（交通信息工程及控制专业论文）发动机热试台起动及加载装置设计.pdf

摘要 发动机热试验是保障发动机出厂质量的重要环节，发动机起动及加载装置是发动机 热试台的重要组成部分，主要实现在热试验开始时拖动发动机点火起动，在运行过程中 根据需要给发动机加载的功能。 论文在分析系统设计要求的基础上，提出了带制动单元的变频器控制交流异步电动 机的设计方案。采用直接转矩控制方式对电机进行控制，以获得转矩的高动态性能。热 试验开始时电机电动运行，输出较大转矩使发动机快速起动点火；点火成功后迅速使电 机输出转矩降为零，实现零加载；加载试验过程中电机工作于发电状态，可根据需要随 时调整电机输出负载转矩大小，此时发出的电能经变频器及其制动单元消耗于制动电阻 上。最后完成了硬件设计及设备选型，并编写了测试软件。分别在实验室和现场对装置 进行了调试，试验结果表明，本装置能很好的完成系统的各项设计指标。 关键词：发动机热试验，变频器，直接转矩控制，m o d b u s 协议，v c + + a b s t r a c t e n g i n eh e a te x p e r i m e n ti sak e yl i n kt o e n s u r et h eq u a l i t y , t h es t a r t i n ga n dl o a d i n g e q u i p m e n to fe n g i n ei sa ni m p o r t a n tp a r to fh e a tt e s tb e d ，w h i c hm a i n l yr e a l i z e st h ef u n c t i o n o f s t a r t i n gt h ee n g i n ea tt h eb e g i n n i n go ft h ee x p e r i m e n ta n dl o a d i n gw h e nn e e d e dd u r i n gt h e p r o c e s s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w ep u tf o r w a r dam e t h o dw i t hv v v f c o n t r o l l i n gt h em o t o r u s i n gt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o dt oc o n t r o lt h em o t o r , i tc a ng e ta h i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h et o r q u e a tt h eb e g i n n i n go ft h ee x p e r i m e n t t h em o t o ri sa t t h es t a t eo fe l e c t r o m o t i o n ，t h eo u t p u to ft o r q u ei sb i ge n o u g ht om a k et h ee n g i n eg e ts t a r t e d ； a f t e rt h a tt h et o r q u eo ft h em o t o rd r o p st oz e r o ，r e a l i z i n gt h ez e r ol o a d i n g d u r i n gt h e p r o c e s s o fl o a d i n g ，t h em o t o ri sa tt h es t a t eo fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y , i tc a nr e g u l a t et h eo u t p u tt o r q u e a t a n yt i m e ，t h ee l e c t r i c i t yi sc o n s u m e dt ot h eb r e a kr e s i s t o rt h r o u g hv v v f f i n a l l yw e c o m p l e t et h es e l e c t i o no ft h ed e v i c ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g n ，a l s of i n i s ht h es o f t w a r ed e s i g n t h e nw et e s tt h ed e v i c ei nt h el a b o r a t o r ya n df i e l dr e s p e c t i v e l y , t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h e d e v i c ec a nf u l f i l la l lt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n so ft h es y s t e m k e yw o r d s ：e n g i n eh e a te x p e r i m e n t ，v v v ed t c ，m o d b u sp r o t o c o l ，v c + + i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：谤、锈时小碑彩月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：协，弓调 导师签名：江凌早 a 懈 舢 年 2 月j 目 它月，。