小型水下航行體動力系統(tǒng)測試技術(shù)應(yīng)用研究

朱明駿

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小型水下航行體動力系統(tǒng)測試技術(shù)應(yīng)用研究

朱明駿

（海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 65000）

本文結(jié)合小型水下航行體動力電池組和推進電機組測試的要求，對小型水下航行體電動力系統(tǒng)的測試技術(shù)進行了探討。通過對電動力系統(tǒng)測試的技術(shù)，進而發(fā)展至與其他各系統(tǒng)仿真設(shè)備間的有機融合，實現(xiàn)在陸上進行小型水下航行體全產(chǎn)品測試，進而對故障的準(zhǔn)確診斷，保證產(chǎn)品試驗驗證的充分性和有效性。

電動力系統(tǒng)推進電機組動力電池組測試技術(shù)

0 引言

小型水下航行體的電動力系統(tǒng)包括動力電池組和推進電機(含電機控制器)(以下簡稱推進電機組)，是航行體的重要組成部分。推進電機組作為機電能量轉(zhuǎn)換的功能組件，而動力電池組提供能源，其性能直接影響到小型水下航行體的航程和航速。由于航行體本身的體積、重量以及資源的限制，很難直接測量航行體在水下實際航行時系統(tǒng)的全部技術(shù)參數(shù)，只能得到部分技術(shù)參數(shù)。在航行體調(diào)試時，一般在陸上進行，動力系統(tǒng)不具備額定工況工作條件，參與全系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)是在空載或低載狀態(tài)下進行，電磁兼容性等差別較大，不能反映運行的真實狀態(tài)。因此，對電動力系統(tǒng)進行全工況測試，同時讓系統(tǒng)參加航行體全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成為必需解決的問題。

針對電動力系統(tǒng)的特點及測試要求，應(yīng)先分別對推進電機組、動力電池組測試，而后進行推進電機組和動力電池組聯(lián)合測試，最后進行電動力系統(tǒng)測試。在此基礎(chǔ)上，可進一步實現(xiàn)在陸上進行小型水下航行體全產(chǎn)品測試。

1 推進電機組的測試

小型水下航行體推進電機組的測試，主要是在功率試驗臺上進行功率試驗。推進電機功率試驗臺由供電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。

1.1 推進電機的負(fù)載選擇

在電機測試中，負(fù)載及測功設(shè)備一般采用電渦流測功機，也可采用風(fēng)扇測功機、水力測功機、電力測功機、功率吸收盤等。

電渦流測功機是利用電渦流效應(yīng)吸收被試電機輸出轉(zhuǎn)矩和功率，電渦流測功機的感應(yīng)盤在被被試電機帶動旋轉(zhuǎn)時，氣隙磁密隨感應(yīng)盤的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性變化，在測功機冷卻室表面及一定深度內(nèi)將產(chǎn)生渦流電勢，并產(chǎn)生渦流。該渦流所產(chǎn)生的磁場與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生制動力矩。電渦流測功機具有低慣量、高精度、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡單等特點，并且功率范圍也較寬，轉(zhuǎn)速較高，響應(yīng)速度較快，是目前動力機械測試主要使用的測功機之一。針對新型推進電機為中小型電機且功率變化范圍大的特點，一般選擇電渦流測功機作為電機測試負(fù)載。

電機負(fù)載系統(tǒng)主要由電渦流測功機、安裝底座組成。如圖1。

圖1 　負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　推進電機測控系統(tǒng)配置

小型水下航行體推進電機在運行時不僅電樞與磁系統(tǒng)相對旋轉(zhuǎn)，而且電樞與磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與功率可以相互轉(zhuǎn)換，因此在配置測試系統(tǒng)時采用對電渦流測功機分別控制的方式。電機測控系統(tǒng)包括測控微機、測控軟件、傳感器、測控執(zhí)行部件以及電渦流測功機控制器等。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2。

