(k)

$\begin{array}{l}\text{d}{\rm I}(k)={\rm I}(k+1)-{\rm I}(k)=\\ {\displaystyle \sum _{i=256k}^{256(k+1)}{\rm I}}{}_i/256-{\displaystyle \sum _{i=256(k-1)}^{256(k-1)}{\rm I}}{}_i/256(3)\end{array}$

$\begin{array}{l}\text{d}U(k)=U(k+1)-U(k)=\\ {\displaystyle \sum _{i=256k}^{256(k+1)}U}{}_i/256-{\displaystyle \sum _{i=256(k-1)}^{256(k-1)}U}{}_i/256(4)\end{array}$

根据式(3)、式(4)分别计算ΔU(k)和ΔI(k)。通过比较ΔU(k)和ΔI(k)的大小来确定光伏阵列的工作区域。如果ΔU(k)=ΔI(k),则认为阵列输出功率已经在最大功率点上,只要保持现有状态即可;如果ΔU(k)>ΔI(k),则说明阵列输出功率增大的方向为电压增加而电流减小的方向,必须提高电压,降低系统有功输出才能使系统工作在最大功率点上;反之,若ΔU(k)<ΔI(k),则要降低电压增加系统有功输出功率。

2.2 BUCK降压斩波电路与MPPT控制算法

图4的虚框部分为BUCK降压斩波电路,电路工作原理如下:

用脉冲信号控制开关晶体管Q1的接通与断开,震荡周期T=Ton+Toff,Q1接通时有:

$U{}_{\text{a}\text{b}}=U{}_{\text{c}\text{d}}+L\frac{\text{d}i{}_{\text{L}}}{\text{d}t}(6)$

当Q1接通时,电感储存能量;当Q1断开时,电感将能量释放到负载

$U{}_{\text{c}\text{d}}=-L\frac{\text{d}i{}_{\text{L}}}{\text{d}t}(7)$

如果Ton和Toff时间足够短,Uab和Ucd保持恒定,则有

$i{}_L({\rm T}{}_{\text{o}\text{n}})-i{}_{\text{L}}(0)=\frac{U{}_{\text{a}\text{b}}-U{}_{\text{c}\text{d}}}{L}{\rm T}{}_{\text{o}\text{n}}(8)$

$i{}_L({\rm T}{}_{\text{o}\text{n}}+{\rm T}{}_{\text{o}\text{f}\text{f}})-i{}_{\text{L}}({\rm T}{}_{\text{o}\text{n}})=-\frac{U{}_{\text{c}\text{d}}}{L}{\rm T}{}_{\text{o}\text{f}\text{f}}(9)$

在稳态条件下iL(0)=iL(Ton+Toff),带入式(8)和(9)可得

$U{}_{\text{c}\text{d}}=U{}_{\text{a}\text{b}}\frac{{\rm T}{}_{\text{o}\text{n}}}{{\rm T}{}_{\text{o}\text{n}}+{\rm T}{}_{\text{o}\text{f}\text{f}}}(10)$

因此,只要根据蓄电池的电压变化适当调整脉冲的宽度Ton,就可以调整太阳能电池组件的输出电压,使其一直保持在最大功率点附近。具体MPPT控制算法[7]如下方框图所示:

4 实验结果与数据分析

测试时间为2011年5月11日,地点位于华南理工大学29号楼楼顶。本次实验分为两组,每组均采用两块FS-S003D太阳能电池板并联为负载供电。其中一组直接连接负载,倾斜角为35°,朝正南固定安装;另外一组倾斜角同样为35°,采用MPPT并带有斜单轴跟踪装置。为了尽量排除天气因素对光伏系统输出的影响,实验中每隔30分钟,选择没有云层遮挡的时间记录下实验数据。

