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中圖分類號: TN773 文獻標識碼: A
一、概述
G5X風力發電機組(簡稱機組)是我國從西班牙Gamesa公司引進的雙饋型變槳距機組(如圖1),該型機組單臺功率為850kW,根據葉片長度的不同,分為G52和G58兩種。
圖1 某風電場的G5X機組
G5X在國內安裝數量龐大,早期引進的機組所裝變頻器主要為Ingerteam變頻器。G5X機組在運行初期,性能比較穩定,故障相對較少,但是隨著運行時間的累積,一些機組開始出現環境適應性的問題。例如,會出現零部件腐蝕嚴重、受風沙侵蝕嚴重等現象,變頻器還出現散熱等方面的問題。由于變頻器對整個機組的發電性能控制起著極其重要的作用,如果變頻器在運行過程中出現過熱會直接導致整個機組停機,國內不少風電場已經開始著手對變頻器的散熱系統進行改造。在變頻器改造過程中,首要問題是需要知道變頻器的發熱量,計算變頻器發熱量需要詳細了解變頻器各個方面的參數,對于現場工程師來說比較困難。本文運用經驗和理論計算相結合的方法,計算出了G5X機組變頻器在運行過程中的總發熱量,可以為現場的改造提供依據。
二、計算方法
Ingerteam變頻器采用AC-DC-AC(交-直-交)背靠背結構,其IGBT型號有三種為:Infineon公司的BSM300GB120DLC、FF400R12KE3和Semikron公司的 SKM400GB124D。三種型號都可以替代使用,現場使用較多的是BSM300GB120DLC,下面依據該型號進行計算,其它兩種型號雷同。單個模塊含有2個IGBT和2個反并聯二極管,如下圖所示,為一個BSM300GB120DLC模塊的內部電路:
圖2 BSM300GB120DLC模塊內部電路
每臺變頻器上使用12個IGBT模塊,網側6個,電機側6個,因此網側、電機側各有12個IGBT和12個反并聯二極管,2個IGBT模塊并聯組成一個橋臂(即一相)。
變頻器網側輸入電壓為50Hz 480V交流。變頻器的發熱包括以下部分:IGBT的發熱、反并聯二極管的發熱。
首先,變頻器功率為
(1)
注:雙饋機組的變頻器功率為機組額定功率的,這里按較大值進行計算。
輸入側額定電壓為。由此可以計算變頻器的網側相電流峰值為:
340.797A (2)
IGBT在導通狀態下都有1V左右的壓降,隨著IGBT容量的增加,壓降也會增加。因此,IGBT在工作過程中流過電流時,自身會存在損耗,這個損耗就是通態功耗。單個IGBT的通態功耗PSS為
(3)
其中,—變頻器的輸出電流峰值,—、集電極電流等于時,IGBT的飽和壓降,—PWM波形占空比(調制深度),—輸出功率因數。
IGBT作為開關器件,主要靠其告訴的開關過程來控制電壓和電流,從而達到對電壓和電流的調制的目的,實現電壓電流的各種變化。IGBT的開關的過程分為導通和關斷兩個狀態:在導通瞬間,IGBT的集電極-發射極電壓逐漸降低,電流逐漸上升,這個過程中,IGBT產生的損耗叫導通損耗;在關斷瞬間,IGBT的集電極-發射極電壓逐漸上升,電流逐漸下降,這個過程中,IGBT產生的損耗叫關斷損耗。導通損耗和關斷損耗之和即為IGBT的開關功耗。單個IGBT的開關功耗PSW為
(4)
其中,為、集電極電流等于時,每脈沖對應的IGBT開通能量;為、集電極電流等于時,每脈沖對應的IGBT關斷能量;為變頻器的PWM開關頻率。
一般IGBT大多帶有反并聯二極管,用于IGBT關斷時的續流,又叫續流二極管。單個反并聯續流二極管的通態功耗PD為:
(5)
—情況下,續流二極管的正向壓降
