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          燃油加注计量过程的变频控制技术

          来源: 作者: 发布日期:2020-07-03

           为改善传统加油方式的不足,提高泵送效率、压力稳定性和加油准确度,减少泵送过程中的过冲量,抑制水击现象,本文应用变频技术的新型加油方式对传统加油方式进行改进,并对容积式流量计的流量误差特性曲线进行分析,提出了运用变频技术控制流量,减小误差,提高加油准确度的方法。

           
          加油机加注过程中的压力稳定性和加油准确度是衡量加油机系统性能的重要指标。在传统的加油模式下,双阀结构会增加管路压降,产生水击效应,增大过冲量,降低加油准确度。对传统燃油加油机存在的弊端,本文提出引入变频技术的新型加油模式。通过变频技术控制电机转速从而达到控制流量的目的,并对容积式流量计误差特性曲线进行分析,得到非常佳流速范围,实现减小能源损耗、保证泵送过程的压力稳定性,提高加油准确度的目的。
           
          一、基于变频技术的新型加油方式
          变频调速通过改变供给电动机电源的频率值达到改变电动机转速的目的。交流异步电动机的变频调速原理,可以从异步电动机的转速方程中得出
          n=60f(1-s)/p (1)
          式中:n——异步电动机的转速;f——异步电动机的频率;s——电动机的转差率;p——电动机的极对数。
           
          由式(1)可知,转速 n 与频率 f 成正比,只要平滑地调节异步电动机的定子供电频率 f,即可平滑调节电动机的同步转速 n。由于转子是跟随旋转磁场同步旋转的,当频率 f 在 0~50Hz 的范围内变化时,电动机转速调节的范围非常宽。
          变频模式下的加油机系统结构大、中挡位下的压力脉冲曲线
          变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频模式下加油机的系统组成如图 1 所示,在变频加油模式下,编码器发出的脉冲数可以反映加油时油液流量的大小;故在不同挡位加油时,流量不同使得编码器发出的脉冲数不同,由控制电路检测编码器的脉冲数判断加油流量,从而选取合适的电机频率带动泵的转动,输出合适的油液流量。变频器和流量测量变换器的结合可以代替电磁阀在加油机中的作用,不需要再通过电磁阀的开闭控制流量,因此可以在保证加油准确度的同时,将电磁阀的双阀改成单阀甚至去掉电磁阀。图 2 表示简化后的单电磁阀在大、中挡位下加油的脉冲曲线,可看出经过优化之后水击现象得到很好改善。相较于传统的加油方式,变频加油模式优化了加油机的内部结构,缩小了成本,并且在降低能耗、提高部件使用寿命和提高加油准确度方面有着显著的优越性。提起油枪但未开始加油时,变频技术能保证电机在较低频率下运转;加油后期通过改变电机频率来改变泵的运转速度,以较低流量将油液泵进车内,减小对电磁阀的冲击,抑制水击效应,同时也可以保证加油机的测量准确度。
           
          二、容积式流量计误差曲线分析
          加油机中使用的流量测量变换器一般为容积式流量计,也叫作定排量流量计,其测量准确度高,在石油类流体测量中广泛应用。容积式流量计存在一个误差特性曲线,其实际流量与示值流量之间存在误差。容积式流量计的基本误差可用式(2)表示:
          公式2
           
          式中:l——流量计示值;V——通过流量计的实际值。
           
          在测量实际流量时,通过流量计的实际值 V 一般是未知的,常用示值相对误差即式(3)来表示:
          公式3
          式中:I——流量计累计示值;V——通过流量计的实际值。
           
          假设流量计测量元件周期动作一次能送出的流体量为 v,在 t 时间内流量计动作次数为 N,则 t 时间内通过流量计的流体总量 V 可用式(4)表示:V=Nv(4)
           