日 k 安人学硕l j 学位论义 第一章概述 随着社会经济的发展，汽车工业已经成为国民经济的支柱产业之一。在中国，汽车 的产量以每年3 0 的速度增长，已经进入年产3 0 0 万辆以上的世界六个汽车大国行列。 作为汽车心脏部分的发动机，无疑对于一辆车的表现有着举足轻重的影响。从1 8 世纪中叶瓦特发明的蒸汽机，到1 8 5 8 年里诺发明的煤气发动机，再到德国人奥托提出 的内燃机四冲程理论，发动机的每次进步都带动了汽车的发展。德国人奥姆勒和卡尔本 茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平 了道路。 发动机的性能是汽车性能最突出的标志之一。为了提高发动机的出厂质量，需要在 出厂前对发动机性能进行各种各样的测试，其中发动机的热试验就是其中很重要的一个 环节。 1 1 发动机热试台的作用 发动机生产出来之后，关键部位组合件间的配合间隙，如活塞与气缸、曲轴轴颈 与轴承以及轴类零件的轴向间隙、正时齿轮的啮合间隙、配气机构的配气相位、气门间 隙等可能未达到设计要求，发动机在工作时就会出现漏水、漏油等现象。在零件表面留 有加工所造成的形状和相互位置误差，再加上装配误差，就会使配合件形成凸起接触和 局部接触，这些凸起接触为微观表面的局部接触，因此，配合件的实际接触面积要比设 计面积少得多。由于接触面积小，所以单位面积压力增大，易使接触点的油膜破坏，金 属直接接触，引起嵌入、划痕、擦伤，甚至烧蚀、抱轴、拉缸等故障【。另外一些电子 元件，如电控单元( e c u ) ，传感器的性能也需要进行验证。 为了提高汽车发动机出厂质量，发动机出厂前须对发动机进行热试验。通过热试验 可以检查发动机在装配过程中存在的各种问题，提高零件摩擦表面的质量、耐磨性、疲 劳强度和抗腐蚀性能。同时，通过加载热磨合能及时发现和清除零件在制造和装配中由 于偏离技术条件而引起的一些缺陷，从而提高总成件使用的可靠性和耐久性1 2 1 。 发动机通过在热试台上进行试验，可以达到以下要求【2 】： 1 、气缸压缩压力和机油压力满足规定要求。一般汽油发动机应以一个人的力量， 能用启动手柄可靠起动； 2 、发动机在任何转速下均能稳定运转，无过热。怠速符合规定并运转稳定； 3 、高低速度变换时不熄火。发动机无异响、无漏油、漏水、漏气等现象。 第一章概述 1 2 发动机热试台的组成及功能简要介绍 汽车发动机热试台主要由台架本体、液压控制装置、排气装置、发动机央紧装置、 冷却水供给循环装置、测量装置( 显示、存储、打印装置) 、燃油供给装置、试验小车、 电气控制系统( 含电源供给控制、起动加载装置和电控柜) 等组成。 发动机由发动机物流器具吊上发动机热试小车，手工预装；将小车推至发动机热试 台汽缸工作行程内，自动完成发动机飞轮与传动装置联接器的啮合：小车在热试台被气 动夹紧；手动完成发动机的各种管路与热试机的快插接头，快速安装发动机线束，在确 认冷却液、燃油已加注完毕，检查无误后，起动发动机，发动机开始按规定的程序测试。 测试过程中自动检测和记录热试数据。热试结束后发动机停止，测试完成后自动排除发 动机的冷却液，自动吹空残余冷却液和燃油；拆除各种管路，将热试小车退出热试台集 装箱，并抽空发动机内机油；将热试后的发动机由热试小车吊至物流器具。 1 3 发动机起动及加载装置简介及在发动机热试台中的作用 1 3 1 发动机起动及加载装置简介 起动加载装置是发动机热试台的一个重要组成部分，主要由电机、控制设备、能耗 装置等组成，其作用是在试验开始时拖动发动机起动点火，在试验过程中将发动机稳定 在预设的几个速度点并检测在各个速度点的性能，可以根据控制系统要求给发动机加 载。 本装置主要由驱动装置和加载装置组成【1 】： 1 、驱动装置。它是在发动机起动时，带动发动机曲轴转动的设备，常用的有： 绕线式异步电动机。通过调整电动机转子电路中的电阻实现转速调整。 直流电动机。通过控制装置实现转速调整。 鼠笼式异步电动机。通过减速装置带动发动机，用改变减速装置的速比来实现 转速调整。 变速器。通过改变变速器的速比实现转速调整。 2 、加载装置。用来吸收发动机发出的功率。加载装置一般有：机械、空气、液力 和电动式，在实际应用中，通常只采用液力和电动式。 液力式加载装置水力测功机。水力测功机结构简单，操作方便，工作平稳， 目前被广泛应用。但它存在诸如消耗水量大、需要用电机作为驱动等缺点。 电动式加载装置电力测功机。电力测功机具有控制精度高，稳定性好，结 k = 安大学颂i ：学位论文 构简单，易实现自动控制等特点，具有很大的发展潜力。 1 3 2 发动机起动及加载装置在发动机热实验台中的作用 发动机起动及加载装置的主要功能可以归纳为以下几点： 1 、在起动时，由电动机以一定的起动方式拖动发动机起动后点火，使发动机在点 火成功后进入怠速运行状态； 2 、能自动判断发动机点火是否成功，若点火失败，重复进行1 的流程，若点火成 功，则自动切换电动机的运行状态，使电动机的输出转矩为零； 3 、在试验过程中可根据控制系统要求给发动机加载； 4 、具有过压、过流、超速等保护功能，以提高系统的安全性； 5 、计算机能通过通信对起动加载装置进行自动控制。 