交流電力測(cè)功機(jī)在負(fù)荷拖車上的應(yīng)用

熊祖品 張亞 謝亞玲

XIONG Zu-pin et al

中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 400039

1 前言

負(fù)荷拖車作為一種現(xiàn)代化的車輛測(cè)試設(shè)備，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于車輛的牽引特性、整車熱平衡、爬坡性能、制動(dòng)性能、整車標(biāo)定等車輛測(cè)試領(lǐng)域。測(cè)功機(jī)是負(fù)荷拖車功率吸收裝置，其工作特性直接決定了負(fù)荷拖車的工作特性[1]。目前，用于負(fù)荷拖車上的測(cè)功機(jī)主要有電渦流測(cè)功機(jī)、液粘測(cè)功機(jī)、直流電力測(cè)功機(jī)等。與上述測(cè)功機(jī)相比，本文介紹的交流電力測(cè)功機(jī)具有低速恒轉(zhuǎn)矩高速恒功率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高、冷卻效果好、全程連續(xù)加載、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，其在負(fù)荷拖車上的應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)前景。

2 負(fù)荷拖車工作原理及構(gòu)成

負(fù)荷拖車亦稱測(cè)功車，其主要由加載控制、動(dòng)力吸收裝置(測(cè)功機(jī))、試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)的車輛道路試驗(yàn)設(shè)備[2]。試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷拖車與被試車組成試驗(yàn)系統(tǒng)，通過對(duì)被試車施加穩(wěn)定的、可精細(xì)調(diào)節(jié)的任意負(fù)荷或牽引力，實(shí)時(shí)測(cè)量行駛中被試車的牽引力等表征被試車動(dòng)力性能有關(guān)的各種參數(shù)[3]。

2.1 負(fù)荷拖車工作原理

負(fù)荷拖車通過裝有拉壓力傳感器的剛性牽引桿與被試車實(shí)現(xiàn)剛性連接。當(dāng)試驗(yàn)中負(fù)荷拖車由被試驗(yàn)車牽引前進(jìn)時(shí)，被試車牽引功率通過負(fù)荷拖車的前牽引掛接系統(tǒng)、輪胎和加載傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到測(cè)功機(jī)，測(cè)功機(jī)把原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能或電能，從而實(shí)現(xiàn)吸功作業(yè)。當(dāng)試驗(yàn)中負(fù)荷拖車牽引被試驗(yàn)車前進(jìn)時(shí)，負(fù)荷拖車牽引功率通過測(cè)功機(jī)、加載傳動(dòng)系統(tǒng)（或直接通過底盤車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)）、后牽引掛接系統(tǒng)、負(fù)荷拖車牽引桿傳遞至被試車，被試車對(duì)自身車輪施加制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過輪胎與地面作用產(chǎn)生制動(dòng)阻力。測(cè)功機(jī)施加的負(fù)荷或牽引力可根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)連續(xù)控制調(diào)節(jié)，以滿足各種適用車型不同的試驗(yàn)需要。

2.2 負(fù)荷拖車構(gòu)成

負(fù)荷拖車主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：前后牽引掛接系統(tǒng)、底盤車、發(fā)電機(jī)組、加載傳動(dòng)系統(tǒng)、電力測(cè)功機(jī)、散熱系統(tǒng)、車廂等。負(fù)荷拖車主要系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

3 交流電力測(cè)功機(jī)工作原理及主要構(gòu)成

3.1 工作原理

交流電力測(cè)功機(jī)使用交流異步電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換元件，以轉(zhuǎn)矩形式為承載被試件加載（或驅(qū)動(dòng)），通過交流傳動(dòng)（變頻器）對(duì)加載轉(zhuǎn)矩（或轉(zhuǎn)速）進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)承載被試件所帶機(jī)械負(fù)載（或動(dòng)力）的模擬，它同時(shí)具有測(cè)功機(jī)（加載）和電動(dòng)機(jī)（驅(qū)動(dòng)）兩種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)多種傳統(tǒng)測(cè)功器無法完成的測(cè)控方案，如能耗吸收、轉(zhuǎn)化電能回饋負(fù)荷拖車電路、加載、驅(qū)動(dòng)、慣量模擬等[4]。

當(dāng)交流電力測(cè)功機(jī)處于加載工作模式時(shí)，測(cè)功機(jī)工作的能量由發(fā)電機(jī)組發(fā)電提供，測(cè)功機(jī)將被試車產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)于負(fù)荷拖車電路系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化的熱能通過空氣散發(fā)；當(dāng)交流電力測(cè)功機(jī)處于驅(qū)動(dòng)工作模式時(shí)，測(cè)功機(jī)工作的能量由發(fā)電機(jī)組發(fā)電提供，測(cè)功機(jī)將機(jī)械能傳遞給被試車，被試車對(duì)自身車輪施加制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)化的熱能通過空氣散發(fā)。

3.2 主要構(gòu)成

交流電力測(cè)功機(jī)主要由帶有扭矩測(cè)量法蘭和旋轉(zhuǎn)編碼器的交流異步電機(jī)、變頻驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。典型的交流電力測(cè)功機(jī)主要系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

