机械调速

2024-06-25

机械调速（精选4篇）

机械调速篇1

0 引言

带式无级变速器由主从动锥(带)轮、紧套在两轮上的带、调速操纵机构和加压装置等组成。当主动轮转动时,带与锥轮间的摩擦力驱动从动轮并传递动力;通过调速操纵机构改变带在锥轮上的位置,使主、从动轮的工作半径改变,以达到无级变速的目的。通过实例,介绍用变频器与变频电机实现对机械带式无级调速器的改造。

1 存在的问题

带锯床GZK4050主要用于切割各种棒料钢、铝等金属材料。其锯削范围:圆材500mm、方材500 mm×450mm;锯削速度:18~90m/min,无级可调。

系统传动链:主电机—无级调速装置—蜗轮蜗杆副—锯带轮。

主电机输出功率5.5kW、转速960r/min,带式无级调速器通过同时改变主、从皮带轮的直径,使输出轴的转速和转矩也跟随发生变化,动力传递给蜗杆蜗轮,蜗轮直接带动锯带轮工作。

此机床在投入生产两年多的时间里,调速装置出现以下故障:主带轮上键槽与键完全磨损,与带轮孔配合的轴也磨损严重;从动带轮链轮孔磨损严重。因此,借维修机会对其进行改造。

2 改造方案

2.1 设计要点

机床恒功率负载实现变频调速的主要问题是控制性能及系统容量或负载能力。系统特点:在低速段,机床最大进刀量都是一定的,因此,最大切削力并无变化,属于恒转矩调速范围;在高速段,受机床机械强度和刀具耐用程度等因素的限制,要求转速越高,进刀量越小,但切削功率相同,属于恒功率区。所需的电动机容量必须使电动机的额定转矩能满足负载最大转矩的要求;电动机的转速必须能满足负载的最高转速。电机容量与机床特性匹配如图1所示。

2.2 原设备主要数据

主电机:额定功率PN=5.5kW、额定转速nN=960r min;无级调速器:传动比i=0.4~2;蜗轮蜗杆副:传动比i=48;锯带轮:直径Φ=600mm;锯削速度V=18~90m/min。

根据机床厂家提供的数据,考虑锯削速度V≤30m/min为恒转矩区,则电机转矩与速度折算到蜗杆的计算结果见表1。

2.3 电机与变频器型号选择

原电动机的容许最高频率为120Hz以下,其对应最高转速为2304r/min以下。为使电动机的额定转矩能满足负载最大转矩的要求,设计皮带轮传动比i为1.3,54.7×1.3≥68Nm,满足负载最大转矩的要求,此时负载折算到电机最高转速要求为2293×1.3=2981r/min,显然原电机无法满足其调速范围要求。故选择型号为VFG132M-1000-5.5-B3、机座号为132M的4极基频制调速电机,额定功率5.5kW、额定电流11.5A、额定转矩55.5Nm、基准频率33Hz、基准转速1000r/min、最高转速6000r/min。设计皮带轮传动比i为2,因此,55.5×2≥68Nm,满足负载最大转矩的要求,此时负载折算到电机最高转速要求为2293×2=4586r/min,电机最高转速满足要求并有很大余量。另外,该电机与原主电机的机座号相同,方便安装。

通用变频器选择的原则:功能特性能保证可靠地实现工艺要求,并有较好的性价比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。通过资料调研,佳灵JP6C-T9系列高性能数字变频器能够适应机械调速及自动控制要求,可应用于金属机床。电动机的额定电流不超过通用变频器的额定电流是选择变频器容量的基本原则,电动机的额定功率只能作为参考。电机额定电流11.5A,因此变频器选择型号JP6C-T9-7.5,额定电流18A、适用电机功率7.5kW、额定容量14kVA、输出电压三相0~440V、频率0.5~400Hz。

3 安装调试

3.1 变频改造电路

变频改造电路如图2所示,考虑自动控制要求,使用原来控制主电机运行的接触器KM1的一个常开触点作为变频器运行信号;为使调速操作方便,使用一个旋钮电位器作为频率给定信号。变频器关键参数设置见表2。

3.2 调试

对刚买回来的变频器和电机进行通电试运行。试运行时,以5.00Hz低频率进行,检查以下几点:运转方向是否正确;电机运行是否平稳,有无异常震动现象;是否平稳加减速。

试运行无异常,则开始进行在系统所需调速范围内的运行,从低到高再从高到低,检查变频器和电机是否正常工作。运行确认正常后,将其安装于机床,在机床上开始进行空载运行,检查电机以及其传动链在整个调速范围内是否正常工作。最后进行加载运行,检查电机电流和温升是否正常。