如图6所示,由于太阳方位角的改变,固定安装的太阳能电池板的输出电压和输出电流不断发生变化,导致其输出功率偏离最大功率点(Pm),不能充分利用太阳辐射能。而采用MPPT并带有斜单轴跟踪装置的光伏系统,虽然在最大功率点跟踪方面存在一定的滞后,但是静态误差总能控制在8%以内,较大幅度地提高了系统的输出功率。特别是在9∶00～11∶00与16∶00～18∶00的两个时段,能够将输出功率提高85%以上。如果忽略天气因素的影响,采用MPPT并带有斜单轴跟踪装置的光伏系统与固定安装并直接连接负载的光伏发电系统相比,平均每天能多转换65W·h左右的电能。而在控制系统方面,BLSD2410DC-2Q-S型步进电机功率为120 W,AT89LV51微功耗CPU的功率不足0.02 W,电流与电压传感器功率都在0.6 W左右。一天中步进电机正常工作时间约为2分钟,其余时间处于休眠状态。经过测试,整个控制系统一天能耗在15 W·h以内,远小于增加控制系统所额外获得的电能。

5 结论

本文设计的光伏发电系统不但能够追踪太阳方位角,并且能够自动调节太阳能电池的工作点,使其获得最大输出功率。整个系统具有光电转换率高、适用范围广、工作稳定可靠和免维护等优点,具有较为广泛的应用前景。

参考文献

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智能功率测试仪的设计 篇7

随着集成电路技术的发展,单片机已被广泛应用于工业测控和数字式智能化仪器仪表中。

本系统设计以单片机为核心,采用智能数字化测量方法,实现了对工频交流电压、电流有效值、有功功率、无功功率及功率因数的测量,同时采用并联电容法对感性负载电路的无功功率进行补偿。系统硬件设计由信号采集、数据测量、数据处理和键盘显示4部分电路构成。前向模拟通道主要完成信号的采集,即:工频交流信号分别由电压、电流互感器进行信号采样,然后经精密全波检波器进行信号变换,滤波后得到电压、电流有效值,采用鉴相器及极性判别电路得到相位差。数据测量分别由A/D转换得到电压、电流有效值,由单片机内部定时器测量相位差。测量数据由主控制器单片机进行运算处理后,结果由液晶显示。

2 系统方案设计

本系统设计以单片机AT89C52为核心,系统硬件主要由信号测量电路、主控制器电路和键盘显示电路3部分构成。信号测量分为交流电压、电流有效值测量和相位差测量。测量电压和电流时,采用互感器从被测工频网络采样交流信号,通过信号放大、交直流转换、低通滤波电路后得到直流电压,经A/D转换成数字量送往单片机。测量相位差时,先将电压及电流的正弦信号经电压比较器整形成方波信号,通过相位鉴别电路得到相位差,然后利用单片机内部定时器采用软件测周期法得到相位差的数字量。主控制器以单片机为核心,通过键盘显示电路实现功率参数的测量、计算、键盘控制和液晶显示等功能。系统框图如图1所示。

3 测量原理分析

设一端口N内部不含独立电源,仅含电阻、电感和电容等无源元件,它吸收的瞬时功率p等于电压u和电流I的乘积p=uI。

从上式可以看出,瞬时功率有两个分量:一是恒定分量;二是正弦量,其频率是电压和电流的两倍。瞬时功率还可以改写为:

上式中的第一项始终大于或等于零(φ≤π/2),是瞬时功率中的不可逆部分;第二部分是瞬时功率中的可逆部分,其值正负交替,这说明能量在外施电源与一端口之间来回交换。瞬时功率的实际意义不大,且不便于测量。平均功率又称有功功率,是指瞬时功率在一个周期内的平均值,用大写字母P表示:

有功功率代表一端口实际消耗的功率,它就是式(1)的恒定分量。它不仅与电压和电流的有效值的乘积有关,且与它们之间的相位差有关。式中cosφ称为功率因数,并用λ表示,即有λ=cosφ。在工程中还引用无功功率的概念,其定义为Q=UIsinφ,从式(2)可见,它与瞬时功率的可逆部分有关。

许多电力设备的容量由其额定电流和额定电压的乘积决定,为此引进视在功率的概念,其定义为:S=UI。有功功率、无功功率和视在功率具有功率的量纲,为便于区分,有功功率的单位为W,无功功率的单位为Var,视在功率为V·A。有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在下列关系:

4 硬件模块电路特点及实现功能

(1)信号采集模块

信号采集分为电压有效值采集、电流有效值采集和相位差信号采集。电压采集通道由电压互感器、同相比例放大电路、射极跟随器、有源全波整流电路、低通滤波和A/D转换电路构成。相位差测量通道由波形整形电路、相位差鉴别电路和相位极性判别电路构成。以上3个信号采集通道的设计具有一定的扩展性利可升级性。

