CN107701318A - 无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法，属于机械领域，它利用发电机/电动机四象限工作模式取代柴油机飞轮的储能作用，对柴油机的输出扭矩“削峰填谷”实现均匀波动扭矩，表现为曲轴转速的均匀输出。同时能够大大降低曲轴的转动惯量，使柴油机转速调节响应加快，从而提高柴油机调速性能。

Description

无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法
技术领域
本发明属于机械工业中提高柴油机调速性能领域，特别是对柴油机调速响应要求较高的场合，具体涉及由柴油机驱动液压泵实现泵的流量控制的工程机械领域。
背景技术
柴油机在机械工业行业应用非常广泛，飞轮是柴油机部件中具有大的转动惯量的机械装置，用于以动能的形式存储能量，可均匀由于柴油机运动件周期性的不平衡惯性力产生的波动扭矩，同时也增大曲轴转动惯量而使柴油机调速响应慢，而在由柴油机驱动液压泵的工程机械中，通常其作业工况负载复杂，外负载变化频繁，变化范围大，长期存在高油耗、高排放的问题，混合动力工程机械也由于其工况复杂而使得整机能量管理变得十分复杂。
由于传统柴油机转速调节不便，普通液压挖掘机进行典型作业时，一般将普通液压挖掘机转速设定为2000rmp，不仅使柴油机燃油利用率低，而且使液压系统造成较大的节流损失。目前，针对传统柴油机驱动的液压挖掘机动力能源消耗大，排放差的问题，提出了变转速变排量复合控制策略的电驱液压挖掘机。据相关研究表明：与普通液压挖掘机相比，电动液压挖掘机可以节约运营成本30%以上，但在实际应用中，电驱挖掘机存在蓄电池成本高、续航能力差的问题。
发明内容
发明目的是解决柴油机由于飞轮惯性大而调速响应慢以及无飞轮柴油机启动的技术问题，发电机/电动机取代柴油机飞轮的储能作用，同时能够稳定曲轴的旋转，消除由于活塞线性运动产生的波动转矩，大大降低曲轴的转动惯量，使柴油机转速调节响应加快；从而提高柴油机调速性能。
本发明的技术方案：本发明中利用发电机/电动机四象限工作能量存储再释放的过程（第一象限：正转、电动机工作模式；第二象限：正转、发电机工作模式；第三象限：反转、电动机工作模式；第四象限：反转、发电机工作模式），取代柴油机飞轮的储能过程，对柴油机的输出扭矩“削峰填谷”实现均匀波动扭矩，使曲轴转速的均匀输出。
无飞轮柴油机曲轴与电机轴通过超越离合器联结，由电机输出轴驱动液压传动系统液压泵控制挖掘机在不同工况下运行。
柴油机启动时，将原飞轮的外齿圈与超越离合器外啮合，且与柴油机曲轴联结，启动电机经减速装置拖动启动齿圈、超越离合器，带动曲轴旋转，达到启动转速后，超越离合器与曲轴分离，启动过程结束。曲轴与电机轴同轴。
柴油机油门开度恒定时的控制方法包括下述内容：
（1）、位移传感器采集柴油机油门开度信号，温度传感器采集柴油机水温、进气温度信号，压力传感器采集进气压力信号，A/D转换器将位移传感器、温度传感器和压力传感器的模拟信号转换成数字信号，由总控制单元计算得出柴油机设定转速，将设定转速信号传递给电机控制单元；同时，总控制单元将设定转速信号传递给柴油机燃油供给系统，使曲轴平均转速趋向目标转速n1；速度传感器采集柴油机曲轴实时转速n信号，传递给电机控制单元，将柴油机曲轴实时转速n取微分后比较与；为∈［500,2000］，实现电机工作模式的切换与电动机转速的控制；
（2）、当时，为蓄电池充电，发电机/电动机工作在第二象限（正转、发电机工作模式），转速为目标转速n1，柴油机曲轴输出功率=柴油机提供功率-发电机功率；
（3）、当时，由蓄电池供电，发电机/电动机工作在第一象限，转速为目标转速n1，与柴油机曲轴进行动力耦合共同驱动外负载,曲轴输出功率=柴油机提供功率+电动机功率；
（4）、当时，发电机/电动机不工作，由柴油机直接驱动外负载，柴油机曲轴输出功率=柴油机提供功率；
（5）柴油机油门开度增大时的系统控制方法：当时，发电机/电动机工作在第二象限；当时，发电机/电动机工作在第一象限，转速均为目标转速n1；当时，发电机/电动机不工作；为柴油机加速过程的加速度值。
（6）柴油机油门开度减小时的系统控制方法：控制量与的比较结果决定发电机/电动机工作模式，转速均为目标转速n1；t为柴油机转速实时检测时间。