4 改造效果

机床改造后,投入生产运行,到目前为止整个系统运行良好。

摘要：通过实例,介绍采用变频器与变频电机实现对机械带式无级调速器的改造。

关键词：无级调速器,变频器,改造

参考文献

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机械调速篇2

关键词：调速装置,抽油机,技术应用,节能效果

在油田开发进入强采阶段以后，机械举升是实现强采的主要手段。

抽油机作为机械举升的主要方式之一，在油田开发的强采阶段得到了广泛的应用。但就国内生产的抽油机而言，最小冲速为3 min-1，大庆油田生产的抽油机其最小冲速为4 min-1。因此对于一些严重供液不足的抽油机井要想在低于3 min-1的冲速条件下生产，显然依靠皮带轮的调整是无法实现的。大庆油田第二采油厂共有抽油机5 624口，其中冲速小于4 min-1的井有1 231口。

为了满足严重供液不足的抽油机井在低冲速条件下生产的需要，近年来我们开始尝试应用“机械调速装置”来达到降低冲速、实现供排关系平衡、合理控制能耗的试验，初步见到了较好的效果。

1 机械调速装置的工作原理

机械调速装置通俗的讲就是减速器或减速机，其工作原理就是利用机械调速装置的传动比来实现调速。在油田抽油机井上常见的机械调速装置有两大类，即：二次减速轮(减速器)和R系列斜齿轮硬齿面减速机(减速机)。见图1。

由于我们是在严重供液不足的抽油机井上应用机械调速装置，故此我们仅讨论降低冲速即减速的情况。

机械调速装置实现降低冲速的过程是利用机械方法来增加地面抽油机的传动比。

1)对于常规抽油机而言，其冲速设计的理论依据为：

式中：

n——抽油机冲速，min-1;

K——减速器总传动比;

nd——电动机铭牌转速，r/min;

d——电动机皮带轮直径，mm;

D——减速器大轮直径，mm。

2)当在常规抽油机上安装了机械调速装置后，其冲速设计的理论就变为：

式中：K1——机械调速装置的传动比。

3)对于二次减速轮而言：

故此：

式中：

d1——二次轮小皮带轮直径，mm;

D1——二次轮大皮带轮直径，mm。

由此可见，二次减速轮(减速器)和R系列斜齿轮硬齿面减速机(减速机)实现其降低冲速的基础理论是相同的。但其实现方法有别，即：二次减速轮是靠两不同直径的皮带轮形成的传动比降速，实现过程简单、成本低廉，但安装过程相对烦琐;R系列斜齿轮硬齿面减速机，依靠一组(或多组)齿轮形成的传动比降速，成本较高，但安装方便，装置运行的稳定性较好。

2 机械调速装置的节能原理

机械调速装置不是节能设备，但将其应用到供液不足的抽油机井上实现低速运行时确实具有一定的节能效果。

从能量守恒的角度不难看出，机械调速装置之所以具有一定的节能效果，是因为其降低了抽油机的冲速，如果我们要实现提高冲速来应用机械调速装置则无疑是多耗能的。

对于供液不足的抽油机井而言，由于受使用机型设计最小冲速条件的限制，无法满足供排平衡。此时使用机械调速装置来降速运行，就能够达到供排平衡的目的。分析降低冲速可达到一定节能效果原因，可将其归结为如下两个方面：

2.1 减少无用功，降低惯性负载

利用：

对于抽油机井而言上行程中悬点最大载荷为：

式中：

Wr——上冲程中作用在悬点上的抽油杆柱载荷, kN;

Wl′——上冲程中相当于作用在全活塞上的液柱载荷，kN;

S——实测光杆冲程，m。

由此可见，当抽油机冲速n减小时由于其能够满足抽油机井的供排关系平衡，因此减少了无用功，同时又将惯性负荷较大幅度的降低了，这是机械减速装置实现降低能耗的一个方面。

2.2 电动机扭矩的放大作用可降低装机功率

2.2.1 常规抽油机拖动装置（电动机）的设计方法

在抽油机拖动装置的设计中我们是依据满足抽油机曲柄旋转扭矩的要求来设计电动机的。

1)均方根扭矩的计算方法：

依据净扭矩曲线计算其均方根扭矩Te

式中：

Te——均方根扭矩, kN·m;

N——等分区间数;

Tni——瞬时扭矩值。

计算均方根扭矩最大值的经验公式：

式中：

MMax——计算最大扭矩, kN·m;

S——实测光杆冲程, m;

PMax——实测最大悬点载荷, kN;

PMin——实测最小悬点载荷, kN。

经验公式的计算结果，在示功图的测试回放结果中就已经计算完成，这为我们直接调用提供了方便，两种方法的比对结果显示，应用经验公式计算的结果与净扭矩曲线方法的计算结果其相对误差在4%以内，能够满足现场的需求。

2)电动机扭矩的计算方法：

式中：

M——电动机扭矩, N·m;

