燃油加注計(jì)量過程的變頻控制技術(shù)

上海自儀公司為改善傳統(tǒng)加油方式的不足，提高泵送效率、壓力穩(wěn)定性和加油準(zhǔn)確度，減少泵送過程中的過沖量，抑制水擊現(xiàn)象，本文應(yīng)用變頻技術(shù)的新型加油方式對(duì)傳統(tǒng)加油方式進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)容積式流量計(jì)的流量誤差特性曲線進(jìn)行分析，提出了運(yùn)用變頻技術(shù)控制流量，減小誤差，提高加油準(zhǔn)確度的方法。

加油機(jī)加注過程中的壓力穩(wěn)定性和加油準(zhǔn)確度是衡量加油機(jī)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的加油模式下，雙閥結(jié)構(gòu)會(huì)增加管路壓降，產(chǎn)生水擊效應(yīng)，增大過沖量，降低加油準(zhǔn)確度。對(duì)傳統(tǒng)燃油加油機(jī)存在的弊端，本文提出引入變頻技術(shù)的新型加油模式。通過變頻技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到控制流量的目的，并對(duì)容積式流量計(jì)誤差特性曲線進(jìn)行分析，得到非常佳流速范圍，實(shí)現(xiàn)減小能源損耗、保證泵送過程的壓力穩(wěn)定性，提高加油準(zhǔn)確度的目的。

一、基于變頻技術(shù)的新型加油方式

變頻調(diào)速通過改變供給電動(dòng)機(jī)電源的頻率值達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速原理，可以從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程中得出

n=60f（1-s）/p （1）式中：n——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f——異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。由式（1）可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的定子供電頻率 f，即可平滑調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n。由于轉(zhuǎn)子是跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)的，當(dāng)頻率 f 在 0~50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的范圍非常寬。

變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。變頻模式下加油機(jī)的系統(tǒng)組成如圖 1 所示，在變頻加油模式下，編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)可以反映加油時(shí)油液流量的大?。还试诓煌瑩跷患佑蜁r(shí)，流量不同使得編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)不同，由控制電路檢測(cè)編碼器的脈沖數(shù)判斷加油流量，從而選取合適的電機(jī)頻率帶動(dòng)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出合適的油液流量。變頻器和流量測(cè)量變換器的結(jié)合可以代替電磁閥在加油機(jī)中的作用，不需要再通過電磁閥的開閉控制流量，因此可以在保證加油準(zhǔn)確度的同時(shí)，將電磁閥的雙閥改成單閥甚至去掉電磁閥。圖 2 表示簡(jiǎn)化后的單電磁閥在大、中擋位下加油的脈沖曲線，可看出經(jīng)過優(yōu)化之后水擊現(xiàn)象得到很好改善。相較于傳統(tǒng)的加油方式，變頻加油模式優(yōu)化了加油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮小了成本，并且在降低能耗、提高部件使用壽命和提高加油準(zhǔn)確度方面有著顯著的優(yōu)越性。提起油槍但未開始加油時(shí)，變頻技術(shù)能保證電機(jī)在較低頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)；加油后期通過改變電機(jī)頻率來(lái)改變泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以較低流量將油液泵進(jìn)車內(nèi)，減小對(duì)電磁閥的沖擊，抑制水擊效應(yīng)，同時(shí)也可以保證加油機(jī)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

二、容積式流量計(jì)誤差曲線分析

加油機(jī)中使用的流量測(cè)量變換器一般為容積式流量計(jì)，也叫作定排量流量計(jì)，其測(cè)量準(zhǔn)確度高，在石油類流體測(cè)量中廣泛應(yīng)用。容積式流量計(jì)存在一個(gè)誤差特性曲線，其實(shí)際流量與示值流量之間存在誤差。容積式流量計(jì)的基本誤差可用式（2）表示：式中：l——流量計(jì)示值；V——通過流量計(jì)的實(shí)際值。

在測(cè)量實(shí)際流量時(shí)，通過流量計(jì)的實(shí)際值 V 一般是未知的，常用示值相對(duì)誤差即式（3）來(lái)表示：式中：I——流量計(jì)累計(jì)示值；V——通過流量計(jì)的實(shí)際值。

假設(shè)流量計(jì)測(cè)量元件周期動(dòng)作一次能送出的流體量為 v，在 t 時(shí)間內(nèi)流量計(jì)動(dòng)作次數(shù)為 N，則 t 時(shí)間內(nèi)通過流量計(jì)的流體總