另外,續流二極管的開關功耗包含在IGBT的中,因此,根據(3)~(5)式,每個橋臂(2個IGBT模塊)的功耗便PAV1可以計算出來:
(6)
由于變頻器有三個橋臂,那么整個變頻器的散熱PAV:
(7)
根據現場實際情況選取各參數合適的取值,是保證計算精度的關鍵。對于(7)式,下面分別討論各個參數的取值情況:
為變頻器的PWM開關頻率,按照300kW功率等級的變頻器的開關頻率一般在5kHz左右,因此取;
為變頻器的輸出電流峰值,考慮到2個IGBT模塊并聯,各分一半的電流,那么有
;
為IGBT結溫、集電極電流等于時,IGBT的飽和壓降,根據BSM300GB120DLC的資料可以查詢得2.4~2.9V,此處取較高值2.9V;
為PWM波形占空比(調制深度),取D=1;
為輸出功率因數,取網側取=1,電機側取=0.8;
為、集電極電流等于時,每脈沖對應的IGBT開通能量,根據BSM300GB120DLC的資料可以查詢得=35.0mJ;
為、集電極電流等于時,每脈沖對應的IGBT關斷能量, 根據BSM300GB120DLC的資料可以查詢得=36.0mJ;
為情況下,續流二極管的正向壓降,根據BSM300GB120DLC的資料可以查詢得=1.7V;
那么整個變頻器功率模塊的發熱功率為:
關鍵詞:小型無人機;螺旋槳;可用功率估算;活塞發動機
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.12.237
0 引言
隨著無人機應用范圍的擴展,對無人機發動機性能的要求也越來越高。螺旋槳式活塞發動機在長期使用過程中體現了自身的優點,具有體積小、質量輕、耗油率低、低速時推力大、結構簡單,便于維護等優點,因此世界上大多數小型低速無人機選擇活塞式發動機。
小型無人機的飛行性能主要依靠動力裝置,因此估算螺旋槳式活塞發動機的可用功率是小型無人機飛行性能計算過程中的重點之一。本文主要通過經驗公式和估算曲線對發動機的可用功率進行估算。
1 螺旋槳特性及選擇
螺旋槳可分為定距螺旋槳和恒速螺旋槳[1]。對于小型活塞發動機來說,定距螺旋槳具有成本低,結構簡單的特點,所以被廣泛采用。 螺旋槳槳距是指螺旋槳在不打滑和效率不損失的情況下,每轉動一圈向前移動的距離。槳距和槳葉角互成比例[2]。
在確定發動機型號和性能之后,要實現飛行器能夠進行長時間的巡航,可以找到與發動機匹配最佳的螺旋槳,使發動機在保證功率輸出的情況下工作在較為經濟的狀態。所以在發動機定型后選擇合理的螺旋槳至關重要。
在初步設計過程中,螺旋槳的直徑選擇方法進行估算。
一,根據槳尖速度限制進行估算。直徑的估算公式為:
對于低速飛機,從材料角度區分,木質槳的槳尖速度Mtip要小于等于0.6馬赫,金屬槳小于等于0.8馬赫。
二,從發動機功率進行估算,螺旋槳直徑的估算公式為[2]:
式中:Hp是指發動機馬力。該公式適用于10-600Hp的發動機。
螺旋槳直徑的選擇,若單從氣動角度考慮,直徑增大則效率就提高,但效率并不只是僅由直徑決定的,同時直徑加大,槳尖切線速度增大,螺旋槳噪聲增高;另外,直徑加大,螺旋槳重量增加,安裝間距變小。因此,在選取螺旋槳直徑時要注意綜合分析、兼顧各方,以求取得最佳效果。
2 螺旋槳效率修正及可用功率計算
2.1 螺旋槳效率。
一般廠商提供的效率是自由效率。滑移損失的大小決定了螺旋槳效率的大小,一般螺旋槳效率為50% 一85% 。
2.2 螺旋槳效率修正。
根據發動機特性和螺旋槳直徑,可求出螺旋槳的相對進距比J和功率系數與高度和飛行速度之間的關系,通過圖1[2]可查得螺旋槳效率。