圖2 電機測控系統(tǒng)構(gòu)成框圖

如圖2，被試電機內(nèi)外軸和負(fù)載的連接采用直接連接方式，而不通過其他的傳動系傳遞以減少傳動損耗。這樣保證了被測電機在低功率段測試的準(zhǔn)確性。

電機測控系統(tǒng)可以測量被試電機的輸入電壓、電流、內(nèi)外軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，根據(jù)實測量計算內(nèi)外軸各自的輸出功率、電機輸出功率、電機效率、內(nèi)外軸失衡力矩等主要參數(shù)。

電機測控系統(tǒng)還具有擴展的空間以備通過網(wǎng)絡(luò)與航行體其他系統(tǒng)的仿真設(shè)備和檢測設(shè)備間的通訊，以期在陸上實現(xiàn)航行體的全產(chǎn)品檢測和仿真。

2　動力電池組的測試

對于動力電池組的測試，除按電池有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試外，還應(yīng)針對航行體的使用條件和要求進行試驗測試。主要包括對電池組的安全性和容量進行測試。

小型水下航行體對動力電池組的安全性要求，主要考慮電池組在濫用和極端條件下的安全性。當(dāng)電池單體出現(xiàn)泄放，甚至燃燒時，不影響其他單體電池，這樣就能保證整組動力電池組以至于航行體的安全性。此外，作為水下使用的設(shè)備，還應(yīng)考慮電池組在水中浸泡等極端條件下的安全性。因此安全性試驗應(yīng)重點針對這些方面要求進行測試。

對動力電池組的容量測試主要采用把動力電池組接入放電負(fù)載，按技術(shù)要求進行恒流或恒功率放電。負(fù)載一般采用水電阻、電阻絲等方式，也可以采用大功率的電子負(fù)載、回饋負(fù)載等方式。

3　推進電機組和動力電池組的聯(lián)合測試

由于推進電機組、動力電池組單獨測試時，有一定的局限性。一是動力電池組容量測試時采用的負(fù)載與電機作為負(fù)載有差別，特別在電機啟動和停止時對動力電池組電路有一定沖擊作用；二是推進電機組單獨測試使用發(fā)電機組或穩(wěn)壓電源供電，其輸出特性與動力電池組有差別。同時，動力電池組與推進電機組匹配進行功率試驗，可進一步驗證兩者設(shè)計額定工作點的匹配協(xié)調(diào)性，保證動力系統(tǒng)的輸出功率和效率。因此，對推進電機組、動力電池組分別測試后，應(yīng)按航行體動力系統(tǒng)的要求，將動力電池組與推進電機組匹配，在陸上功率試驗臺上聯(lián)合進行全航程功率試驗測試。隨著水下航行體向長航時發(fā)展，要保證連續(xù)不間斷試驗，對功率試驗臺的可靠性也提出了更高要求。

4　電動力系統(tǒng)的測試

推進電機組在單獨測試及與動力電池組聯(lián)合測試時，采用的負(fù)載為測功機。測功機一般采用恒轉(zhuǎn)速或恒轉(zhuǎn)矩控制方式，模擬某個工作點的負(fù)載特性，很難模擬實際負(fù)載推進器的負(fù)載特性曲線。在電機啟動、調(diào)速中，過渡過程無法進行有效的考核驗證。要解決這個問題，必須帶航行體推進器實際負(fù)載進行功率試驗。同時，電動力系統(tǒng)額定工況相比空載或低載狀態(tài)下，與航行體其他系統(tǒng)的電磁兼容性影響差別較大，這也要求電動力系統(tǒng)在額定工況與其他系統(tǒng)匹配調(diào)試試驗。由于條件限制，該項測試目前在業(yè)內(nèi)尚未形成較為成熟的試驗測試方法。