P——电动机功率, kW;

nd——电动机名牌转速，r/min。

3)抽油机额定(实际)扭矩折算成所需电动机扭矩的计算方法：

其中:

式中:

Md——抽油机额定(实际)扭矩折算成所需电动机扭矩，N·m;

d——电动机皮带轮直径, mm;

D——减速器大轮直径, mm;

K——减速器总传动比 (CYJ10-3-37HB, K=28) ;

n——抽油机冲速, min-1。

2.2.2 安装机械减速装置抽油机拖动装置（电动机）的设计方法

抽油机额定(实际)扭矩折算成所需电动机扭矩的计算方法：

式中：

Md′——带机械减速装置抽油机额定(实际)扭矩折算成所需电动机扭矩，N·m;

K1——机械减速装置的传动比。

由此可见，机械减速装置具备电动机扭矩的放大作用，可实现降低装机功率，这是机械减速装置实现降低能耗的另一个方面。为此，机采节能的实质为“减少能源浪费、实现能耗的合理匹配”。

3 机械调速装置的适用条件

在此仅讨论用作减速作用的机械调速装置即机械减速装置，依据大庆油田(含外围区块)现场试验情况，现将机械调速装置的适用条件归纳总结如下：

1)机械调速装置适用冲速的范围为1.5～4 min-1。

2)对于含水小于等于50%的抽油机井其设计理论泵效小于等于40%。

3)抽油机井在低冲速条件下运行时，其沉没度H满足：80 m≤H≤150 m。

4)机械调速装置的输出皮带轮直径大于等于180 mm。

5)在设计中可采用先将低产井的冲速降低1/2，但要满足在1.5～4 min-1的范围内，然后在依据实际生产情况，调整输出皮带轮直径、使其达到满足80 m≤H≤150 m的条件(注：若产量预测准确，可以直接设计到位)。

4 现场应用情况

依据机械调速装置的适用条件我们开展了6口井的现场试验，初步见到了较好的效果，装置安装前后数据统计见表1、表2。

对比结果显示，平均冲速下降了2.8 min-1，沉没度回升283.05 m，有功功率下降3.2 kW，无功功率下降18.75 kvar，平均单井日节电114.44 kWh。

5 结论与认识

通过开展上述工作，我们得到的初步结论与认识如下：

1)机采节能的实质为“减少能源浪费、实现能耗的合理匹配”。

2)机械调速装置的选用可以根据费用的多少来确定，当费用紧张时可以优先考虑二次减速轮。

3)机械调速装置在设计中产量预测的准确度对其效果的影响较大。

机械调速篇3

关键词：机械液压式调速器,稳定调速率,游车

0 前言

常见的机械调速器是直接利用飞块产生的离心力去驱动喷油泵齿条。对于这种调速器, 如果驱动喷油泵齿条所需要的力较大, 飞块必然较大, 调速器的外形尺寸也随之增大, 在大型低速柴油机中, 甚至不是一般增大就能满足得了, 因而机械式调速器一般用于中小型高速柴油机。液压调速器可以弥补上述缺点, 它的飞块所产生的离心力只用来带动一个质量很小的滑阀, 由滑阀来控制液压放大机构——动力活塞, 然后由动力活塞去驱动喷油泵齿条, 即飞块所产生的离心力是间接的作用于喷油泵齿条的, 故液压调速器亦称间接作用式调速器。液压调速器具有调速精度高、作用力大、使用寿命长、便于自动控制和遥控等特点, 在船用柴油机发电机组和低速大功率柴油机上被广泛采用。

1 调速器基本功能

1.1 转速调节

转速调节机构亦称同步调节机构, 由两部分组成, 见图1。一是由同步旋钮21及传动齿轮20, 22和调速齿轮23组成, 当转动同步旋钮21时, 则通过传动齿轮20, 22转动调速齿轮23, 并使其沿着螺柱上下移动, 调速弹簧19被压缩或者放松, 得到不同大小的预紧力, 从而改变柴油机的转速, 旋钮21顺时针方向旋转为增速, 反之为减速。另一部分是装在调速器顶杆上的带有涡轮蜗杆减速机构的伺服电机, 它通过摩擦离合器 (图1中未画出) 与传动齿轮22连接, 因此也可以由配电板上的控制开关通过伺服电机进行转速调节。转速指示牌装在转速调节旋钮21 (同步旋钮) 的下方, 由转速调节旋钮通过减速惰齿轮传动, 它指示出调速弹簧的压紧程度, 也就指示出相应的柴油机转速。但是, 调速器铭牌上的指示只供参考, 需要实测运行转速为准。如果两者出入较大, 可适当调整传动齿轮的相对位置。

