柴油機(jī)測功過程中的能量回饋技術(shù)方案

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。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。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。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。

　　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)同頻幅同步的電能，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、2800r/min等多種，而發(fā)電機(jī)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)。