量 V 可用式（4）表示：V=Nv（4）這是在理想情況下通過流量計(jì)的實(shí)際值，但容積式流量計(jì)除了濕式氣體流量計(jì)之外，會(huì)存在漏流現(xiàn)象。為得到實(shí)際誤差曲線，現(xiàn)假設(shè)通過間隙的漏流量為 Δq，當(dāng)以流量 q v 通過流量計(jì)的流體總量為V 時(shí)，通過間隙漏過流量計(jì)的總漏流量為當(dāng)容積式流量計(jì)存在漏流現(xiàn)象時(shí)，實(shí)際通過流量計(jì)的流體總量為V=Nv+ΔV （6）在 t 時(shí)間內(nèi)流量計(jì)測(cè)量元件動(dòng)作 N 次，通過齒輪機(jī)構(gòu)將測(cè)量元件的動(dòng)作傳遞到指示機(jī)構(gòu)，使刻度盤上的指針走動(dòng)以顯示通過流量計(jì)流體體積，故通過流量計(jì)的顯示值 I 和 N、齒輪比常數(shù) a 的關(guān)系為I=aN（7）整理得得到實(shí)際誤差表達(dá)式為由式（9）可知，流量計(jì)實(shí)際誤差與計(jì)量室空間的容積v、齒輪比常數(shù)a、漏油量Δq以及流量q v 有關(guān)。容積式流量計(jì)誤差曲線如圖 3 所示：曲線 1 為理想的誤差特性曲線，由于漏流現(xiàn)象，實(shí)際誤差曲線更接近曲線 2、曲線 3 以及曲線 4。從實(shí)際誤差曲線可以看出，當(dāng)流量較小時(shí)，誤差會(huì)隨著流量的減小而增大，實(shí)際誤差曲線急劇向負(fù)方向傾斜；隨著流量的增加，誤差曲線逐漸正向移動(dòng)并穩(wěn)定在一值，當(dāng)流量過大時(shí)，又向負(fù)方向傾斜。通過對(duì)容積式流量計(jì)誤差特性曲線進(jìn)行分析，得出存在一個(gè)非常佳流量范圍，使得流量計(jì)的誤差非常小。根據(jù)誤差特性曲線計(jì)算出在誤差非常小時(shí)的流量范圍，結(jié)合變頻技術(shù)可以調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，控制泵的轉(zhuǎn)速使得油液以非常佳流量泵入車內(nèi)，可以提高加油準(zhǔn)確度。

三、變頻模式下加油機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試

1. 壓力穩(wěn)定性測(cè)試

本文從泵送過程中壓力穩(wěn)定性和加油準(zhǔn)確度兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)傳統(tǒng)加油方式和基于變頻技術(shù)的新型加油方式進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)加油模式下和變頻模式下壓力隨時(shí)間變化的曲線。

在傳統(tǒng)模式下，電磁閥門的突然閉合使流速突然降低，流量沖擊電磁閥門導(dǎo)致壓力在泵送過程出現(xiàn)兩個(gè)尖端脈沖，瞬時(shí)壓力遠(yuǎn)大于其他時(shí)刻的壓力，形成水擊現(xiàn)象，增加管路的壓降。采用變頻技術(shù)可以對(duì)流量速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過單電磁閥使管路中的阻力減小，壓力在泵送過程中隨時(shí)間平滑下降，不會(huì)出現(xiàn)流速突然變化沖擊閥門的情況，提高了加油系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性，水擊現(xiàn)象得到明顯改善。

2. 加油準(zhǔn)確度測(cè)試

加油準(zhǔn)確度，即加油量的相對(duì)誤差，為實(shí)際加油量和顯示加油量的相對(duì)誤差。已知傳統(tǒng)加油方式通過控制閥門開度控制流速，引入變頻技術(shù)的新型加油機(jī)通過改變變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)流速。實(shí)驗(yàn)室采用定量加油的方法，計(jì)算兩種加油方式在不同流量下的加油準(zhǔn)確度，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并畫出兩種加油方式的準(zhǔn)確度曲線如圖 5 所示。通過對(duì)比新型加油模式和傳統(tǒng)加油模式下的相對(duì)誤差可以看出，在引入變頻技術(shù)的新型加油模式下，加油機(jī)在不同流量下加油，加油準(zhǔn)確度優(yōu)于傳統(tǒng)加油模式。在傳統(tǒng)加油模式下，相對(duì)誤差主要是由過沖量引起。新型加油方式由于引入了變頻技術(shù)，隨著流速的變化來(lái)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到所需油量，減小過沖量，因此可以獲得非常精確的超調(diào)控制，相較于傳統(tǒng)的加油方式，可以提高加油準(zhǔn)確度。同時(shí)，可以得出流量誤差特性曲線的非常佳流量大概在38L/min 左右，此時(shí)相對(duì)誤差接近零，加油準(zhǔn)確度達(dá)到非常高。

四、結(jié)論

與傳統(tǒng)加油模式相比，引入變頻技術(shù)的新型加油方式可以消除過沖量，提高加油準(zhǔn)確度。由于可取消傳統(tǒng)加油模式用來(lái)控制過沖量的雙流量電磁閥，上海自儀公司減少了加注過程中的壓力損失，從而抑制了定量加注過程中電磁閥關(guān)斷引起的水擊效應(yīng)。