1 4 本论文的主要内容 本设计作为发动机热试台的重要组成部分，主要的内容有： 1 、搜集国内外发动机热试台的资料，通过分析、整理所搜集的资料，结合本试验台 的特点，提出系统设计方案； 2 、根据系统的设计要求及工作流程，并根据当前交流调速技术的最新发展，选择直 接转矩控制( d t c ) 作为电机的控制方式； 3 、根据系统的功能选择适当的硬件设备，根据工作流程编写相应的控制软件； 4 、在实验室对所提出的方案进行设计论证，并开发出产品样本，对样机的性能进行 测试，根据测试结果进行相应的改进； 5 、通过在现场对系统进行实际调试，解决调试过程中遇到的各种问题，逐步完善产 品的设计，从而提高其可靠性及安全性。 3 荦章起动棚救装口的设计方案 第二章起动加载装置的设计方案 2 1 发动机热试台系统分析 21 1 发动机热试台结构组成 图2 1 发动机热试台构成图 发动机热试台构成图如图2 1 所示。主要由台架本体、液压控制装置、排气装置、 发动机夹紧装置、冷却水供给循环装置、测量装置( 显示、存储、打印装置) 、燃油供 给装置、试验小车、电气控制系统( 含电源供给控制、起动加载装置和电控柜) 等组成。 2 12 各主要部分具体功能介绍 1 、台架 发动机安装在定位安装台架上，台架上设有发动机定位和夹紧装置，发动机直接固 定在定位台架上，台架上安装手动快速压紧机构，台架下安装有减振垫块。 2 、排气装置 k 安人学硕 ：学位论义 排气系统与发动机连接采用快速连接，手动夹紧，接口处密封可靠，密封挚耐高温， 耐用度高，手柄安装有耐热防护套。在机械夹紧机构的作用下，发动机的排气管口紧密 接触，具有良好的密封效果，排气管上设有气样分析等测试接口，接口位置按发动机台 架试验标准规定，排气接口形式按需方提供的样机进行设计，排气管对接部分适用于各 种机型。 3 、冷却水供给循环装置 冷却水用户采用集中供水方式，负责向所有台架恒压输送工艺要求的冷却液 ( 6 0 。c _ _ 1 0 。c ) ，并具有回水处理功能( 回水口表压力为零) ；台架上不考虑设单独的小 水箱。 4 、测量装置 测量发动机热试验中的各种参数，如发动机转速，出水温度，机油压力等。 5 、燃油供给装置 发动机热试台燃油，由用户集中供给。能自动向各台架单独的车用供油箱供油，油 箱内置有液位上下限显示及报警装置，发动机燃油废气吸附后在厂房外进行高空排放。 6 、试验小车 试验小车有发动机定位安装支架，手动快速压紧机构；小车车体采用型钢焊接，车 体底部尼龙角轮；底部安装v 型块准确导向和定位；车体前端设有定位套，和底部安装 v 型块准确导向和定位，以确保起动电机和发动机的同心对接和传动；发动机与电机采 用渐开线式花键传动；试验小车整体由气动装置快速压紧。 7 、电气控制系统 采用试验台起动电源、起动装置对热试验的发动机安全起动，e c u 的工作电源由发 动机本身提供。 直流电供给装置、起动点火装置负责安全地将起动电源送到各台架。即负责将3 8 0 v 的交流电转变为每个台架的用电电压1 2 v _ i v ，用电流为8 a 0 5 a 的直流电作为发动机 的起动电源和发动机上各电器元件的用电。 整个系统采用计算机控制。程序应具有安全保护、连锁功能，其外围电路对输出具 有可靠保护。 5 第二章起动加载装置的i 5 2 汁方案 2 1 3 发动机热试台结构框图 发 动 机 一 控 制 用 板 卡 臣亟匾至至母j 臣翌堕三圣j 至丑 蔓互 堕习 图2 2 发动机热试台的结构框图 发动机热试台的结构框图如图2 2 所示：工控机是整个系统的控制核心，通过控制 调速装置实现对电动机的控制，电动机与发动机同轴相连，完成发动机的起动及加载等 功能。各种数据采集卡将试验过程中的数据传到工控机上，计算机对这些数据进行显示 与处理。 6 蓦 长安人学硕1 ：学位论义 2 2 起动加载装置的设计 2 2 1 系统设计的主要技术指标 根据某汽车公司发动机出厂前热试验的试验要求，本装置的设计需要达到以下几 点： 1 、发动机由电机反拖起动时，最大反拖功率要达到1 0 k w ； 2 、转速的调节范围为0 5 0 0 0 r p m ； 3 、给发动机加载的功率要达到3 k w ； 4 、整个试验流程可以由计算机自动控制，也可以手动控制。 2 2 2 系统方案的选择 根据国内外发动机热试台的设计资料，并按照本系统的设计要求及试验流程，提出 了使用交流异步电动机、变频器和能耗制动单元相结合的方式作为起动加载装置的设计 方案。 1 、系统原理框图 图2 3 设计方案的系统原理框图 发动机热试台起动及加载装置的原理框图如图2 3 所示。系统主要由计算机、变频 器、三相异步电机、能耗制动单元组成。计算机通过r s 2 3 2 串口与变频器进行通信，通 过变频器控制电机的起动、停止、调速等运行状态。根据装置的工作流程编写相应的上 位机软件来进行控制。能耗单元用来吸收加载过程中由发动机产生的能量。能耗单元可 以由变频器自带，也可以用专门的能耗模块。 7 第一二章起动肌戏裟置的设计方案 2 、系统原理分析 1 ) 发动机起动过程。此过程由电机拖动发动机起动点火。当变频装置控制异步电 机的工作频率所对应的同步转速高于转轴的转速时，电动机工作在电动状态，即转差率 o s l 。3 8 0v 电网电压经过三相p w m 整流器模块后输出直流母线电压，直流母线电压 经过逆变器模块给电机供电。电机产生的拖动转矩带动发动机的曲轴转动。 2 ) 热试验加载过程。此过程的目的主要是为了稳定发动机的转速，使发动机能在 预设的几个速度点上稳定运行，从而可以在不同的转速上测试发动机的性能。在此过程 中，异步电机的工作频率，即所对应的同步转速低于发动机的转速，这时电动机运行在 发电状态，异步电机的转差率一 s o 。发电机所发任意频率f 的电功率，经过逆变 器模块整流为直流，在变频装置的直流母线侧将多余的能量释放给能耗单元。 