機身或短艙對氣流產生阻滯作用,導致螺旋槳氣動效果下降。機身對效率降低程度與螺旋槳直徑相對機身大小有關[2]。此時,需對螺旋槳效率進行修正。其修正公式如下
Jeff――修正后的進距比,按此進距比在效率曲線圖上查出的效率,才是進行飛機性能計算的真正效率。
有的螺旋槳廠商,按匹配飛機的具體情況,提供了已修正過的效率曲線,但一種修正,只適用于一種飛機。
2.3 發動機可用功率計算。
由于空氣密度隨高度變化,發動機的有效功率隨高度變化而變化,詳見公式(6)。其中,下標“H”表示高度為H時的參數,下標“0”表示高度為零時的參數。
根據公式(7)求得的發動機在空中的有效功率P,結合螺旋槳效率及其修正系數,利用經驗公式可求得螺旋槳發動機可用功率。
根據以上公式,可以求出不同高度下發動機的可用功率。
3 結論
通過以上經驗公式和曲線,可以得到一種計算螺旋槳式活塞發動機有效功率的計算方法。該方法簡單有效,適用于初始總體設計階段,可以迅速獲得小型無人機性能估算需要的數據。
參考文獻:
1、產率(productivity),選礦產率的簡稱。在選礦工藝流程中,某一產品的質量占入選原礦石質量的百分比,即為此種產品的產率,如精礦產率、尾礦產率。精礦產率就是精礦的質量與入選原礦質量的百分比。產率是選礦過程中的一項重要技術經濟指標。
2、一般以百分數表示,即產率=(實際產量/理論產量)×100%。
(來源:文章屋網 )
1.會根據用電器的額定電壓、額定功率算出用電器正常工作時的電流和用電器的電阻.
2.理解計算實際功率的思路.
能力目標
培養學生審題能力和初步綜合運用學過的電學知識解題的能力.
情感目標
使學生獲得解決實際用電的初步知識.
教學建議
教材分析
有關電功率的計算涉及的物理量較多,綜合性較強,而且靈活性強,對學生來說有一定難度.
本節習題課就是要幫助學生解決問題.教師在選擇例題時應精心選擇,要有目的性,如:課本上的例題1要解決的問題是要學生學會在使用電功率的公式時,應注意公式各個量的對應關系,熟悉電功率公式,為下道例題做鋪墊.
例題2的目的是要學生掌握解電功率習題的思路,抓住解題中的變量和不變量,其中不變量在初中就是電阻不變.電壓變電功率、電流變.
教材(人教版)中的例題2沒有從最簡便的方法解題突出了電功率的決定式的作用.
重點·難點·疑點及解決辦法
理解計算實際功率的思路.
教法建議
有關電功率的計算涉及的物理公式較多對初中學生來說,有一定難度.在講例題前可以幫助學生復習一下電功率的公式和歐姆定律的公式.講例題前應給學生一定的思考時間,要在教會學生獨立思考上下功夫.鼓勵學生一題多解,教師也應在一體多變上下功夫.
計算涉及的物理量比較多,題目的難度比較大.解題時要認真審題,理清解題思路,挖掘題目中的隱含條件,加深對額定電壓、額定功率、實際電壓、實際功率的認識和理解,提高運用知識的能力,弄清串、并聯電路中電功率的特點,加深對計算過程中必須對各物理量一一對應的重要性的認識.
明確目標
會根據用電器的額定電壓、額定功率算出用電器正常工作時的電流和用電器的電阻.
培養學生的審題能力.
理解計算實際功率的思路.培養學生的審題能力,通過一題多解、一題多變,訓練學生思維的靈活性.
培養學生運用電功率知識解決實際問題的能力.
進一步理解計算實際功率的思路.
培養歸納解題思路的能力.
教學設計方案
重難點:重點電功率公式的運用,難點是靈活運用電功率、歐姆定律公式解決問題.
教學過程:
一.引入新課
方案一.復習引入新課
問:(1)歐姆定律的內容是什么?
(2)串聯電路的電流、電壓、電阻有什么特點?
(3)什么叫電功?什么叫電功率?
(4)用電器在什么情況下正常工作?
(5)實際功率和額定功率之間有什么關系?
