摘要：隨著技術(shù)的進步，在動力機和動力設(shè)備的研制方面，對動力機（如柴油機）的各項性能都提出了更高的要求。測功設(shè)備均為水力測功機配以各分立測試儀表。測試時，將柴油機的機械能通過水力測功機轉(zhuǎn)化為的水的溫升（熱能）都白白浪費掉了。由此看來，如果能改進測功工藝，開發(fā)的能源回饋技術(shù)，將柴油機測試過程中的機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)，將會大大節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。
　　
　　隨著技術(shù)的進步，在動力機和動力設(shè)備的研制方面，對動力機（如柴油機）的各項性能都提出了更高的要求。測功設(shè)備均為水力測功機配以各分立測試儀表。測試時，將柴油機的機械能通過水力測功機轉(zhuǎn)化為的水的溫升（熱能）都白白浪費掉了。由此看來，如果能改進測功工藝，開發(fā)的能源回饋技術(shù)，將柴油機測試過程中的機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)，將會大大節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。利用“比較跟蹤放大（CTA）變頻（逆變）技術(shù)”，提出了一種在柴油機測功過程中的能量回饋方案。該方案可逆變出純正弦波形的電能回饋電網(wǎng)，使節(jié)約能源和降低柴油機生產(chǎn)成本成為可能，且不對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。　　
　　1、方案設(shè)計
　　
　　在柴油機測功過程中，將水力測功機負(fù)載改為發(fā)電機，在滿足測試工藝的前提下，通過CTA逆變技術(shù)將發(fā)電機發(fā)出的頻率和幅值不固定的電能，地轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)同頻幅同步的電能，回饋給電網(wǎng)（或帶動其它用電負(fù)載），即可達(dá)到節(jié)能的目的。我們采用如下方案：在柴油機試驗臺上和柴油機同軸安裝減速機、發(fā)電機和啟動電機;發(fā)電機輸出的電能經(jīng)整流、CTA逆變電路，逆變出和電網(wǎng)同頻同步的電能;再經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路回饋至電網(wǎng)。
　　
　　2、硬件電路設(shè)計
　　
　　2.1CTA逆變原理
　　
　　CTA是比較跟蹤放大（Compare-Track-Amplify）的英文縮寫。它逆變出的波形輪廓*由提供的參考信號決定。單相的CTA逆變電路原理圖如圖1所示。
　　
　　經(jīng)過整流得到的直流電，加在圖中+、-端。S1、S2為開關(guān)管，兩組L、C分別構(gòu)成兩個正負(fù)半波濾波器。參考正弦信號Vref和后級取樣信號在比較器中比較的結(jié)果，通過驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)管S1、S2的通斷，就會在后級得到帶鋸齒的正弦波，且其基波是和參考信號Vref同頻率正弦波。把此電壓信號作為電源加在乙類功率管上，功率管為射極輸出，zui后在負(fù)載上就可得到頻率和參考信號Vref*相同的純正弦電壓波形。輸出電壓的波形和頻率*由參考信號Vref決定。　　
　　2.2試驗臺設(shè)備配置
　　
　　試驗臺設(shè)備配置框圖如圖2所示。柴油機的額定轉(zhuǎn)速一般都高于發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速（如各系列柴油機額定轉(zhuǎn)速有1800、2200、2800r/min等多種，而發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速一般為1500r/min）。為使轉(zhuǎn)速相匹配，同時也使試驗臺能夠適應(yīng)不同型號柴油機的測功試驗，設(shè)置了有2～3個轉(zhuǎn)速比的減速機和發(fā)電機相匹配。啟動電機的作用是在測試試驗前啟動柴油機，啟動后即通過離合器和轉(zhuǎn)軸分離。啟動電機為小容量的三相異步電動機，它和電網(wǎng)的切換由轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。當(dāng)啟動完成時，轉(zhuǎn)換開關(guān)即切斷電網(wǎng)和啟動電機的連接，進入柴油機的低速空載磨合期（根據(jù)各型號柴油機的測功工藝不同，磨合期在20～50分鐘不等）。此后，加大油門進入不同轉(zhuǎn)速下的參數(shù)測試期。在測試期，當(dāng)CTA逆變電路正常工作時，轉(zhuǎn)換開關(guān)將電路切換到能量回饋端。從CTA逆變電路輸出的能量經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電壓幅值后，回饋給電網(wǎng)。
　　
　　2.3三相CTA逆變技術(shù)方案
　　
　　CTA
　　
　　逆變技術(shù)電路的主電路如圖3所示，分為整流（由整流二極管組成）和逆變（由IGBT組成）兩部分。通過CTA逆變電路，在逆變側(cè)輸出與電網(wǎng)同頻率且同步的略帶毛刺的正弦波，再經(jīng)TA技術(shù)電路濾去毛刺，輸出純正弦波，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路后，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)送入電網(wǎng)。CTA逆變技術(shù)目前已成為一種能產(chǎn)生純正弦波的成熟逆變技術(shù)，其產(chǎn)生的正弦波波形失真度小于4～5%。　　