          这是在理想情况下通过流量计的实际值,但容积式流量计除了湿式气体流量计之外,会存在漏流现象。为得到实际误差曲线,现假设通过间隙的漏流量为 Δq,当以流量 q v 通过流量计的流体总量为V 时,通过间隙漏过流量计的总漏流量为
          公式5
           
          当容积式流量计存在漏流现象时,实际通过流量计的流体总量为
          V=Nv+ΔV (6)
           
          在 t 时间内流量计测量元件动作 N 次,通过齿轮机构将测量元件的动作传递到指示机构,使刻度盘上的指针走动以显示通过流量计流体体积,故通过流量计的显示值 I 和 N、齿轮比常数 a 的关系为
          I=aN(7)
           
          整理得
          公式8
          得到实际误差表达式为
          公式9
           
          由式(9)可知,流量计实际误差与计量室空间的容积v、齿轮比常数a、漏油量Δq以及流量q v 有关。容积式流量计误差曲线如图 3 所示:曲线 1 为理想的误差特性曲线,由于漏流现象,实际误差曲线更接近曲线 2、曲线 3 以及曲线 4。从实际误差曲线可以看出,当流量较小时,误差会随着流量的减小而增大,实际误差曲线急剧向负方向倾斜;随着流量的增加,误差曲线逐渐正向移动并稳定在一值,当流量过大时,又向负方向倾斜。
          容积式流量计误差特性曲线
          通过对容积式流量计误差特性曲线进行分析,得出存在一个非常佳流量范围,使得流量计的误差非常小。根据误差特性曲线计算出在误差非常小时的流量范围,结合变频技术可以调速的优点,控制泵的转速使得油液以非常佳流量泵入车内,可以提高加油准确度。
           
          三、变频模式下加油机系统性能测试
          1. 压力稳定性测试
          本文从泵送过程中压力稳定性和加油准确度两个指标,对传统加油方式和基于变频技术的新型加油方式进行分析。图 4 表示在传统加油模式下和变频模式下压力随时间变化的曲线。
          两种模式下压力随时间变化曲线
           
          在传统模式下,电磁阀门的突然闭合使流速突然降低,流量冲击电磁阀门导致压力在泵送过程出现两个尖端脉冲,瞬时压力远大于其他时刻的压力,形成水击现象,增加管路的压降。采用变频技术可以对流量速度进行调节,通过单电磁阀使管路中的阻力减小,压力在泵送过程中随时间平滑下降,不会出现流速突然变化冲击阀门的情况,提高了加油系统的压力稳定性,水击现象得到明显改善。
           
          2. 加油准确度测试
          加油准确度,即加油量的相对误差,为实际加油量和显示加油量的相对误差。已知传统加油方式通过控制阀门开度控制流速,引入变频技术的新型加油机通过改变变频器的输出频率,控制电机转速进而调节流速。实验室采用定量加油的方法,计算两种加油方式在不同流量下的加油准确度,经过实验测试,得出实验数据并画出两种加油方式的准确度曲线如图 5 所示。
          两种加油模式下流量的相对误差
          通过对比新型加油模式和传统加油模式下的相对误差可以看出,在引入变频技术的新型加油模式下,加油机在不同流量下加油,加油准确度优于传统加油模式。在传统加油模式下,相对误差主要是由过冲量引起。新型加油方式由于引入了变频技术,随着流速的变化来调整泵的转速从而达到所需油量,减小过冲量,因此可以获得非常精确的超调控制,相较于传统的加油方式,可以提高加油准确度。同时,可以得出流量误差特性曲线的非常佳流量大概在38L/min 左右,此时相对误差接近零,加油准确度达到非常高。
           
          四、结论
          与传统加油模式相比,引入变频技术的新型加油方式可以消除过冲量,提高加油准确度。由于可取消传统加油模式用来控制过冲量的双流量电磁阀,减少了加注过程中的压力损失,从而抑制了定量加注过程中电磁阀关断引起的水击效应。

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