2 3 电机的控制方式 2 3 1 交流电机常用的调速方法 异步电机调速方法种类繁多，常见的有【3 】【3 1 】：降电压调速；转差离合器调速； 转子串电阻调速；绕线异步电动机串级调速和双馈电动机调速；变极对数调速； 变压变频调速。 其中异步电动机的变压变频调速由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围 宽，无论高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性，可与 直流调速系统相媲美，因此得到了广泛的应用。 2 3 2 交流电机控制理论的发展 与直流电机相比，交流电动机是多变量，强耦合的非线性系统，要实现良好的转矩 控制非常困难。2 0 世纪7 0 年代德国工程师e b l a s c h k e 首先提出异步电动机矢量控制理 论来解决交流电机转矩控制问题。1 9 8 5 年，德国的d e p e n b r o c k 教授提出了异步电动机 直接转矩控制方法【4 1 。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同 的应用领域。随着现代控制理论和电力电子技术的发展，各种控制方法和器件不断出现 【5 】 o 1 、矢量控制简介 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原 理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的 目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量( 励磁电流) 和 8 长安人学硕i j 学位论文 产生转矩的电流分量( 转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位， 即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 矢量控制方式又分为基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方 式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机 来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。 它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链、气隙磁链、转子 磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的。般的感应电机转子电流不易测量，所以通 过气隙来中转，把它变成定子电流。然后，有一些坐标变换，首先通过3 2 变换，变成 静止的d - q 坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于 直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速 度。最后再经过2 3 变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能【引。 2 、直接转矩控制简介 直接转矩控制的特征是控制定子磁链，直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念， j 通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩， 以获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢 量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而不需要为解耦而简 化交流电动机的数学模型，只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所 有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便 地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完 整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节 器，即可进一步得到高性能动态转矩控制用。 2 4 异步电机的直接转矩控制 2 4 1 直接转矩控制概述 直接转矩控制【7 】( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l d t c ) ，国外的原文有的也称为d i r e c t s e l f - c o n t r o l d s c ，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来 进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢 量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为 被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电 磁转矩进行直接控制的。