(2)主控制器模块

如图2所示,主控制器以单片机为核心,外围电路包括上电复位电路、A/D转换电路、键盘输入电路和液晶显示电路。由于系统软件采用C51编程,因此单片机选用AT89C52,其片内含有256字节的用户RAM和8KB的程序存储器,以充分满足软件设计的要求,无需外扩程序存储器。这不但节省了硬件,减小硬件设计难度,而且降低设计成本,提高了系统的稳定性。单片机复位采用按键电平复位电路,增加复位键有利于系统出现故障时重新运行,方便用户使用。A/D转换电路由CD4051和TLC0831构成,通过多路模拟开关CD4051可分时选通两路信号。TLC0831为串行接口模数转换芯片,与单片机连接占用端口少,节省系统端口资源。键盘输入电路采用74LSl65串并转换芯片构成串行输入键盘,通过软件延时去抖动,动态扫描键盘输入。测量结果输出选用OCMJ中文模块液晶显示器,内含GB 2312 16*16点阵国标一级简体汉字和ASCⅡ8*8(半高)及8*16(全高)点阵英文字库,用户输入区位码或ASCⅡ码即可实现文本显示。OCMJ中文模块液晶显示器也可用作一般的点阵图形显示器用。提供有位点阵和字节点阵两种图形显示功能,用户可在指定的位置上以点为单位或以字节为单位进行图形显示,不仅操作简单,而且界面设计友好。

5 系统软件设计

(1)主程序

如图3所示为主程序流程图。

(2)A/D采集程序

如图4所示为A/D采集程序。

(3)相位差测量程序

如图5所示为相位差测量程序。功率参数的计算需要测量出电压和电流正弦信号的相位差,交流电压信号和交流电流信号经过过零检测器整形后得到方波信号,然后将两信号相异或后得到测量信号。测量信号中正脉冲的宽度就是所求的相位差。工频交流电的频率为50 Hz,因此,只要测量出信号的正脉冲周期时间,即可计算出被测网络的相位角和功率因素等参数。然后经极性判别电路由单片机的端口可判断出相位角超前还是滞后。

脉冲宽度测量采用单片机内部两个定时器计时计数法测量。由于单片机工作时钟频率高,内部定时器工作稳定可靠,计数范围大,完全满足设计要求。相位角测量通过外部信号电平控制定时器0和定时器1同时启动计数,分别测量信号脉冲宽度和周期长度,根据定时器计数值计算出相位角。这种测量方法具有精度高、误差小及实时跟踪被测网络频率变化并自动调整参数的优点。

(4)液晶显示程序

该程序使刚REQ及BUSY两条控制线的握手方式对模块进行写操作。

6 结束语

本系统设计具有一定应用价值。它可以实时监控被测网络的功率参数,通过并联电容法,自动补偿被测网络的功率因数,减少了电网的无功功率。通过减少电网的无功输出,从而减小了电流的输出。这不但提高了电源设备的利用率,减少传输线上的损耗,而且节约了能源,提高了经济效益。

参考文献

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卷带装置液压系统恒功率特性研究 篇8

卷带装置在纺织、造纸、矿山、冶金等行业应用广泛。该装置可避免胶带叠放堆积,减少占用空间,便于胶带的运输、保管以及重新利用。

目前对卷带装置的研究主要集中于控制技术方面。Sato等[1]首次将微机技术应用于卷带装置,在一定程度上提高了卷带装置的自动化水平及卷带质量。Noura[2]使用容错控制方法(FTC)来提高卷带装置的控制精度。刘晔[3]通过加入变阻尼控制装置以保证系统的恒张力和恒速度。章兼源[4]采用线速度和张力双环控制来提高卷带系统的稳定性。

液压系统恒功率控制指的是根据负载的变化来调整变量泵的输出流量,使系统的输出功率接近于负载所需功率,实现动力源和负载间的功率匹配,从而达到节能降耗的目的。目前,恒功率控制已广泛应用于机床、造纸及工程机械等诸多领域[5]。卷带装置在正常工作时,负载功率随卷带直径的增大而增大,当遇到卡带等突发工况时,负载会突然变大,这些都会对马达的卷带效率及卷带质量造成不利影响,因此,开展液压系统恒功率特性的研究具有重要的应用意义。