方案二:直接引入課題
二.進行新課
解決問題:
1)已知用電器銘牌,求用電器正常工作時,電流.
2)已知用電器銘牌,求用電器實際工作時,電壓或電流或功率.
3)電功率在串聯、并聯電路中的應用.
例1:課本中的[例題1].
例題小結:
①若已知用電器的額定狀態,可求出用電器正常工作時的電流I=P額/U額和用電器的電阻R=U額2/P額.(一般地說,應當把用電器上所標明的額定條件,理解為給出了用電器的電阻.不考慮溫度對電阻的影響.)
②額定電壓相同的燈泡,額定功率大的燈泡電阻小,燈絲粗.
分析:當電燈兩端電壓發生變化時,可認為燈絲的電阻沒有改變,根據歐姆定律I=U/R可知,I隨U的變化而變化,所以燈泡實際發出的功率也變化.
解題思路:
①根據額定狀態求出燈泡的電阻.
②根據I=U/R求出燈泡在新電壓上的電流.
③根據P=UI求出新電壓下的功率.
請兩位同學上黑板分別算出燈泡在210伏和230伏電壓下的功率P1和P2,其他同學在課堂作業本上解此題.
討論:本題還有沒有其他解法?學生回答,教師指出:用比例法P1∶P額=(U12∶U額)2求P1較為方便.
例題小結:
①用電器的實際功率是隨著它兩端的實際電壓的改變而改變的;
②求實際功率的思路.
例3:將燈L1(PZ220-25)和燈L2(PZ220-60)并聯接在220伏的電壓上再將它們串聯接在220伏的電路上,兩種情況下哪盞燈泡亮些?為什么?
分析:要判斷兩燈的亮與暗,只要比較二燈的實際功率大小就可以了.
解:并聯時,每盞燈的實際電壓均為220伏,則其實際功率就等于燈的額定功率,因此可直接判斷出燈L1比燈L1亮.
串聯時,因每盞燈兩端的電壓均小于220伏,所以兩燈均不能正常發光,根據例1的結果知道,燈L1的電阻R1大于燈L2的電阻R2,又因為兩盞燈串聯,所以通過它們的電流一樣大.因此可根據P=UI=I2R判斷出P1>P2,L1這盞燈亮些.
例題小結:在并聯電路中,電阻大的用電器消耗電功率小;在串聯電路中,電阻大的用電器消耗的電功率大.
例4:標有"6V3W"的小燈泡能不能直接接到9伏的電源上?若要使小燈泡接上后正常發光,應怎么辦?
分析:學生根據已有的知識不難判斷,因為9伏已大于燈泡的額定電壓6伏,如果直接接上去,因實際功率比額定功率大得多,燈泡會燒壞,所以不能直接接入.若要接,應和燈泡串聯一個電阻R再接入,讓電阻R分擔3伏的電壓.
解:不能直接接入.應和一個阻值是R的電阻串聯后再接入.
I=I額=P額/U額=3瓦/6伏=0.5安.
R=(U-U額)/I=(9伏-6伏)/0.5安=6歐.
討論此題還有哪些方法求R.
例題小結:當加在用電器兩端的實際電壓比額定電壓大許多時,用電器可能會燒壞,應和它串聯一個電阻再接入.
探究活動
【課題】觀察比較兩只燈泡燈絲的粗細,判斷額定功率的大小.