1 9 8 5 年德国鲁尔大学的狄普靠洛克( m d e p e n b r o c k ) 教授首先 9 笫- 二审起动加载裟冒的设计方案 提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论，他称为d i r e c ts e l f - c o n t r o l - - 一d s c 。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和 转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现p w m 脉宽调制和系统的高动态性能。 需要说明的是，直接转矩控制的逆变器采用不同的开关器件，控制方法也有所不同。 d e p e n b r o c k 最初提出的直接自控制理论，主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器 控制中广泛应用。目前被应用于通用变频器的控制方法是一种改进的、适合于高开关频 率逆变器的方法。1 9 9 5 年a b b 公司首先推出的a c s 6 0 0 系列直接转矩控制通用变频器， 动态转矩响应速度已达至l j 2 m s ，在带速度传感器p g 时的静态速度精度达0 0 0 1 ，在 不带速度传感器p g 的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，同样可以达 到o 1 的速度控制精度。其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如富士公司的 f r e n i c 5 0 0 0 v g 7 s 系列高性能无速度传感器矢量控制通用变频器，虽与直接转矩控制 方式还有差别，但它也已做到了速度控制精度+ o 0 0 5 ，速度响应1 0 0 h z 、电流响应8 0 0 h z 和转矩控制精度3 ( 带p g ) 。其他公司如日本三菱、日立、芬兰v a s o n 等最新的系 列产品采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高。 2 4 2 直接转矩控制的理论基础 异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了简化分析，通常对所 讨论的三相异步电动机作以下几点假设【8 】【9 】： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，所产生的磁势沿气隙圆周按正弦分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和和铁心损耗； ( 3 ) 不考虑频率和温度变化对电机参数的影响； ( 4 ) 电机定转子表面光滑，没有齿槽效应。 直接转矩控制与矢量控制技术相比，一个显著的区别是基于的坐标系不同，矢量控 制是转子磁场定向，建立在旋转的坐标系( m ，t ) 上，而直接转矩控制是定子磁场定 向，建立在静止的坐标系( 口，届) 上。静止坐标系是将坐标轴固定在定子上，如图2 4 所示，a ，b ，c 表示定子三相的电角度空间位置，设定口坐标轴( 即复平面的实轴) 与定子a 相绕组轴线重合，轴( 即复平面的虚轴) 在口轴逆时针旋转9 0 d 的位置上。 1 0 长安人学硕l j 学位论j p ；a f 移i 。i ， 、9 ，一 ；：兰：! 堡 a ， h ， ? c ， 图2 - 4 定子静止坐标系、定子磁链和定子电流空间矢量关系图 直接转矩控制是在静止( 口，罗) 坐标系下研究交流电机，以定子电压为例，静止 ( a ，) 坐标系下p a r k 变换公式的矢量形式为： 确= 弘2 ( f ) , 4 - 0 ( t ) e j l 2 0 * + u c o ) e 一) ( 2 1 ) 将( 2 1 ) 式在两相静止坐标系下写成标量的形式为： 在定子两相坐标系( 口p 轴系) 下，感应电机的数学模型可以由等式( 2 印( 2 6 ) 表示。由于感应电机的转子绕组是一个短路绕组，所以u 。，和u 均为0 。 电压方程： u 口j 蹦口s 0 o r s + p l s o p l 。 一q 三。 转矩方程： 0 r s + p l s q k 皿。 i 一3 n p l ( 略，屯，一i a i a ，)i 一，p l ( 略，屯，一 ，) 磁链方程： 妒，。= l s i , 。+ 匕。 t p 皤= l i s b + l m i r 8 1 ) r ，= l r j i r a l 毒s o 妒，卢= ，i ，卢+ k t 卢 运动方程： p l m o r r + p l ， 一( 1 ) r l r o p l 。 哆t r ，4 - p l r z a ， z 占j k ， f 肼 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 芦 ；l；、 、 。、 、 2c 、厶 、- 、 c 、吲 d 1叫23叫12历一2 一 1 2 一 一3 一 a ，v 一，”殍 2 叫3 23 一 = ， 8 断 蛳 第：帝起动力载装置的设计方案 r e - 互2 丢等 6 ， 其中，p 为微分算子，u ，是转子角速度； i o ，、i 邱为定子电流矢量i ，的a 、声分量； 缈。，、1 ；f ，以为定子磁链矢量妒：的a 、分量； i o ，、i 加为转子电流矢量f ，的a 、卢分量； 妒。，、妒肿为转子磁链矢量妒，的口、分量； “。，、u 毋为定子电压矢量“，的a 、卢分量： r 和t 分别为折算后定子电阻、电感； r ，和，分别为折算后转子电阻、电感； k 为定转子互感。 在直接转矩控制方案中，在构建磁链模型时使用感应电机模型的矢量形式显得更为 直观，故也可将上述数学模型写成矢量的形式： u ，；r t + 肿。 ( 2 7 ) 0 = r f ，一p 妒，+ j n 缈， ( 2 8 ) 妒，= t + 乙 ( 2 9 ) 妒，一匕t + t ( 2 1 0 ) = j 3n p 酊珏等l i p ( i 乃 ( 2 上述的数学方程把感应电机的暂态特性和稳态特性都做了表述，理论分析和实际应 用都很直观。 2 4 3 直接转矩控制系统的构成 常规的感应电动机直接转矩控制系统的结构框图如图2 - 5 所示。它由一对磁链比较 器、转矩磁链观测器、优化开关表和一个电压型逆变器( v s i ) 组成。尽管结构简单， 但d t c 传动具有可比较的甚至比直流电机和f o c ( r 滋场定向控制1 传动更好的转矩* 1 2 e 厶匕f i 匕。 通过对v s i 施加适当的电压矢量，转矩和定子磁通在其磁滞带内独立调节。 k 安人学顺i j 学位论义 图2 - 5 直接转矩控制系统的组成 整个系统是一个速度闭环控制系统，速度给定q 盯和电机的速度反馈经过p i 调节器 调节后输出转矩给定信号t 耐，转矩的给定值乃巧和电机的转矩观测值乏进行比较，确 定转矩的控制信号d 乏，作为电压矢量选择的依据之一；磁链的给定值阿，巧i 和磁链的观 测值阢f 进行比较得到磁链的控制信号却，作为电压矢量选择的又一个依据：同时还要 根据磁链观测值在a 、轴上的分量确定磁链的空间位置，即磁链所在的扇区s e c t o r ；， 作为电压矢量选择的第三个依据。综合d e 、咖、s e c t o r ；以及上一个控制周期所施加的 电压矢量“，0 1 ) ，就可以确定本次控制周期所应该施加的电压矢量u 。 系统需要检测直流母线电压玩，对电机端电压信号，则利用电压重构单元来获得 定子电压信息，这是因为三相交流电压信号可以由直流母线电压和逆变器开关状态信息 得到。由于电机是星形接法，无零序电流分量，所以该控制系统只需要测量电机的两相 电流，第三相电流可以通过方程c 一一乙一如求出。 转速的反馈可以采用速度传感器实现，也可以设计为无速度传感器系统。 电机磁链给定l 瓦l 的取值很重要，给定太小转矩系统利用不充分，给定太大造成磁 链饱和，通过下面的方法可以确定基频以下的磁链给定。由式u ，= r t + 砷，可以得到 歹獗= i 一忍i = 巳，于是有医l - - l e , l = 考l i l ，其中；为电势系数，对于中小容量的交 流异步机来说一般为o 9 3 左右，所以在p a r k 变换下，对于玑；3 8 0 v 、厂= 5 0 h z 的中 小容量电机来说，基频以下的磁链幅值给定一般为： 网：粤；1 0 9 3 x 压矿x 2 2 0 地9 2泣 1 3 第二章起动力载谈置的i 殳汁方案 在基频以上属于弱磁区，电压维持最大额定值，速度增加则磁链减少，二者为反比 关系。 2 5 电机控制方式的选取 根据本系统的设计要求，发动机在起动时以足够大的转矩起动点火，点火成功后迅 速将电机的输出转矩降为零，使起动过程较为平稳、点火成功时无爆震；在加载过程中 可以通过控制电机输出转矩随时调整加载值的大小。这就对转矩的动态性能提出了很高 的要求。 与矢量控制相比，采用直接转矩控制方式避免了复杂的坐标变换，使计算大为简化。 且直接转矩控制具有如下特性：( 1 ) 精确的转矩控制，高重复性和线性；( 2 ) 非常快速 的转矩上升时间，可以使负载转矩在几m s 时间内在零和满负荷之间变化，从而能够更 好地检测发动机的运行情况。由此可见对于本系统来说，采用直接转矩控制方式更加符 合系统的设计要求。 1 4 长安人学影! l j 学位论文 第三章起动加载装置的设备选型 发动机热试台起动及加载装置的硬件设备主要有电动机、变频器、能耗单元及低压 电器等。 起动加载装置的电气接线图见附录。 3 1 电机的选型 3 1 1 变频供电的原理与特点 在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上，其效应基本相同。 上述结论是脉宽调制( p w m ) 控制的重要理论 基础。把图3 1 ( a ) 所示的正弦半波波形分成n 等 份，就可把正弦半波看成由n 个彼此相连的脉冲所 组成。这些脉冲宽度相等，都等于兀n ，但幅值不 等，即各脉冲的幅值按正弦规律变化。 如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等 宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应 图3 1p w m 原理图 正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积( 冲量) 相等，就得到图3 - 1 ( b ) 所示的脉冲序列，这就是p w m 波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变 化的。根据冲量相等效果相同的原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的 负半周，也可以用同样的方法得到p w m 波形。像这样脉冲的宽度按正弦规律变化而和 正弦波等效的p w m 波形，称为s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形【2 0 l 。 p w m 逆变电路可以使输出电压、电流接近j 下弦波，但由于使用载波对j 下弦信号波 调制，产生了和载波频率有关的谐波分量。p w m 逆变器输出的具有陡上升沿或下降沿 的脉冲电压在电动机接线端子及绕组上产生了过电压，造成电动机绕组绝缘的过早破 坏。