本文采用理论仿真和实验研究两种手段研究卷带装置液压系统的恒功率特性,分析负载变化时系统压力、流量及马达转速的动态响应特性。

1 理论分析

1.1 液压系统的工作原理

图1所示为卷带装置液压系统,液压泵4通过换向阀6向液压马达7提供压力油,换向阀6左位、右位接通时,分别实现液压马达的反转、正转,从而带动卷筒进行卷带、放带。当系统压力达到或超过额定工作压力时,与工作腔相连的溢流阀5或溢流阀8开启,工作腔压力油溢流回油箱。

1.油箱 2、10.过滤器 3.电机 4.液压泵 5、8、9.溢流阀 6.换向阀 7.液压马达

1.2 泵控马达系统性能分析

卷带装置液压系统采用泵控马达方式来实现恒功率控制,通过改变变量泵的变量系数来控制定量马达的转速,使系统的输出功率随负载变化而相应变化。

假设管路中油液的流动为层流且油液温度和弹性模量均为常数,管路和马达工作腔内无饱和气穴现象,忽略管路中的压力损失,则可建立泵控马达系统运动学方程和力矩平衡方程[6,7]。

以液压泵和马达的工作容腔(即高压管路)为分析对象,其流量连续方程为

$V{}_{\text{Ρ}\max }\omega {}_{\text{Ρ}}x{}_{\text{Ρ}}=V{}_{\text{Μ}}\omega {}_{\text{Μ}}+k{}_{\text{Ρ}}p+k{}_{\text{Μ}}p+\frac{V{}_0}{\beta {}_{\text{e}}}\frac{\text{d}p}{\text{d}t}$ (1)

式中,VPmax为泵最大排量;ωP为泵角速度;xP为泵变量系数;kP为泵泄漏系数;VM为马达排量;ωM为马达角速度;kM为马达泄漏系数;p为工作压力,即系统高低压回路压力差;V0为高压管路容积;βe为油液弹性模量。

马达力矩平衡方程为

$pV{}_{\text{Μ}}=J\frac{\text{d}\omega {}_{\text{Μ}}}{\text{d}t}+B\omega {}_{\text{Μ}}+{\rm T}{}_{\text{L}}$ (2)

式中,J为马达输出轴转动惯量;B为黏性阻尼系数;TL为外负载转矩。

在初始条件下,对式(1)和式(2)进行拉氏变换,可得

$V{}_{\text{Ρ}\max }\omega {}_{\text{Ρ}}x{}_{\text{Ρ}}(s)=V{}_{\text{Μ}}\omega {}_{\text{Μ}}(s)+(k{}_{\text{Ρ}}+k{}_{\text{Μ}}+\frac{V{}_{0}s}{\beta {}_{\text{e}}})p(s)(3)$

VMp(s)=JsωM(s)+BωM(s)+TL(s) (4)

假设泵角速度不变,以泵变量系数xP为输入,马达角速度ωM为输出,可得传递函数为

$\begin{array}{l}G(s)=\frac{\omega {}_{\text{Μ}}(s)}{x{}_{\text{Ρ}}(s)}=\\ \frac{V{}_{\text{Μ}}V{}_{\text{Ρ}\max }\omega {}_{\text{Ρ}}}{\frac{JV{}_0}{\beta {}_{\text{e}}}s{}^2+(\frac{BV{}_0}{\beta {}_{\text{e}}}+Jk{}_{\text{Μ}}+Jk{}_{\text{Ρ}})s+V{}_{\text{Μ}}^2+B(k{}_{\text{Μ}}+k{}_{\text{Ρ}})}(5)\end{array}$

稳定性和快速性是衡量液压系统性能的两项重要指标。阻尼系数ξ越大,系统稳定性越高;固有频率ωn越大,系统响应越快。由式(5)可得:系统性能与马达排量VM、泵角速度ωP、泵最大排量VPmax、高压管路容积V0、油液弹性模量βe、马达输出轴转动惯量J及黏性阻尼系数B有关。