1.不均匀度凸轮2.不均匀度旋钮3.拉簧4.摇臂5.不均匀度指针6.支点销7.连接叉8.负荷指针9.齿轮10.齿条11.负荷极限指针12.负荷限制凸轮13.负荷限制旋钮14.连接杆15.压杆16.摇杆17.销18.滑阀19.调速弹簧20.22.传动齿轮21.同步旋钮23.调速齿轮24.大反馈弹簧25.传动轴26.滑阀弹簧27.传动轴28.阀套29.动力活塞30.示意油泵齿轮 (位于传动轴25、阀套28的端部) 31.蓄压缸32.旁通孔33.蓄压缸弹簧34.输出轴

1.2 稳定调速率调节

表征柴油机调速性能的几个指标:

瞬时调速率——柴油机突卸或突增负荷后的最大或最小瞬时转速和负荷改变前的转速之差与标定转速之比的百分数, 以绝对值表示:

式中, n 1为负荷改变前转速, r/min;n2为突变负荷时最大或最小瞬时转速, r/min;n标定为标定转速, r/min。

稳定调速率——柴油机负荷变化后的稳定转速和负荷改变前的转速之差与标定转速之比的百分数, 以绝对值表示:

转速波动率——在负荷不变的条件下, 一定时间内测得的最大转速或最小转速和该时间内的平均转速n平均之差与标定转速之比的百分数, 以绝对值表示:

稳定调速率亦称“不均匀度”。表明调速器在外界负荷增加时, 使柴油机转速相应下降, 而在外界负荷减小时, 使柴油机转速相应增加的一种特性, 见图2。

从图1可见, 不均匀度 (稳定调速率) 可调机构是由不均匀度凸轮1、不均匀旋钮2、不均匀度拉簧3、摇臂4、不均匀度指针5、支点销6和连接叉7所组成。当转动不均匀度旋钮2时, 通过不均匀度凸轮1和摇臂4, 支点销6在连接叉7上的位置发生改变。当调速器输出轴转动时, 通过连接叉7改变调速弹簧19的预紧力。若支点销6处于调速齿轮23的螺柱中心线位置, 则输出轴转动对调速弹簧19的预紧力无影响, 因此不论外界负荷如何变化, 柴油机将始终保持着一定恒定的转速, 即不均匀度为零。支点销6向左移动, 则连接叉7右端随输出轴34的转动而增大行程, 不均匀度变大。

不均匀度特性的作用之一:自动地分配并联运行柴油发电机组之间的负荷。若不均匀度为零, 则不能并联运行, 即使不均匀度较小, 也会产生柴油机负荷分配处于一种不稳定的状态——负荷反复转移。因此单机运行时不均匀度可以为零, 并联运行时不均匀度不能处于零位。对于并联运行的几台功率容量相同的柴油发电机组, 其不均匀度值应尽量调到一致。

不均匀度特性的作用之二:不均匀机构实际上也是一个刚性反馈机构。除了可以改变并联运行机组之间的负荷分配之外, 也起到提高柴油机运行稳定性的作用。不均匀度值的大小和可调节范围还与柴油机从空负荷到全负荷所用的输出轴转角有关。不均匀度旋钮处于同一个位置时, 所用的输出轴转角愈大, 不均匀度的值也愈大。为保证柴油机稳定并联运行, 一般柴油机发电机组的不均匀度值:2≥d2%。

1.3 负荷限制

负荷限制机构是由负荷限制旋钮13、负荷极限指针11、负荷限制凸轮12、连接杆14、压杆15、摇杆16和销17等组成。

负荷限制机构的作用之一是限制喷油泵的最大供油量, 从而限制了柴油机的负荷。摇杆16的右端在销17的下方, 留有允许滑阀向下打开的距离, 而连接杆14的左端由动力活塞通过齿条10来传动。动力活塞的位置 (直接与喷油泵的供油量有关) 经齿条10、齿轮9传动而反映到铭牌的刻度上。若原负荷指针8指示位置为“5”, 负荷极限指针11位于铭牌刻度“10”的位置, 这时连接杆14与负荷限制凸轮12相接触, 负荷如果增大, 动力活塞上升, 以连接杆14与凸轮12的接触点为支点, 经由压杆15和摇杆16将提起滑阀而减油, 动力活塞也就不能上升了, 因此最大供油量被限制在刻度“10”的位置。同理, 如果把负荷极限指针11放在刻度“8, 6, 4”等位置, 最大供油量也只能为“8, 6, 4”。

需要紧急停车时, 按下压杆15, 经摇杆16、销17把滑阀提起, 动力活塞下移, 喷油泵供油量减为“0”而停车。

负荷限制机构的作用之二是转动负荷限制旋钮, 使负荷极限指针到“0”刻度可作停车用。这里必须注意, 人为地转动调速器输出轴或油门机构时, 负荷指示值均不能超过负荷极限指针所限定的位置, 以免损坏调速器。