中压变频调速装置功率大，谐波含量高，变频器输出波形中存在大量谐波会使电机 过热、产生振动和噪声，尤其使电机绝缘过早损坏问题变得更加突出【2 l 】。 3 1 2 普通电机在使用交流变频器时存在的问题 由于普通交流电动机都是按恒频( 5 0 h z ) 、恒压( 3 8 0 v ) 、市电正弦波供电的，而交 流变频器一般均为p w m 型，因此输出中均含有不同程度的高次谐波，因此现用的普通 型交流电动机不能适应变频器供电时的要求【1 1 1 。这是因为： 1 5 笫三章起动加载装置的设备选型 1 、由于普通电动机在设计中超速能力较弱，一般仅为1 2 0 额定转速，因此由变频 器与普通异步电动机构成的调速系统，变频器允许工作的最高频率约为6 2 h z 。 2 、在低频运行时，易发热和输出转矩降低，而且易出现爬行现象。这是因为普通交 流电动机是自带风扇型冷却的，当转速降低时，电动机内部的损耗增加，而同轴风扇的 冷却风量与转速的三次方成比例地减少，因此散热困难，这必将使电动机的温升急剧增 加，而使之无法实现恒转矩输出。 3 、由于目前生产的变频器多为采用p w m 控制方式，其载波频率已由几千赫兹发 展到十几千赫兹，这就使电动机的定子绕组将承受很高的电压变化率值( d u d t ) ，电机 绕组的匝间绝缘也随之承受较大的电应力，容易加速电机绕组的老化，对电机的对地绝 缘也形成威胁。 4 、 由于目前生产的变频器输出中均有不同程度的谐波分量，这将使电机的损耗增 大，从而使电机效率( r ) 下降；同样当普通交流电动机运行在变频器输出的非正弦波 条件下，其温升也将增加，一般温升的增加值约为1 0 2 0 。 3 1 3 变频电机的特点 变压变频( 、厂、厂、便) 调速的异步电动机则由于起动、过载、运行效率等问题均可通 过选择变频器合适的控制方式，如v f 控制、有无速度传感器的矢量控制等在系统中 得到解决，因此变频电机则主要应从变频调速系统由低频到高频的宽频范围、输出波为 非正弦波和高的载波频率等特性出发，着重考虑如何扩大调速范围和如何改善电动机在 整个调速范围内的运行特性【1 。 1 、电磁设计 对普通异步电动机来说，在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效 率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接 近1 时直接启动，因此过载能力和起动性能不再需要过多考虑，而要解决的关键问题是 如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下： 1 ) 尽可能的减小定子和转子电阻。 减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次 谐波引起的铜耗增加； 2 ) 为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大，其集 肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内 阻抗匹配的合理性； 3 ) 变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和， 1 6 k 生火学硕十哔位论立 二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。 2 、结构设计 在结构设计时，主要也是考虑非丁f 弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声 冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题： 1 ) 绝缘等级，般为f 级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘 耐冲击电压的能力； 2 ) 对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其 固有频率，以避开与各次谐波产生麸振现象； 3 ) 冷却方式，一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动； 4 ) 防止轴电流措施，对容量超过1 6 0 k w 电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产 生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时轴电 流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施； 5 ) 对恒功率变频电动机，当转速超过3 0 0 0 r r a i n 时，应采用耐高温的特殊润滑油脂， 以补偿轴承的温度升高。 3 14 电机的选型 本装置的工作环境较为特殊，工作现场的环境温度较高，而且存在着汽油的挥发。 汽油与空气混合后就形成了具有爆炸危险性的混合物，如果这种混合物处于爆炸的温 度，又遇有火源时，就会引起爆炸的严重事故。鼠笼型电动机在正常情况下不彦生火花， 但在运转过程中，由于绕组绝缘损伤、老化而造成短路，产生火花，或因导电零件连接 松弛引起电弧，或由于机械故障及其它原因导致电动机过载、堵转产生高温，成为点火 源。因此采用隔爆电机防止火花、电弧及危险温度等可能造成的危险事故。 根据以上原则，选用上海a b b 电机公司生产的 m 2 j a l 6 0 m 2 b 系列隔爆电机作为本装置的选型电机。 