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柴油发电机组转速控制方法研究

责任编辑:澳门威尼斯app下载??? 发布时间:2020-08-20 ??? 【

摘 要:现有柴油机电子调速器大都是采用转速闭环控制调节供油量,其特点是在转速出现差值后进行调节,属于闭环负反馈调节。如果负载干扰已经出现,但还未检测到转速偏差△n,则调速器不工作,因此现有柴油机电子调速器的调节作用落后于负载干扰作用。由于转速波动对柴油机的不利影响,现提出柴油机电子调速器采用转速反馈、负载干扰前馈调速控制原理,即在负载已经发生,转速还未出现差值时,将负载干扰前馈到控制器,提前调节供油量,稳定柴油发电机转速。现在Matlab/simulink中对柴油发电机组带动电动机,电动机拖动负载的系统建模,对采用转速闭环控制的电子调速器与采用转速反馈、负载干扰前馈控制的电子调速器进行稳态与动态仿真对比。仿真结果表明:采用转速反馈、负载干扰前馈控制的电子调速器系统动态响应快且具有更好的动态调速性能。

关键词:柴油发电机组;电子调速器;负载识别;负载前馈;转速控制

1 引言

柴油机调速具有重要的意义,假设没有调速器控制柴油机的转速保持恒定,在负载波动时,循环供油量会随着转速的改变而改变,当负载减小时,转速升高,循环供油量增大,会致使柴油机超过额定转速造成“飞车”,而负载增加时,转速降低,循环供油量减少,会导致柴油机带不动负载而熄火。针对当时柴油机的这一缺陷,研究出了柴油机调速器,早期柴油机调速是通过机械式调速器完成,但它控制精度低、响应速度慢,而后研发出模拟式电子调速器,80年代成功由模拟式电子调速器进化到数字电子调速器,电子调速器由转速传感器、主控制处理器、实行器组成[1]。现有柴油机电子调速器研究是以转速-位置双闭环为原型,通过优化电子调速器控制器或利用转速-电流双闭环来控制柴油机转速波动转速[2],对负载不断发生变化的系统,柴油机转速也会不断波动,而柴油机飞轮属于大惯量蓄能器,在转速波动过程中势必存在滞后、过渡时间长,这必然会造成工作点大范围波动,且由于柴油机动态过程非线性特性较为明显[4],反馈控制的燃油经济性不够理想。

现针对这种情况提出采用前馈-反馈复合控制,设计前馈控制算法,在柴油机转速未发生变化时及时识别负载变化且前馈到柴油机上,这样不仅可以大大缩小柴油机转速波动范围,也可以在短时间内把电动机的电磁转矩增加到所需值,提高电动机的动态特性。

2 基本工作原理

由于负载变化是引起转速变化的根本原因,据此提出在转速闭环反馈调节的基础上,将负载干扰前馈到主控制处理器上,提前进行补偿以减小转速波动,进而提高转速控制精度。对于柴油发电机组带动电动机拖动负载的系统,在负载干扰出现、转速偏差△n还未检测到时,利用电动机电流变化进行负载识别,前馈到控制器,提前进行喷油量调节,其原理框图,如图1所示。其工作原理为:在转速未发现波动时将负载扭矩提前前馈到电子调速器上,前馈负载扭矩与此时柴油机输出扭矩进行比较,差值输入控制器,控制器将此差值转换为实行器的电信号进而调节喷油泵齿条位置,同时当转速传感器检测到的转速与给定转速出现差值△n时,也经控制器调节运算后输出为驱动实行器运动的电信号使得喷油泵齿条位置变化。

图1 加负载前馈的电子调速器原理框图
Fig.1 A Block Diagram of Electronic Governor after Adding Load Feedforward