2 仿真分析

2.1 系统恒功率特性仿真模型

当输送带被卡死时,卡死点至滚筒间的输送带将被进一步拉伸,导致系统负载发生变化。为了研究该工况下系统的恒功率特性,在AMESim环境下建立系统恒功率特性仿真模型[8,9,10]。

建立仿真模型后,设定仿真系统中主要元件的参数如下:电动机转速为1500r/min,液压泵最大排量为67mL/r,溢流阀开启压力均为32MPa,马达排量为3000mL/r,马达输出轴转动惯量为3150kg·m2,卷带滚筒直径为500mm,负载质量为7000kg,输送带选用GX2000型胶带。

2.2 仿真结果分析

通过仿真分析,得到卡带工况下系统压力曲线及压力-流量曲线,如图2所示。

从图2可知:7s时,卷带装置发生卡带现象,系统压力逐渐增大,约9.3s时达到最大值,此时溢流阀打开,泵的输出流量开始减小;同时,随着系统压力的增大,流量逐渐减小,表明卷带装置在工作过程中,变量泵发挥了其恒功率特性。

图3所示为卡带工况下马达转速响应曲线,从图3可以看出:卡带瞬间马达转速急剧下降,且伴有冲击,约7.8s时转速降至5.2r/min左右,并维持约1.5s,尔后急剧下降,并伴有小幅度的振荡,经过约1s的调整后停止转动。结合图2a可知,从7.8s开始,压力增大而马达转速保持不变,这段时间持续了1.5s,这是因为泵的调整机构已行至最小排量处,待油压升高到溢流阀设定值,油液经溢流阀流回油箱,马达停止转动。

3 实验研究

3.1 实验装置系统

为更好地测试卷带装置液压系统的恒功率特性,搭建图4所示的卷带装置实验系统,通过盘式加载装置对系统施加制动力矩,用以模拟卷带装置在卷带过程中突然遇到卡带现象,系统负载增大情况下,液压系统的恒功率响应特性。

1.液压系统 2.马达 3.扭矩传感器 4.减速器 5.盘式加 载装置 6.电液比例控制系统 7.流量传感器 8.压力变送器

图4中,液压马达2在液压系统1的驱动下通过减速器4带动盘式加载装置5转动,液压马达2的输出扭矩与转速由扭矩传感器3测出,液压泵的输出流量和压力分别由流量传感器7与压力变送器8测得。电液比例控制系统6用于控制盘式加载装置5的输出扭矩,以改变液压马达2的负载。整个实验台如图5所示,其中,图5a为卷带装置液压站,图5b为动力传动及加载装置。

3.2 结果分析

图6所示为负载增大时,系统压力与马达转速间的关系曲线,从图6可以看出:刚开始时,由于存在压力冲击,系统处于震荡状态;经过很短的调整时间后,系统的压力与马达转速间基本上呈线性关系,马达转速随着系统压力的增大而线性减小,这也体现了系统的恒功率特性。

为进一步验证系统的恒功率特性,将所测得液压马达的输出扭矩TM和输出转速nM进行相应计算处理,可以得到液压马达输出功率PM随时间t的变化曲线,如图7所示。从图7可以看出:在系统运行开始阶段,系统输出功率基本上在一定值范围内上下波动,系统基本上处于恒功率输出状态;6s左右时,通过盘式加载装置对系统施加负载,系统输出功率基本保持恒定;大约到13s,系统输出功率开始下降,这是由于泵工作在最小排量处,系统压力为溢流阀设定值,马达输出扭矩一定,而转速下降;16s左右时,系统被完全制动,输出功率降为零。在整个加载过程中马达输出功率伴有较大幅度的波动,这是因为盘式加载装置所提供的负载存在一定的波动,由此可见,液压系统表现出较好的恒功率输出特性。

4 结论

(1)系统负载变化时,卷带装置的液压系统具有较好的恒功率特性。

(2)本文建立的仿真模型较为准确地预测了卷带装置液压系统的恒功率特性,仿真结果和实验结果吻合较好。

(3)实验中存在许多未知阻尼因素,仿真结果和实验结果存在一定误差,可通过改进模型、补偿未知阻尼来进一步提高仿真模型的精度。

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