針對小型水下航行體的特點，可采用全產(chǎn)品試車水箱進行測試。目前，全產(chǎn)品試車水箱對于低速小尺度航行體基本能滿足試驗要求。但隨著航速增加，水箱中的水流附加阻力增大，導(dǎo)致動力系統(tǒng)增加額外輸出功率，使測試出現(xiàn)較大差異，甚至可能損傷動力系統(tǒng)。為此，應(yīng)考慮改進全產(chǎn)品試車水箱。改進后的全產(chǎn)品試車水箱由環(huán)形水箱、輔助電機及調(diào)速器、輔助螺旋槳、密封卡環(huán)以及支撐架組成，如圖3所示。

1-產(chǎn)品；2-支撐架及綁帶；3-密封連接法蘭；4-水箱；5-輔助螺旋槳；6-輔助電機；7-輔助電機變頻調(diào)速器

全產(chǎn)品試車水箱是一個密封的環(huán)形水箱，如圖4所示。水箱上的產(chǎn)品安裝孔直徑大于φ533mm，通過密封法蘭將水箱與產(chǎn)品密封 (密封法蘭與產(chǎn)品的接觸面、密封法蘭與水箱的接觸面均為橡膠密封圈)。試驗時先將密封法蘭安裝到產(chǎn)品上，再把產(chǎn)品吊裝至水箱安裝孔，用螺栓把密封法蘭壓緊在水箱上后，用支撐架支撐住產(chǎn)品。此時可向水箱進水進行試驗。

試驗時，先起動輔助電機(件5)，然后起動推進電機組。用流速計測量水箱中的水流速度。通過實航試驗時測得的數(shù)據(jù)來修正水箱中水的流速與產(chǎn)品在實航中的實際航速的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)節(jié)輔助電機(件5)是水箱中的水流速度滿足產(chǎn)品實航時的速度。此時的電機組的功率與電池組的放電電流就基本上與實際航行時一致，可以對整個系統(tǒng)進行測試。

圖4 　全產(chǎn)品試車水箱工作原理示意圖

利用試車水箱可以實現(xiàn)讓系統(tǒng)參與全產(chǎn)品的聯(lián)調(diào)，對產(chǎn)品故障進行診斷。對于自航式水雷、誘餌這一類航行時間超長的產(chǎn)品來說，在陸上進行產(chǎn)品的全航程試驗是十分必要的。利用試車水箱還可以進行產(chǎn)品全航程試驗，這樣既降低了實航試驗的風(fēng)險，也大大節(jié)約時間減少了成本。

4 結(jié)束語

在小型水下航行體重量、空間、資源受限的情況下，發(fā)展陸上測試技術(shù)無論對系統(tǒng)本身還是產(chǎn)品的其他系統(tǒng)都是十分必要的。隨技術(shù)水平的提高，對電動力系統(tǒng)分階段逐步開展測試，能有效的對產(chǎn)品進行充分驗證。在此基礎(chǔ)上，電機測控系統(tǒng)與航行體其他系統(tǒng)的仿真設(shè)備和檢測設(shè)備有機融合，可實現(xiàn)在陸上對小型水下航行體的全產(chǎn)品檢測和仿真。隨著UUV、魚雷、自航水雷、誘餌等小型水下航行體向遠航程、長航時發(fā)展，實航試驗將越來越困難，在陸上進行充分試驗已成為趨勢，按此方法在陸上進行試驗測試可有效解決這一難題。

[1] 劉建國. 交流電力測功機及其控制系統(tǒng)研究.湖南大學(xué)碩士論文.

[2] 徐伯雄,竇玉琴. 電機測量.北京: 清華大學(xué)出版社

[3] 謝順依,劉小虎. 魚雷推進電機斬波調(diào)速裝置研究．水中兵器論文集，2004（增刊）: 119-123.

[4] 戴維.林登,托馬斯B.雷迪著, 汪繼強等譯.電池手冊,原著第三版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社.

Electric Power System Testing Technologies of Small Underwater Vehicles

Zhu Mingjun

（Naval Representatives office in Kunming, Kunming 650000, China）

TM91

A

1003-4862（2013）12-0024-03

2013-05-09

朱明駿(1971-)，男，高級工程師。專業(yè)方向：水中兵器。