其技术特点如下： 1 、效率高 达到欧洲c e m e p e u 效率等级电机标准二级 值符合中华人民共和国国家标准g b l 8 6 1 3 2 0 0 z 中小 型三相异步电动机能效限定值。 2 、双频宽电压 电压范m 2 2 0 v - 6 9 0 v ，适用5 0 h z 和6 0 h z 电源。 1 7 囤3 - 2m 2 j a l 6 0 m 2 b 隔爆电机 第三章起动加找装置的没备选型 3 、噪声低 通过优化电磁设计、通风状况、结构尺寸及技术，m 2 j a 系列电动机的噪声较低。 4 、轴承负载能力高 标准电动机选用深沟轴承，寿命长，8 0 1 3 2 中心高电动机为永久型润滑，1 6 0 3 5 5 设有加油装置。 5 、可靠性好 电动机为全封闭风冷结构，防护等级i p 5 5 ，材料及工艺符合环境要求。电动机机械 强度高，坚固耐用，防锈防腐性强。绕组可靠性好，采用f 级绝缘结构，b 级考核。并可 根据用户需要增 3 h p t c 热敏电阻或热敏开关。 m 2 j a l 6 0 m 2 b 隔爆电机的参数如表3 1 所示： 表3 1m 2 j a l 6 0 m 2 b 隔爆电机参数 功率转速功率因数电流转矩电压频率 k w 叩mc o s 妒 an mvi - i z 1 52 9 2 00 8 92 7 0 34 9 0 64 0 05 0 3 2 变频器的选型 3 2 1 变频器简介 变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对 直流电进行开关变为交流电。一般功率较大的变频器用品闸管，并设一个可调频率的装 置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转速，使转速在一定的范围内可调。 变频器广泛用于交流电机的调速中。变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展 方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不 仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交 流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来 越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。 3 2 2 变频器在中国的发展 变频器在中国有巨大的需求潜力。根据1 9 9 7 年原国家经贸委调查数据，全国潜在 变频器市场约1 2 0 0 1 8 0 0 亿元。而截止2 0 0 0 年，国内累计推广应用变频调速装置8 0 0 1 2 0 0 万k w ，约8 0 1 2 0 亿元，仅占潜在市场的7 左右。基于此，美、日以及欧洲的各大变 频生产公司几乎全部云集中国市场，外资变频器一度占据了9 5 以上的中国变频器市场 艮立人学硕 ：学位论文 份额。 2 0 0 2 年，机械工业信息研究院产业与市场研究所市场研究部借助相关媒体进行了大 型的变频器用户调查，其中对品牌进行了专项的调查。调查结果显示，排名前1 0 的品牌 中，除一家为国产品牌外，其余皆为外国品牌。其中同本品牌占去6 个席位，分别是富 士、三菱、安川、欧姆龙、松下以及日立。欧美品牌西门子、a b b 、施耐德入围f i 订1 0 ， 其中西门子位居前1 0 榜首。 1 、日本品牌优势明显 日本变频器进入中国比较早，最初的日本品牌变频器占据中国变频市场的绝对大的 份额。有关资料显示，2 0 世纪8 0 年代，仅富士、三菱两家就占据当时中国变频市场的9 0 以上。伴随欧美知名变频器品牌进入中国市场，日本变频器在中国市场的霸主地位受到 威胁。2 0 0 0 年，我国市场规模约为2 6 亿元以上，其中日本富士、三菱以及安川等主要品 牌累计销售收入9 8 亿元，市场占有率为3 7 4 ，与早期的两家占9 0 相比有明显的下降。 以富士变频器为例，1 9 9 6 年独家占据中国市场5 0 ，1 9 9 9 年下降到3 0 以下，2 0 0 0 年进 一步下降到2 0 ，2 0 0 1 年其市场占有率为1 9 。虽然如此，日本品牌的变频器在中国市 场仍优势明显。 2 、欧美品牌发展强劲 欧美品牌变频器增长迅速。欧美公司进入中国市场比较晚，但产品档次比较高、容 量大，价格也比较高，其市场占有情况上升很快。2 0 0 0 年，a b b 、西门子、台达、伦茨 在中国累计销售收入8 亿元，市场份额达到3 0 左右。西门子公司1 9 9 9 年其通用、工程 及专用型变频器增长率分别达到1 4 0 、4 0 和3 0 。2 0 0 0 年，西门子已经从国内变频器 市场取得了接近8 的份额。根据2 0 0 0 年销售情况，欧美厂商的销售额均在2 亿元左右之 间，进一步上升的潜力比较大。2 0 0 1 年，欧美品牌市场占有率继续上升。a b b 公司市场 占有率由2 0 0 0 年的9 5 增长至u 2 0 0 1 年的1 3 ，西门子由2 0 0 0 年的7 6 增长到2 0 0 1 年的 1 1 。 从市场产品构成来看，大功率占市场份额的5 1 0 ，中小功率占9 0 9 5 。欧美品牌 的变频器多集中在大功率变频器方面，2 0 k w 以上的变频器基本由德国西门子、美国a b 、 g e 、罗宾康、a b b 等所垄断。而中小容量变频器的8 5 为日本产品占领，如富士、安川、 三肯、日立、东芝、三菱、松下等【1 3 】。 3 2 3 变频器的选型 根据发动机热磨合实验台起动及加载装