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液压取力发电装置改进设计

时间:2019-10-12 07:57:33
    摘 要: 传统液压取力发电装置供电品质不高,且随负载变化供电品质发生较大变化。为了提供稳定可靠的电源,需要对传统液压取力发电装置进行改进设计。对新的设计方案进行建模,模拟负载变化对供电品质影响,最后试验验证设计的正确性。
 
    引言
    液压取力发电装置广泛的应用于工程机械、油田、移动通信、消防安保等行业。目前国内市场主要被外资品牌占据。北京创新同源科技有限公司从国外某知名品牌引进一台 30 kW 液压取力发电装置用于某卡车底盘行车发电。从实际使用测试来看,供电品质一般,抗负载变化特性较弱,影响限制用户使用。针对上述缺点,提出改进设计方案,增加泵出口小流量闭环控制,使供电品质稳定可靠。通过 AMESim 仿真软件进一步验证方案可行,最终试验结果满足客户对电源高品质的使用需求。
 
    1 液压取力发电装置组成及工作原理
    1.1 液压取力发电装置组成
    液压取力发电装置主要由液压恒速系统、控制盒、交流发电机组成。液压恒速系统主要将汽车底盘的机械能转化为液压能,并且保证液压马达输出转速稳定,液压马达连接交流发电机。控制盒主要对输出电源进行控制,并设有保护装置和报警装置。交流发电机主要是将液压能转化为电能,输出给用电负载使用。
 
     1.2 液压取力发电装置工作原理
    汽车发动机带动安装在底盘取力口处的液压泵,液压泵供油给液压马达并形成循环回路,恒速控制系统控制液压马达转速保持恒定,马达与发电机通过联轴器连接。当马达转速稳定输出为 1500 r/min 时,交流发电机正常供电。当车在行驶过程中,发动机的转速发生变化时,恒速控制系统自动适应转速变化。其原理是发动机转速变化时,负载敏感系统可以使液压泵的斜盘发生变化,保持固定阻尼孔两端压差恒定,使输出的流量保持恒定,进而控制马达转速保持恒定。现有液压取力发电装置( 见图 1) 说明书显示: 额定功率 30 kW,稳态电压为 240 V ± 7. 2 V,频率 50 Hz ± 2 Hz,厂家未对负载变化时的指标给出详细参数。
 
    1.3 液压取力发电装置主要性能参数
    液压取力发电装置主要指标实测值为:(1)空载时,稳态电压为 218.95 V,空载频率为3.5 Hz。电压波动率 0.9% ,频率波动率 1.26% ;(2) 满载时,稳态电压为216.79 V,频率为49.38 Hz。电压波动率0.36%,频率波动率0 61%;(3)负载突加时,瞬态电压为 189.08 V,瞬态频率为 44.82 Hz。负载突卸时,瞬态电压为 255.19 V,瞬态频率为 57.68 Hz。从实测值来看,供电品质一般,很多对供电品质要求较高的场合限制使用或者不能使用。
 
 
    2 液压取力发电装置改进设计
    通过试验数据分析,由于满载时,泵和马达的泄漏会加大,且未做有效流量补偿措施。为了使满载频率达到使用要求,故设置较高空载频率。在负载突然变化时,电压和频率瞬态波动较大。在不增加其他设备的前提下,很难提高供电品质。
 
    2.1 改进设计( 见图 2)
    经与客户协商,对比原性能指标,改进设计后要求
达到以下指标: 
    (1) 空载时,频率稳态调整率不大于 ± 3% ,频率波动率不大于 1% ;
    (2) 负载突变时,频率瞬态调整率不大于 ± 7% ,电压瞬态调整率不大于 ± 20% 。
 
 
    具体主要设计内容为:
    (1) 在固定阻尼孔处并联一个小流量比例节流阀,通过比例阀进行流量闭环控制; 
    (2) 增加放大器和频率闭环卡安放于控制盒内; 
    (3) 比例阀控制流量为原系统额定流量的 1 /4,调整固定阻尼孔通径,使比例阀不工作时,发电机输出频率为 47 Hz 左右。
 
    2.2 改进设计后仿真分析
    使用 AMESim 软件进行系统建模,为了便于分析,简化系统模型( 见图 3) ,马达出口用一个背压阀来替代其他液压元件,用电负载用加载转矩来代替,转速闭环替代频率闭环,其他按实际参数设置。
 
 
    设置加载转矩为 200 N·m,加载时间为前 30 s 空 载,后 20 s 加满载,最后 30 s 空载。进行稳态和突变时的仿真( 见图 4) 。
 
 
   由曲线可知发电机启动阶段是不能正常供电,到达稳定阶段后,空载转速为 1500 r/min。满载突加突卸对转速影响很小,方案设计合理可行。
 
    3 改进设计后试验验证
    试验验证主要目的: 改进设计后供电指标是否达到设计要求。按照试验大纲各项条目进行试验,主要试验数据如表 1 所示。
 
 
    4 结论
    通过试验数据可以看出: 
    (1) 液压取力发电装置改进获得成功; 
    (2) 改进后的液压取力发电装置,供电性能指标得到大幅提升并已经达到军品移动电站要求; 
    (3) 改进设计指标均已达到,空载时,频率稳态调整率为0.9% ,频率波动率为0.92% ; 负载突变时,频率瞬态调整率为 6.72% ,电压瞬态调整率为 8. 44% ; 
    (4) AMESim 仿真软件建模可以有效的测试改进方案的可行性。


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