【組織形式】學生分組或個人
【活動方式】
1.提出問題
關鍵詞:潛油電泵機組 空載試驗 負載試驗 負載率曲線 運行效率
潛油電泵機組在配套時為了保證一定的安全系數往往選用稍大的潛油電機。生產單位技術人員選擇電機時一般以安全系數為重點,經營和銷售人員一般以成本考慮為第一位。傳統的經驗認為過大的功率配置即“大馬拉小車”會造成電能的浪費,本文擬從潛油電機不同負載率下的效率計算進行潛油電泵電機的科學的功率匹配。
1.潛油電機功率的選擇
但為了保證安全性,技術人員一般加大20%的安全系數甚至更高,過大的功率不僅造成電機成本的增加,而且連帶變壓器、控制柜整體成本大量的增加,變壓器、變頻器容量的選擇為≥1.732×電機功率。
2.潛油電機負載率的計算
2.1.電機效率與電機負載率
首先必須明確的是兩個概念:電機效率和電機負載率。電機效率是指電機輸入能量和輸出能量的比值。即P2/P1。對電動機(包括潛油電機)來講就是輸出的機械軸功率(在英文的資料上一般稱為Horse Power)與輸入電功率(外文資料一般稱為kilowatt)的比值。這里必須強調的是在國家標準單位制中二者的單位雖然都是千瓦,但其物理意義是截然不同的,也是在使用中必須加以嚴格區分的。尤其是在為國外電泵機組配套的資料中必須嚴格區分。電機負載率是指電機負載功率與額定負載功率的比值。顯然負載率為1時即表示電機的額定狀態,為0時即表示電機的空載狀態。不同的負載率對應于不同的電機效率。這樣形成一個函數關系η=f(K)。其中k∈[0,1]。
2.2.不同負載率下電機效率的計算。
對潛油電機而言由空載試驗和負載試驗可得出電機的P0值確定A;由帶泵負載可以得出PrN的值確定B。就可以繪制出電機的效率––負載率關系曲線η=f(K)了。
3.效率——負載率關系曲線的應用
通過對異步電機的計算發現電機的效率最高點有時并不是出現在額定負載點時,并且在電機負載率小于1的一段范圍以內電機的效率變化并不大,這就為潛油電泵系統中電機的優化選擇提供了一定的范圍。以YQY116––43kW/950V電機為例:該電機空載損耗大約5kW,額定狀態時定子銅耗為4.4kW、轉子銅耗5.51kW、雜散損耗0.22kW。通過上面的公式計算得A=0.1152、B=0.2234。因此:
將不同負載率帶入公式得到其效率––負載率曲線如下圖所示:
通過上表不難看出,該電機效率的最高點并不是在額定負載時,而是在負載率為0.7左右時之間。并且在負載率在0.5~1之間變化時其效率變化小于1.3%,在這一范圍內可以說電機的效率保持相對的穩定。
所以對于潛油電泵系統來講。效率——負載率關系曲線應用主要可應用在以下幾個方面:
3.1.選井選泵。
在一般情況下如何既保證系統的安全系數,又保證系統在高效區運行是潛油電泵系統選井選泵程序的最根本要求。在已經確定所使用的離心泵之后確定電機功率必須要考慮以下幾方面的因素:(1)分離器、保護器和其他可能消耗功率的設備所需要的功率 ;(2)保證泵在發生異常情況時所需要的過載功率;如不同含水率時的原油粘度變化而引起泵功率的增加;(3)系統安全系數。這樣對于不同的電機,通過計算負載率——效率曲線就可掌握電機的高效運行范圍。按照一般的經驗對于井況穩定的油井可選用比較小的安全系數(即選擇功率相差不大的電機)以降低系統的投資費用。對于井況相對復雜的油井也可在電機的選擇時兼顧系統經濟運行的同時選擇盡量大的安全系數。
3.2.潛油電泵井的工作狀況判斷。
在潛油電泵運行過程中由于井況的變化和發生的一些設備故障可能使電機的工作點發生變化,反映在現場一般是電機電流的變化。技術人員一般只憑經驗作出判斷。現場施工和日常管理中如何對這些變化作出定量的分析從而進一步提出定性的結論是潛油電泵井應用中目前還沒有解決的一個問題。解決這一問題的最根本途徑是通過綜合電機學和電工方面的理論計算方法,最好是建立一個比較完整的數學模型,目前還沒有文獻或者報道提出類似的問題和解決方法。但是潛油電機的效率——負載率曲線對于現場的判斷可以提供一定的幫助。
4.結論和建議
通過對潛油電機負載率的計算可以看出較大的功率配置并不會造成電能的浪費。
4.1.對于常規油井,潛油電機功率配置以120%-130%較為
合適,因為電流過載值一般設定為額定電流的120%。
4.2.對于稠油井,要進行黏度系數的校正,然后再以