　　電壓調(diào)節(jié)電路是一個隨時跟蹤電網(wǎng)電壓幅值的高性能的電動調(diào)壓器。由取樣的電網(wǎng)側(cè)及逆變輸出側(cè)的信號和柴油機測功的負(fù)載信號經(jīng)過運算和處理，產(chǎn)生電動調(diào)壓器的調(diào)節(jié)信號，調(diào)節(jié)電壓比以控制回饋電流。為使電路穩(wěn)定，電路中加入了電流反饋環(huán)節(jié)，以穩(wěn)定回饋電流（即柴油機測功的負(fù)載）。
　　
　　2.4CTA逆變控制電路
　　
　　2.4.1CTA逆變控制原理
　　
　　CTA
　　
　　逆變控制電路要解決兩個問題：一是逆變出的電壓波形必須和電網(wǎng)電壓同頻率且同步，可通過直接從電網(wǎng)電壓側(cè)同步取參考信號來實現(xiàn);二是輸出的電壓波形毛刺包括線要比較窄，否則，后級TA技術(shù)電路的功率管功耗將大大增加。這可通過適當(dāng)提高控制電路和IGBT管的開關(guān)頻率來實現(xiàn)。控制電路原理框圖如圖4所示。
　　
　　首先從電網(wǎng)側(cè)同步取出可供逆變器工作的參考信號和同步信號，由此參考信號產(chǎn)生的三相六波頭信號和由逆變器輸出的帶毛刺三相六波頭信號進行比較，從而產(chǎn)生控制
　　
　　IGBT導(dǎo)通的控制信號。再經(jīng)由六脈沖門信號控制的門電路，送到六個IGBT柵極，從而控制六個IGBT的通斷，zui后使逆變器輸出和電網(wǎng)同頻率、同相位（同步）的帶毛刺正弦波。通過由電網(wǎng)參考信號控制的TA技術(shù)電路濾去毛刺（諧波），即得到和電網(wǎng)同頻率、同相位的純正弦電壓。再經(jīng)電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)整后，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)回饋給電網(wǎng)。
　　
　　2.4.2測功控制
　　
　　對于小型柴油機，以額定轉(zhuǎn)速為2200r/min為例，測試工藝要求在800～1000r/min時空載磨合約30分鐘，此階段逆變器不工作，發(fā)電機不發(fā)電;然后在1000～1100r/min時，加額定負(fù)載的50～60%，運行30～40分鐘，此階段發(fā)電機開始發(fā)電，逆變器工作并向電網(wǎng)回饋電能;在測試后期，柴油機在額定轉(zhuǎn)速下滿負(fù)載運行的一小時，系統(tǒng)在此狀態(tài)下測定柴油機的各項參數(shù)，主要包括功率、扭矩、耗油量、機油溫度、進行氣溫度、汽缸壓力等;zui后是測定在超過額定負(fù)載30%負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速、耗油量、機油溫度、汽缸壓力等參數(shù)的變化情況。
　　
　　小型柴油機要測試的參數(shù)較少，測功工藝也相對簡單。而中型及以上柴油機需要測試的參數(shù)較多，要求也較高。為提高測功系統(tǒng)的可靠性和測試參數(shù)的準(zhǔn)確性，提高控制效率，整個測功系統(tǒng)采用微型計算機控制。柴油機轉(zhuǎn)速由計算機控制的油門供油量閉環(huán)控制，通過操作面板上的觸摸開關(guān)給定其升降;負(fù)荷的大小由逆變器回饋入電網(wǎng)電流的大小決定，計算機通過采集回饋電流信號及對負(fù)荷給定信號的比較計算機，來調(diào)節(jié)（微調(diào)）電壓調(diào)節(jié)電路的電壓比，從而調(diào)節(jié)回饋入電網(wǎng)的電流大小，以實現(xiàn)負(fù)荷的增減。負(fù)荷的增減給定，也由操作面板上的負(fù)荷增減觸摸開關(guān)實現(xiàn)。柴油機的各項參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、耗油量、機油溫度、進出氣溫度、汽缸壓力等均由各數(shù)字測量儀表或測量傳感器通過計算機運算和處理后，進行存儲、顯示和打印，并配以適當(dāng)?shù)膱缶筒樵児δ埽詫崿F(xiàn)測功系統(tǒng)的完整性和通用性。　　
　　3、參數(shù)設(shè)計
　　
　　以額定功率為18.5kW的S195和S1100柴油機為例，選定測功系統(tǒng)的功率等級為20kW，額定轉(zhuǎn)速為2200r/min。
　　
　　發(fā)電機選用額定轉(zhuǎn)速為1500r/min、額定輸出功率為20kW的三相交流發(fā)電機或單相交流發(fā)電機。所配減速箱為具有1800/1500、2200/1500和2900/1500三個速比和扭矩為80牛頓米的減速箱。
　　
　　CTA逆變器主電路功率元件參數(shù)為：整流二極管耐壓1000V（單相發(fā)電機選用800V），額定電流為40A（單相發(fā)電機選100A）;IGBT管耐壓1000V，額定電流為40A;濾波電容為兩個耐壓1000V和容量為2200μF的電解電容。CTA逆變器的三相輸出端，各有一個由兩個電容和一個電感組成的濾波環(huán)節(jié)，其作用是將輸出的脈沖波形變?yōu)閹в忻痰恼也ㄐ巍４穗娙莺碗姼袇?shù)不可過大，也不可過小。通過實驗，此電感和電容分別選為8～10mH、20μF較為合適。
　　
　　目前，我國各柴油機生產(chǎn)廠均未進行柴油機測試中能量回饋的研究和開發(fā)，但這方面的研究和開發(fā)對節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本極有價值，同時在礦山、起重業(yè)方面也有很大的應(yīng)用前景。據(jù)初步統(tǒng)計，僅在動力機生產(chǎn)測試中，若進行能量回饋開發(fā)，我國每年即可回收再生電能近億度。通過前期的研究和實驗結(jié)果來看，本方案的可行性和可靠性的較好，但尚需進行計算機控制和配合測試工藝的進一步完善和開發(fā)。