负荷限制机构的作用之三是柴油机起动时, 应将负荷极限指针转到较小的位置, 以能迅速起动为准, 以免柴油机起动粗暴。起动完毕后, 再将负荷极限指针转动到所需的位置。

2 工作原理

2.1 基本结构

如图1所示, 传动轴27带动一对油泵齿轮30 (位于传动轴25、套筒28的端部) 泵油, 蓄压缸31由蓄油室弹簧33和壁上的旁通孔32维持一定的工作油压。动力活塞29的上部、滑阀18的上部始终与蓄压缸中的压力油相通。动力活塞的下部与控制油相通。如果滑阀18下移, 控制口上侧被打开, 压力油与动力活塞的下部相通。由于动力活塞下部的承压面积较上部大, 并且又作用着同样的压力油, 使动力活塞向上移动。反之, 滑阀上移, 动力活塞下部与油池相通, 控制油旁通到油池, 则动力活塞下移。

调速器的传动轴27带动具有油泵齿轮的阀套28, 通过传动轴25将柴油机转速传到飞块。传动轴25中的弹簧片起高频减震的作用, 滑阀下面的弹簧26起支撑滑阀和杠杆的作用, 大反馈活塞 (反馈主动活塞) 杆上的弹簧24起消除活塞销装配间隙的作用。

2.2 稳定运行

a.柴油机负荷不变并处于某一转速下稳定运行。

b.飞块、导杆、滑阀和小反馈活塞 (反馈接受活塞) 在平衡位置、控制口由滑阀盖住。

c.动力活塞和输出轴处于稳定状态。

2.3 负荷减小

a.负荷减小, 转速增加。

b.转速增加时飞块向外张开, 提起导杆和杠杆内端, 滑阀相应被提起。动力活塞下部油腔与油池相通, 上部的压力油推动活塞向下移动。

c.由于动力活塞向下移动, 带动输出轴朝减油方向旋转。

d.随着动力活塞向下移动, 同时带动了大反馈活塞向上移动, 使小反馈活塞向下移动, 上面一根小反馈弹簧受压, 杠杆外端和滑阀下移。

e.动力活塞移动引起的大反馈活塞、小反馈活塞和滑阀的一系列动作一直持续到阀套上的控制口被滑阀盖住为止。

f.转速恢复到原定值, 飞块回到平衡位置, 导杆也下降到正常位置。

g.由于调节针阀和小反馈弹簧的作用, 小反馈活塞逐渐回到平衡位置。

h.调节过程终了时, 飞块、导杆、滑阀和小反馈活塞回复到平衡位置。动力活塞和输出轴稳定在负荷减小后柴油机所需要的油量位置上。

2.4 负荷增加

a.负荷增加, 转速降低。

b.转速降低时飞块合拢, 导杆和杠杆的内端向下移动, 滑阀也向下移动, 打开控制口。

c.压力油流入动力活塞下腔, 此时动力活塞的上下面受到同样的油压作用, 由于其下部承压面大于上部, 动力活塞上移。

d.随着动力活塞向上移动, 带动输出轴朝加油方向旋转。

e.动力活塞向上移动的同时, 带动大反馈活塞向下移动, 使小反馈活塞向上移动, 下面一根小反馈弹簧受压, 杠杆外端和滑阀上移。

f.动力活塞移动所引起的大反馈活塞、小反馈活塞和滑阀的一系列动作一直持续到阀套的控制口被滑阀盖住为止。

g.随着供油量的增加, 转速回复到原定值, 飞块回到平衡位置, 导杆也回升到正常位置。

h.由于节流针阀孔和小反馈弹簧的作用, 小反馈活塞也回到平衡位置。

i.调节过程终了时, 飞块、导杆、滑阀和小反馈活塞均处于平衡位置, 动力活塞和输出轴稳定在负荷增加后柴油机所需要的油量位置上。

3 调速器常见问题及解决措施

3.1 调速器油

为了保证调速器工作正常, 性能良好, 并具有较长的使用寿命, 正确选用调速器油是很重要的。要求调速器油洁净不易产生泡沫, 不沉淀, 不腐蚀调速器零件, 耐热性好, 粘度变化小, 100℃以上不变质。

调速器的污染常常是调速器发生故障的重要原因, 必须保持油的高度清洁。

a.在柴油机上拆下调速器之前, 先在调速器与喷油泵齿条间的连接机构上做好连接记号。

b.用洁净的清柴油反复清洗、清除脏物。倒净清洗柴油后, 加入新的调速器油。

c.调速器直接在柴油机上换油可按下法进行:

·拆去底座上节流针阀旁边的放油塞, 放尽调速器油。

·旋好放油塞, 加入清洁的清柴油, 旋开节流针阀2~3圈, 用起动的方法运行一下柴油机 (不一定要起动起来) 。

·拆去放油塞, 放出柴油, 重复几次, 直至脏物洗净。

·加入干净的调速器油。

3.2 柴油机游车

调速器发生故障通常由柴油机游车反映出来, 在对调速器进行全面检查之前, 可先做以下检查:

a.检查节流针阀的开启大小和反馈指针位置。

b.检查喷油器和喷油泵齿条之间的联接机构是否阻卡或松动。

c.检查负荷是否超载。

d.检查柴油机各缸工作是否正常, 喷油器雾化是否良好。

e.适当增大反馈机构的补偿量, 观察游车能否终止。

一般地说, 转速变化反常但幅度不大, 可能是调速器的驱动机构配合不好, 即驱动调速器的齿轮啮合间隙过大或者过小, 如果确实是这个原因的话, 那么调速器进行任何调整都将不见效果。

3.2.1 快速游车

a.检查调速器油面高度是否恰当。

b.将针阀关小一些。

c.注入粘度较大的调速器油, 调速器工作油粘度大, 稳定性好。

d.用改变调速器与喷油泵齿条之间传动比的方法, 扩大调速器工作行程。这样调整后, 通过专用手柄全程转动输出轴, 检查调速器在整个工作行程内, 喷油泵能否断油和提供足够的油量。倘若不能满足这一要求, 则不能采用。

3.2.2 慢速游车

a.检查油面高度。

b.调节针阀开度。

c.采用粘度较小的油。

3.3 负荷变化时, 转速回复时间长

可适当增大针阀开度。

3.4 柴油机起动时飞车

a.检查针阀开度, 不能小于1/8圈。

b.供油联接机构是否有阻卡。

c.调速器驱动轴是否扭断。

d.喷油泵齿条的零油量位置、全油量位置与调速器内动力活塞的行程是否相对应。调速器加减油方向与喷油泵是否一致。

e.调速器灵敏度差, 即动态调速率大, 需重新拆装调整。

3.5 柴油机不能停车

可检查调速器动力活塞最低位置与喷油泵齿条零油量位置是否相符。

4 结论

由于机械液压式调速器结构比较复杂, 其技术涉及多学科领域, 因此调速器与柴油机匹配技术就显得尤其重要的, 须在实际应用中根据具体情况进行分析处理, 并加强使用过程中的维护保养, 才能更好地保证柴油机性能水平及稳定运行。

参考文献

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[5]许友林, 熊玲, 姚智刚, 等.电子调速器性能测试技术及发展趋势[J].仪器仪表学报, 2001, (S2) :156-158.

机械调速篇4

斩波串级调速装置是一种调速性能优良、性价比高的调速节能产品, 适合于电厂中风机和泵类设备的调速运用, 但是在很多实际工程应用中, 加入斩波串级调速装置后常发生随着负载转矩的增大而电机的转速会有明显的下降, 从而影响正常的设备运行, 严重时会导致电机的堵转。尤其是在联合运行下的整套系统由于其中电机单元的拖动能力下降会造成对整套系统一系列无法正常运行。针对上述现象, 在基于对三相整流电路电源等效内阻抗对桥路整流输出影响分析的基础上, 推导出导致电机随着负载转矩的增大而电机的转速会有明显下降的主要原因。最后得到的理论推导通过仿真和搭建的实验平台进行验证。

1 工作原理及结构

三相绕线式异步电动机斩波串级调速系统的主电路如图1所示。VD1～VD6为整流桥;VT1～VT6为晶闸管组成的有源逆变器, 逆变控制角选择固定角为βmin (约为30°) , 逆变器的输出电压Ud=2.34UAcos βmin (UA为电网A相的电压有效值) ;电感L1、开关器件IGBT、二极管VD、滤波电容C组成Boost斩波电路;L2为平波电抗器[1]。

在传统的串级调速系统中加入Boost斩波电路后, 当IGBT导通时, Urec=0 V;当IGBT关断时, Urec=Ud。通过改变IGBT的导通时间 (即改变占空比D的大小) 从而可以调节整流桥直流侧电压Udc的大小, Udc为

Udc= (1-D) Ud (1)

式中:D为占空比, D=ton/T, ton为开关管IGBT的导通时间, s, T为斩波电路的开关周期, T=ton+toff。

对于整流桥, 由Udc=2.34Uacos 0°=2.34Ua可得:

Ua=Udc/2.34

式中:Ua为转子相电压的基波分量, 即中点对零线的电压。

这样可以通过改变占空比D的大小从而改变Ua的大小, 即改变了转子电流的大小, 实现了调速目的[2]。

2 机械特性推导

对于三相桥整流电路, 桥臂中点电压与输出直流电压恒有关系:Udc=2.34Ua, 如图2所示。

当只考虑基波分量时, 桥路不会产生无功分量, 即输出功率恒等于输入功率 (忽略桥路内阻) :

UdcId=3UaI2 (2)