3 基于异步电动机定子电流的负载识别

现提出采用负载前馈-转速反馈来减小柴油发电机组转速波动,提升控制精度,提高柴油机经济性。但在实际工作过程中,电动机负载是变化的,且负载大小不可知,所以前馈控制须先识别负载大小。异步电动机系统的转子载荷和定子电流之间存在确定的耦合关系,负载的变化会导致电机定子电流相应的变化,也可以说定子电流的状态反映了电机系统受载的情况。根据上述分析,若建立三相异步电动机与负载的解耦模型,由电机定子电流变化及时识别所加负载大小,在柴油机转速还未出现变化时及时将负载扰动前馈到柴油机上,对稳定柴油机转速会有重要意义。

3.1 三相异步电动机数学模型

(1)磁链方程

式中—定、转子各相绕组磁链;L1l、L2l—定子漏感和转子漏感—定、转子各相绕组电流。

(2)电压方程

式中—定、转子各相绕组电压;Rs、Rr—定、转子绕组电阻。

(3)电磁转矩方程

式中:Te—电磁转矩;np—磁极对数;L12—定转子绕组在同一轴线时的互感。

转矩方程

式中:TL—负载扭矩;J—电动机转动惯量;ωr—电动机转子角速度。

由于异步电动机在三相静止坐标系中的数学模型属于高阶、强耦合模型,为了实现转矩和磁链之间的解耦控制,须对异步电动机的数学模型进行坐标变换。坐标变换需遵循变换前后旋转磁场等效原则以及变换前后电机功率不变原则[5]

定子绕组轴系的静止变换:根据已有常识,将定子绕组三相静止坐标系(A-B-C)变换为两相静止直角坐标系(α-β),让α轴与A轴重合,其变换矩阵为:

转子绕组轴系的静止变换:转子绕组三相旋转坐标系(a-b-c)变换为两相静止直角坐标系(α-β)的变换矩阵为:

图2 旋转变换矢量关系图
Fig.2 Rotation Transformation Vector Diagram

旋转变换矢量关系图,如图2所示。图中:M-T—劝拿磐尼斯app下载馔叫嵯担撬俣任浇撬俣 ωs,其中 φss t+φ0,φ0—初始角,由图中示出的关系图,可以计算出两相静止直角坐标系(α-β)到两相同步旋转直角坐标系(M-T)的变换矩阵为:

3.2 三相异步电动机在两相同步旋转直角坐标系(MT)上的数学模型

电压方程:

式中:usM、usT—定子 M 轴、T 轴电压;urM、urT—转子 M 轴、T 轴电压;isM、isT—定子 M 轴、T 轴电流;irM、irT—转子 M 轴、T 轴电流;Ls—定子绕组自感;Lr—转子绕组自感;Ln—定、转子绕组互感。

对于转子绕组为鼠笼型的三相异步电动机,其转子短路,urM=urT=0。

磁链方程

电磁转矩方程

3.3 按转子磁场定向的三相异步电动机数学模型

现将同步旋转直角坐标系M-T按转子磁场定向,即取M轴沿转子磁链 Ψr的方向

电压方程:

磁链方程

依据上述方程进行推导得到:

式中—转子电磁时间常数。

由上述所推导方程可知,利用电动机定子电流变化与转速变化趋势可以识别电动机负载。

4 柴油发电机组本体部分模型的建立

4.1 柴油发电机组模型

柴油机作为原动机输出功率带动发电机发电,柴油机与发电机刚性连接,转速相等,根据达朗贝尔原理,柴油机发电机组动态方程为:

式中:Mo—柴油机输出扭矩;Mr—发电机、电动机阻力矩;ML—负载扭矩。

从上式可知,扭矩是引起转速波动的原因。

4.2 控制器模型

控制器是电子调速器的核心,控制器的性能决定了电子调速器的性能,控制器输入为偏差信号,输出为控制实行器的电信号。采用PID控制器,控制器的模型为:

4.3 实行器模型

电子调速器的实行器一般为小功率的直流伺服电机,电机将输入电信号转化为电机输出扭矩,电机拖动油泵齿条发生位移,进而转化为与油泵齿条位移成比例的喷油量多少。

5 仿真及分析

Matlab是一款功能强大的App,simulink隶属于Matlab,以Matlab的强大计算功能为基础,利用直观的模型进行仿真与计算,在simulink环境下用电力系统模块库的模块建立负载干扰前馈仿真模型[8],如图3所示。负载干扰由异步电动机电流变化进行识别并前馈。

图3 加负载干扰前馈的仿真模型
Fig.3 Simulation Model of Adding Load Torque Feedforward

柴油发电机组采用广西玉柴YC4D60-D21型柴油发电机组,额定功率40kW,电动机采用贝德YVF2-225S-4型异步电动机,额定功率37kW,额定扭矩235.5N·m。

(1)前3s让模型空载运行,3s时,突加100%负载,对比现有调速器与加负载前馈后的电子调速器工作性能曲线。

图4 基于异步电动机定子电流负载识别
Fig.4 Load Identification Based on Asynchronous Motor Stator Current

基于异步电动机定子电流负载识别,如图4所示。图4中实线表示在电动机上所加负载,虚线表示基于电动机定子电流识别出的负载大小,从图中可以看出在3s突加100%负载时,负载立马识别,随后以较快速度到达准确值附近,再进行调节到达稳定值。

突加100%负载时工作性能对比,如图5所示。图5中实线表示现有调速器工作性能,虚线表示加负载前馈后的电子调速器的工作性能,由于现有电子调速器是根据转速偏差Δn进行调节,若负载干扰已经发生,偏差还未出现,则调速器不工作,因此柴油机电子调速器的调节作用落后于负载干扰作用,图5中在现有调速器下的柴油发电机组输出功率明显落后于加负载前馈后的柴油发电机组输出功率,且由于前馈通道快于干扰通道,所以在3 s时会造成柴油发电机组出现瞬时峰值。

图5 突加100%负载时工作性能对比
Fig.5 Augmented 100%Load Performance Comparison

(2)前1 s让模型空载运行,1 s时,突加100%负载,3 s时突卸100%负载,对比现有调速器与加负载前馈后的电子调速器工作性能曲线。基于异步电动机定子电流负载识别,如图6所示。图中:实线—所加负载大小;虚线—基于电动机定子电流识别出的负载大小。从图中可以看出突加100%负载与突卸100%负载时,负载均识别较快。

图6 基于异步电动机定子电流负载识别
Fig.6 Load Identification Based on Asynchronous Motor Stator Current

突卸100%负载时工作性能对比,如图7所示。图7中实线表示现有调速器工作性能,虚线表示加负载前馈后的电子调速器的工作性能。根据图5可知,突加100%负载时,现有调速器转速会下降2.3%,且系统动态调节过程长。加负载前馈的电子调速器,由于及时将负载前馈到电子调速器进行调节,突加100%负载时,加负载前馈的电子调速器转速波动大约为0.6%,且系统动态调节时间短。根据图7可知,突卸100%负载时,现有调速器转速会上升2%左右,由于柴油机飞轮属于大惯量蓄能器,转速下降过程时间长,而加负载前馈的电子调速器转速波动大约为0.5%。

图7 突卸100%负载时工作性能对比
Fig.7 Demolition 100%Load Performance Comparison

6 结论

通过在Matlab/simulink中建立整个系统模型,根据突加、突卸100%负载来测试现有转速反馈电子调速器工作性能与添加前馈后的前馈-反馈复合控制电子调速器工作性能,经过仿真对比得到:(1)加负载前馈后的电子调速器动态响应比现有调速器快。(2)加负载前馈后的电子调速器有更好的动态调速性能。由此可见,对电子调速器采用前馈-反馈复合控制,不仅可以提高柴油机本身的动态性能,还可以改善由于柴油机转速波动造成的柴油机燃油经济性差问题,在下一步研究中,可以将前馈-反馈复合控制应用到实际的电子调速器控制器中,通过试验检验前馈-反馈复合控制达到的实际应用效果。


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