（7）、柴油机启动时，使原飞轮外齿圈与超越离合器外啮合，与曲轴-电机轴相联结，启动电机经减速装置拖动启动齿圈、超越离合器，带动曲轴旋转，达到启动转速后，超越离合器与曲轴-电机轴分离，启动过程结束。启动过程中，发电机/电动机控制方法柴油机油门开度增大时的系统控制方法相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用发电机/电动机取代柴油机飞轮储能作用，减小柴油机转动惯量而使其调速响应快，工程机械中可通过调节柴油机转速实现泵的流量控制，对整机输出功率与实时负载匹配，动态响应快，稳定性高，低噪声，高效节能。
2、柴油机-电机系统可根据“泵排量目标值”不同，通过转速调节快速响应对液压系统流量进行适应，在达到与电机驱动效果相同的同时也可避免蓄电池续航能力差以及柴油机长时间连续工作在高油耗区域的问题。
3、本发明消除了飞轮存在的安全问题，提高了与飞轮相关的支撑件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1（柴油机-发电/电动机系统驱动液压挖掘机）的控制系统结构图；
图2为本发明中柴油机控制系统结构方框图；
图3为柴油机供油量的控制原理图；
图4为电机调速系统的矢量控制原理图；
图中，1为无飞轮柴油机，2为带齿圈超越离合器，3为启动电机，4为发电机/电动机，5为挖掘机液压泵，6为挖掘机液压系统。
具体实施方式
本发明中利用发电机/电动机四象限工作的能量存储再释放的过程取代柴油机飞轮的储能作用，对柴油机的输出扭矩“削峰填谷”，降低曲轴的转动惯量，使柴油机转速调节响应加快。
图1中无飞轮柴油机1的曲轴与发电机/电动机4通过超越离合器2（带齿圈）联结，由电机输出轴驱动液压传动系统液压泵5控制挖掘机在不同工况下运行。
当时，发电机/电动机为发电机工作模式，转速n为目标转速n1，为蓄电池充电；
当时，由蓄电池供电，发电机/电动机为电动机工作模式，转速n为目标转速n1，与柴油机曲轴进行动力耦合共同驱动外负载；
当时，发电机/电动机不工作，转子绕组由于其自身的转动惯量相当于“小飞轮”，均匀曲轴小范围转速波动，由柴油机直接驱动外负载。
柴油机启动时，使原飞轮外齿圈与超越离合器2外啮合，与柴油机曲轴相联结，柴油机曲轴与电机同轴，启动电机3经减速装置拖动启动齿圈、超越离合器，带动曲轴旋转，达到启动转速后，超越离合器与柴油机曲轴分离，启动过程结束。
图2所示，位移传感器采集油门开度信号，温度传感器1采集柴油机水温t1、温度传感器2柴油机进气温度t2，压力传感器采集进气压力信号，以上模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，由总控制单元计算得出设定转速，将设定转速信号传递给电机控制单元。同时，总控制单元将设定转速信号传递给柴油机燃油供给系统，使曲轴平均转速趋向目标转速n1。速度传感器采集柴油机曲轴实时转速信号，传递给电机控制单元，将实时转速n取微分后比较与。
当时，发电机/电动机为电动机工作模式，电机控制单元利用脉冲宽度调制技术控制模拟电路，驱动双向DC/DC变换器，在双向DC/DC变换器和电容的共同作用下使电流由电源流向电机。同时，电机控制单元采集电机电路中电流与电压信号，经A/D转换、数字信号处理后驱动逆变器，把电源直流电转变为交流电，同时通过改变其频率或脉宽驱动电动机工作在目标转速n1。
当时，当发电机/电动机为发电机工作模式，对电机电路中电压电流信号采集，经信号调理把来自传感器的模拟信号转换为数字信号，隔离器将不同信号处理后传递给电机控制单元。
电机控制单元驱动双向DC/DC变换器，在双向DC/DC变换器和电容的共同作用下使电流由电机流向电源。发电机所产生交流电经由整流器变换为直流并为直流电源提供充电电压进行浮充充电。
当时，发电机/电动机不工作。此时，电机控制单元切断发电机/电动机与电源电路。
以上均为柴油机油门开度恒定时的系统控制策略，柴油机油门开度增大或减小时的系统控制策略类似：当时，发电机/电动机为发电机工作模式；当时，发电机/电动机为电动机工作模式，转速均为目标转速n1；当时，发电机/电动机不工作；为柴油机加速过程的加速度值。
由此，柴油机-发电/电动机控制系统利用上述电机控制技术可实现在协调模型优化决策下的电机能量存储再释放。