式中:Id为整流桥后的直流侧电流;I2为转子电流。

在斩波串级调速系统中, 电机转子回路虽不需要串入调速用的电阻, 但是由于在转子回路中接入了整流装置、平波电抗器、逆变器等, 再计及线路的电阻后, 实际上相当于在转子回路中接入了一定数值的等效电阻, 这个电阻的影响在电机任何转速下都会存在[3,4]。即从转子端向后看, 相当于有一个电阻Rs挂接在端点与中性点之间, 如图3所示。

由图3可得:

Rs=Ua/I2 (3)

把式 (2) 带入式 (3) 可得:

Rs=UdcId/ (3I $_{2}^{2}$ ) (4)

三相桥其输出电流平均值Id与交流输入线电流基波有效值I1的关系为

$Ι_{1} = \frac{2}{π}$ ∫π0 $Ι_{d} \sin (ω t) d (ω t) / \sqrt{2} = \frac{\sqrt{6}}{π} Ι_{d}$ (5)

把式 (5) 代入式 (4) 并且I2替换I1, 则串入转子相同回路的等效电阻变换为

$R_{s} = \frac{U_{d c} \frac{π}{\sqrt{6}} Ι_{2}}{3 Ι_{2}^{2}} = \frac{U_{d c} π}{3 \sqrt{6} Ι_{2}}$ (6)

旋转电机用不转的转子电路等效, 则相应的图3转变为图4。

图4中, I $_{2}^{2}$ r2为转子绕组损耗, I $_{2}^{2}$ Rs为桥路送出去的功率, 二者之和为转差功率:

Ps=I $_{2}^{2}$ (r2+Rs) (7)

机械功率

$Ρ_{m} = Ι_{2}^{2} \frac{1 - s}{s} (r_{2} + R_{s})$ (8)

电磁功率

Pem=I $_{2}^{2}$ (r2+Rs) /s (9)

由图3可列出转子回路方程:

$s \dot{E}_{20} = \dot{Ι}_{2} [(R_{s} + r_{2}) + j s x_{2}]$ (10)

由式 (10) 可得:

$Ι_{2} = \frac{s E_{20}}{\sqrt{(R_{s} + r_{2})^{2} + (s x_{2})^{2}}}$ (11)

把式 (6) 带入式 (11) 可得:

$Ι_{2}^{2} = \frac{(s E_{20})^{2}}{[(1 - D) \frac{U_{20}}{Ι_{2}} + r_{2}]^{2} + (s x_{2})^{2}}$ (12)

解方程式 (12) 可得:

$Ι_{2} = \frac{- (1 - d) U_{20} r_{2} + \sqrt{r_{2}^{2} s^{2} E_{20}^{2} + s^{2} x_{2}^{2} s^{2} E_{20}^{2} - s^{2} x_{2}^{2} (1 - d)^{2} U_{20}^{2}}}{r_{2}^{2} + s^{2} x_{2}^{2}} (13)$

机械转矩为

Tm=Pm/Ω2 (14)

把式 (6) 、式 (8) 、式 (13) 代入式 (14) 可得:

$\begin{array}{l} Τ_{m} = \frac{3 r_{2} s^{2} E_{20}^{2}}{s Ω_{1} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2})} \times [1 - \frac{2 U_{2 s}^{2} x_{2}^{2}}{E_{20}^{2} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2})} - \\ \frac{U_{2 s} (r_{2}^{2} - s^{2} x_{2}^{2}) \sqrt{(s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2}) E_{20}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2}}}{s E_{20}^{2} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2}) r_{2}}] (15) \end{array}$

电机的固有机械特性方程为

$Τ_{m h} = \frac{3 r_{2} s^{2} E_{20}^{2}}{s Ω_{1} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2})}$ (16)

式 (15) 中, Tm为加入斩波串级调速装置后的机械特性方程。在推导出式 (15) 的基础上, 再对式 (15) 、式 (16) 进行求导, 求导后可得:

电机固有机械特性工作段斜率为

$\tan θ_{m h} = \frac{d Τ_{m h}}{d s} = \frac{3 E_{20}^{2} r_{2}}{Ω_{1} (r_{2}^{2} + s^{2} x_{2}^{2})} - \frac{6 E_{20}^{2} r_{2} s^{2} x_{2}^{2}}{Ω_{1} (r_{2}^{2} + s^{2} x_{2}^{2})^{2}} (17)$

加入斩波串级调速装置后的电机机械特性工作段的斜率为:

$\begin{array}{l} \tan θ_{m} = \frac{d Τ_{m}}{d s} = \frac{9 r_{2} E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} + 6 r_{2} E_{20}^{2} s^{2} x_{2}^{2}}{Ω_{1} Ζ_{2 s}^{2}} \cdot \\ [1 - \frac{2 U_{2 s}^{2} x_{2}^{2}}{E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2}} - \frac{U_{2 s} (r_{2}^{2} - s^{2} x_{2}^{2}) \sqrt{Ζ_{2 s}^{2} E_{20}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2}}}{s E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} r_{2}}] + \frac{3 r_{2} s E_{20}^{2}}{Ω_{1} Ζ_{2 s}^{2}} \cdot \end{array}$