4 交流電力測(cè)功機(jī)的工作特性

交流電力測(cè)功機(jī)有恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速和恒功率變頻調(diào)速兩個(gè)轉(zhuǎn)速工作區(qū)域[5]。恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速工作區(qū)能保持調(diào)速前后測(cè)功機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不變[6]。恒功率變頻調(diào)速工作區(qū)能保持調(diào)速前后異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持不變[6]。

由異步電機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系公式：

式中， E1為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；Rr1為與繞組有關(guān)的結(jié)構(gòu)常數(shù)； f1為定子頻率；N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；Φm為每極氣隙磁通量。

由于電機(jī)輸入電壓 U1不能大于電機(jī)額定電壓 Un，否則會(huì)燒壞繞組。因此，當(dāng)改變后的頻率大于電機(jī)的額定頻時(shí)，即在基頻以上調(diào)速的情況下， U1最大只能等于 Un，這樣隨著 f1的上升，每極氣隙磁通量就減弱，最大輸出扭矩就減小，輸出功率基本不變，屬于恒功率變頻調(diào)速，其功率-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3所示。

同樣，每極氣隙磁通量 Φm也不能大于額定的氣隙磁通量，否則會(huì)產(chǎn)生過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因勵(lì)磁電流過大而燒壞電機(jī)。因此，當(dāng)改變后的頻率小于電機(jī)額定頻率時(shí)，即在基頻以下調(diào)速時(shí) Φm最大只能等于額定的U氣隙磁通量，這樣隨著 f1的下降，電機(jī)輸入電壓 U1同步下降 為常數(shù)，這時(shí)每極氣隙磁速特性曲線如圖3所示。

5 交流電力測(cè)功機(jī)特點(diǎn)

交流電力測(cè)功機(jī)用于負(fù)荷拖車上具有以下特點(diǎn)。

a. 節(jié)能。電渦流測(cè)功機(jī)、液粘測(cè)功機(jī)的基本原理是將被試件產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，由相關(guān)介質(zhì)冷卻后把熱量帶走，被試件發(fā)出的能量不能回收，轉(zhuǎn)換過程中亦需耗費(fèi)能量。而交流電力測(cè)功機(jī)可以把被試件產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。

b. 加載與驅(qū)動(dòng)雙工作模式。交流電力測(cè)功機(jī)可以在轉(zhuǎn)速到0 r/min時(shí)依然可以提供足夠的加載能力，其加載特性為零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性，完全符合汽車運(yùn)行時(shí)的負(fù)載特性；另外，交流電力測(cè)功機(jī)可以作為動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)被試件，可模擬進(jìn)行制動(dòng)性能試驗(yàn)等。

c. 瞬態(tài)加載特性。由于交流電力測(cè)功機(jī)應(yīng)用矢量控制技術(shù)，其加載反應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)。

d. 緊急保護(hù)特性。交流電力測(cè)功機(jī)本身具有過流、斷相等保護(hù)功能，配合控制系統(tǒng)的超速保護(hù)功能，有效地避免了因被試件故障而引起的測(cè)功機(jī)損壞和原動(dòng)機(jī)故障的擴(kuò)大。

e. 電磁騷擾特性。采用交流電力測(cè)功機(jī)，將增加負(fù)荷拖車測(cè)試系統(tǒng)的電磁騷擾影響，應(yīng)采取措施提高其電磁騷擾特性，如信號(hào)隔離、采用屏蔽線傳感器等。

f. 高壓電安全。采用交流電力測(cè)功機(jī)，將帶來高電壓和高電流的使用安全問題，需對(duì)負(fù)荷拖車上的交流電力測(cè)功機(jī)制定安全的用電保護(hù)措施，如安裝漏電自動(dòng)保護(hù)開關(guān)、保護(hù)接地等[7]。

6 結(jié)語

經(jīng)過以上研究分析可知，與傳統(tǒng)的電渦流測(cè)功機(jī)、液粘測(cè)功機(jī)、直流電力測(cè)功機(jī)等相比，交流電力測(cè)功機(jī)用于負(fù)荷拖車具有廣闊的運(yùn)用前景。目前，安裝交流電力測(cè)功機(jī)的負(fù)荷拖車已完成設(shè)計(jì)開發(fā)，即將進(jìn)入樣車試制階段。

[1] 王天穎.基于液粘測(cè)功機(jī)的負(fù)荷車特性與試驗(yàn)方法研究[D].北京理工大學(xué),2007.

[2] 雷飛東,王天穎,趙云峰.負(fù)荷拖車的新型測(cè)功系統(tǒng)[J].汽車技術(shù),2005(02):18-20.

[3] 周希軍.汽車試驗(yàn)負(fù)荷拖車的研制[D].南京理工大學(xué),2009.

[4] 周臘吾,張桂香,曾利權(quán).交流電力測(cè)功機(jī)的方案研究[J].電機(jī)技術(shù),2004(01):32-35.

[5] 劉磊.交流電力測(cè)功機(jī)控制器的研究與開發(fā)[D].北京交通大 學(xué),2010.

[6] 劉建國.交流電力測(cè)功機(jī)及其控制系統(tǒng)研究[D].湖南大學(xué),2004.

[7] 戴海峰,張曉龍,魏學(xué)哲.電動(dòng)汽車高壓電安全分析及防護(hù)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化,2013(01):53-59.