图3所示，柴油机运转的实质是通过燃烧把化学能转换为机械能输出转矩，包括保护需求转矩和输出需求转矩。图中位移传感器采集油门开度信号，模拟信号经A/D转换成数字信号，经过运算处理后计算得出设定转速，将设定转速信号同时传递给柴油机控制单元与电机控制单元。
温度传感器采集柴油机水温、进气温度信号，压力传感器采集进气压力信号，以上模拟信号经A/D转换成数字信号，由柴油机控制单元协调优化处理后计算得出基本供油量。速度传感器采集柴油机曲轴实时转速信号，传递给电机控制单元作为控制电机运行的参量，同时将实时转速信号传递给总控制单元。总控制单元根据实时转速信号与设定转速信号运算处理后修正基本供油量得出第一供油量，根据柴油机冒烟限制模块得出第二供油量。然后比较第一供油量和第二供油量，取较小值作为被控参量输出值。此输出值通过D/A转换器接口及驱动电路送至执行机构转换成喷油泵齿杆的位移输出，从而达到控制柴油机供油量的目的，消除由于负载变化及随机干扰引起的柴油机转速变化及波动。
图4为电机调速系统的矢量控制原理图
图中基于DSP的全数字交流调速系统是利用电压型逆变器SVPWM算法（电压空间矢量算法）实现把交流电机等效为直流电机进行转矩控制问题。运用坐标变换将三相系统等效为两项系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转坐标变换，实现了定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，从而提高电机系统控制精度以及可靠性。
最后，还需注意的是，以上例证仅是本发明以普通四缸柴油机为实施例驱动液压挖掘机运行，本发明具体也可适用于单缸、多缸柴油机。所以上述具体适用均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法，其特征是利用发电机/电动机四象限工作能量存储再释放的工作过程取代柴油机飞轮的储能工作过程，对柴油机的输出扭矩“削峰填谷”实现均匀波动扭矩，使曲轴转速的均匀输出。
2.根据权利要求1所述无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法，其特征是柴油机启动时，将原飞轮的外齿圈与超越离合器外啮合，且与柴油机曲轴联结，启动电机经减速装置拖动启动齿圈、超越离合器，带动曲轴旋转，达到启动转速后，超越离合器与曲轴分离，启动过程结束。
3.根据权利要求1所述无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法，其特征是柴油机油门开度恒定时的控制方法包括下述内容：
（1）、位移传感器采集柴油机油门开度信号，温度传感器采集柴油机水温、进气温度信号，压力传感器采集进气压力信号，A/D转换器将位移传感器、温度传感器和压力传感器的模拟信号转换成数字信号，由总控制单元计算得出柴油机设定转速，将设定转速信号传递给电机控制单元；同时，总控制单元将设定转速信号传递给柴油机燃油供给系统，使曲轴平均转速趋向目标转速n1；速度传感器采集柴油机曲轴实时转速n信号，传递给电机控制单元，将柴油机曲轴实时转速n取微分后比较与；其中，表示角加速度，为∈［500,2000］，单位：rad/s2，实现电机工作模式的切换与电动机转速的控制；
（2）、当 时，为蓄电池充电，发电机/电动机工作在第二象限，转速为目标转速n1，柴油机曲轴输出功率=柴油机提供功率-发电机功率；
（3）、当时，由蓄电池供电，发电机/电动机工作在第一象限，转速为目标转速n1，与柴油机曲轴进行动力耦合共同驱动外负载,曲轴输出功率=柴油机提供功率+电动机功率；
（4）、当 时，发电机/电动机不工作，由柴油机直接驱动外负载，柴油机曲轴输出功率=柴油机提供功率；
根据权利要求1所述无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法，其特征是柴油机油门开度增大时的系统控制方法：当时，发电机/电动机工作在第二象限；当时，发电机/电动机工作在第一象限，转速均为目标转速n1；当时，发电机/电动机不工作；为柴油机加速过程的加速度值。
4.根据权利要求1所述无飞轮柴油机发电机/电动机系统控制方法，其特征是柴油机油门开度减小时的系统控制方法：控制量与的比较结果决定发电机/电动机工作模式，转速均为目标转速n1；t为柴油机转速实时检测时间。
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