$\begin{array}{l} {\frac{4 U_{2 s}^{2} x_{2}^{4}}{E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{4}} + \frac{U_{2 s} (r_{2}^{2} - s x_{2}^{2}) \sqrt{E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2}} [E_{20}^{2} r_{2} (2 s^{2} x_{2}^{2} + Ζ_{2 s}^{2})]}{s^{2} E_{20}^{4} Ζ_{2 s}^{4} r_{2}^{2}} - \\ \frac{[U_{2 s} (r_{2}^{2} - 2 s x_{2}^{2}) (s x_{2}^{2} E_{20}^{2}) - 2 U_{2 s} s x_{2}^{2} (E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2})] (s E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} r_{2})}{s^{2} E_{20}^{4} Ζ_{2 s}^{4} r_{2}^{2}}} (18) \end{array}$

其中 Z $_{2 s}^{2}$ =s2x $_{2}^{2}$ +r $_{2}^{2}$

可知式 (17) 、式 (18) 都是斜率角关于转差率s的函数, 即在同一负载转矩下, 两式所对应的电机的转差率是不同的。由此计算出在同一负载转矩下所对应的不同的曲线斜率。表1为7.5 kW三相绕线式异步电动机的参数根据式 (17) 、式 (18) 详细的计算数据。

由表1可以看出, 在相同的负载转矩下电机固有机械特性曲线的斜率相对于占空比D=0.9和D=0.8时的机械特性曲线的斜率要大些, 并且D=0.9的机械特性曲线的斜率也相应的大于D=0.8的机械特性曲线的斜率。从而可以得出加入带斩波中间环节的串级调速系统后工作段的机械特性曲线相对于未加斩波串级调速系统的工作段的机械特性曲线变平滑了 (即机械特性曲线的切线夹角变小了) , 故机械特性变软了[3], 示意图如图5所示。在同一负载转矩下不同占空比的斜率角大小θ1, θ2, θ3分别对应于未加斩波串级调速系统、加入斩波串级调速系统D=0.9的机械特性曲线和加入斩波串级调速系统D=0.8的机械特性曲线, 即θ1>θ2>θ3。

3 系统仿真

本文运用Matlab/Simulink软件搭建的系统主电路仿真模型, 该模型经过验证可以很好地模拟实际斩波式串级调速系统, 并以额定功率7.5 kW的三相绕线式异步电动机, 带恒转矩负载为实例, 对整个斩波式串级调速系统进行了仿真。表2给出了电机在未加斩波串级调速装置和加入斩波串级调速装置后D=0.9, D=0.8相应的转差率和所对应的电磁转矩。根据表2的数据画出所对应的机械特性曲线, 如图6所示。

图6所绘制的3条机械特性曲线中, 可以明显地看出在加入斩波串级调速系统后, 电机工作段的机械特性相对于电机固有机械特性变软了。

4 实验结果及结论

为了验证以上分析, 搭建了试验平台, 采用7.5 kW的绕线异步电动机为原动机 (额定电压380 V, 定子电流18 A, 转子电压185 V, 额定转速940 r/min) , 后接NJ型转矩转速传感器 (配以NC-3型转矩测量仪配套使用) , 以直流发电机作为负载, 发出的直流电源外接阻性恒定负载, 并且通过调节直流发电机的励磁电压来改变直流负载的功率进而调节电动机的负载转矩。Boost电路的电感用其电机转子本身的电感等效, 平波电抗器L2取65 mH, 电容C取2.2 mF。在此实验平台的基础上进行理论验证。其具体实验数据见表3。绘制出机械特性曲线如图7所示。

图7中的实验波形验证了本文所推导出的在加入斩波串级调速装置后电机的机械特性变软的特点以及理论分析的正确性。

实验证明转子回路的等效阻抗对机械特性的影响比较严重, 这种影响在电机任何转速下都存在。由于转子回路等效电阻的影响, 使异步电动机在斩波串级调速运行时的机械特性要软于电机固有机械特性, 使电机在额定负载时难以达到其额定转速。此理论具有重要的工程实用价值[4,5]。

参考文献

[1]张军伟, 王兵树, 万军, 等.斩波串级调速系统机械特性的分析[J].电机与控制应用, 2010, 37 (1) :25-30.

[2]陈坚.电力电子学[M].第2版.北京:高等教育出版社, 2004.

[3]辜承林, 陈乔夫, 熊永前.电机学[M].第2版.武汉:华中科技大学出版社, 2005.

[4]陈伯时, 陈敏逊.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社, 1984.

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