大功率車載電機(jī)通用試驗平臺構(gòu)建

趙波，梁靖聰

（1.北京市特種設(shè)備檢測中心，北京 100029；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072）

大功率車載電機(jī)通用試驗平臺構(gòu)建

趙波1，梁靖聰2

（1.北京市特種設(shè)備檢測中心，北京 100029；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072）

針對車載起動電動機(jī)及發(fā)電機(jī)功率大、型號多、通用檢測設(shè)備缺乏的情況，綜合運(yùn)用計算機(jī)控制、變頻調(diào)速、電機(jī)拖動、磁粉制動等技術(shù)，模擬實車工作環(huán)境，構(gòu)建車載起動電動機(jī)和發(fā)電機(jī)通用試驗平臺。該平臺能夠滿足多種型號車載起動電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的性能檢測需求，節(jié)省了檢測資源，提高了檢測效率。

起動電動機(jī)；發(fā)電機(jī)；試驗平臺；檢測

對于一些特種車輛，它們的特點是發(fā)動機(jī)功率大、車載用電設(shè)備多，其車載發(fā)電機(jī)和起動電動機(jī)功率都很大，且安裝于汽車動力艙，拆裝復(fù)雜，如出現(xiàn)故障難以迅速修復(fù)，對整車性能影響極大。本文提出的大功率車載電機(jī)通用試驗平臺構(gòu)建方案，能夠模擬不同型號發(fā)電機(jī)和起動電動機(jī)的工作環(huán)境，在電機(jī)裝車前完成性能檢測，有效防范車輛使用過程中由發(fā)電機(jī)和起動電動機(jī)突發(fā)故障造成的不良后果。

1 試驗平臺總體設(shè)計方案

本試驗平臺主要由PXI總線測控主機(jī)、發(fā)電機(jī)控制箱、可控負(fù)載箱、發(fā)電機(jī)臺架、起動機(jī)控制箱、程控電源和起動機(jī)臺架等部分組成，下面詳細(xì)介紹各個模塊的主要結(jié)構(gòu)及作用。（1）PXI總線測控主機(jī)：該部分主要由工控機(jī)、操作面板、適配器和電源箱四部分組成，內(nèi)置有高速PCI數(shù)據(jù)采集卡，可以針對不同的檢測功能來設(shè)置相應(yīng)適配器，是整個平臺的控制核心。（2）發(fā)電機(jī)控制箱：箱內(nèi)主要有變頻器調(diào)速系統(tǒng)、濾波器、接觸器及一些開關(guān)等組成，主要利用變頻調(diào)速技術(shù)對電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。（3）可控負(fù)載箱：該箱充當(dāng)車輛儀表儀盤等用電設(shè)備的作用，能夠調(diào)節(jié)負(fù)載大小，另外與發(fā)電機(jī)接通形成回路。（4）發(fā)電機(jī)臺架：臺架上有能夠安裝不同型號發(fā)電機(jī)的可伸縮式固定結(jié)構(gòu)，加有轉(zhuǎn)速傳感器實時監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將產(chǎn)生的電壓接入可控負(fù)載箱得到數(shù)據(jù)化的顯示。

2 起動電動機(jī)檢測平臺設(shè)計

2.1 起動電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

現(xiàn)代車輛的起動系統(tǒng)主要由起動電動機(jī)、控制機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成，直流電動機(jī)具有起動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化快等優(yōu)點，因此非常適合拖動運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備。直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

在上述方程中，J 為轉(zhuǎn)動慣量，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Cf為粘滯摩擦轉(zhuǎn)矩，Tf為干摩擦轉(zhuǎn)矩，?為電機(jī)角速度，C 為電機(jī)常數(shù)，La為電樞電感，Ra為電樞等效電阻，ia為電樞電流，ua為電源電壓。由上式得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

2.2 起動機(jī)性能測試原理

由上節(jié)（3）式可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流成反比關(guān)系，又有φΦ=C'?I ，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速電流特性呈雙曲線形式。電機(jī)起動初始，負(fù)載電流很大，磁路飽和，反電動勢不可忽略。轉(zhuǎn)速會隨時間增長而逐漸降低，電機(jī)制動過程中，轉(zhuǎn)速一直降到零，n(I)。

當(dāng)磁極鐵芯處于欠飽和狀態(tài)時，磁通與電樞電流成正比，知轉(zhuǎn)矩公式為：M=C·φ·I，所以有M = C'?C?I2= Cd?I2，即轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線形式。

由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性曲線可知，起動機(jī)轉(zhuǎn)速很高時，電流會很小。隨著電機(jī)軸承、電刷及傳動機(jī)構(gòu)存在摩擦力的作用，起動機(jī)的性能會漸進(jìn)式的劣化，表現(xiàn)出空載電流過大。此時就該注意維護(hù)保養(yǎng)。

3 發(fā)電機(jī)檢測平臺設(shè)計

（1）發(fā)電機(jī)檢測平臺總體方案設(shè)計。車輛電源系統(tǒng)一般由發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器、蓄電池以及一些輔助配電設(shè)備構(gòu)成，其中，發(fā)電機(jī)作為主供電電源，受發(fā)動機(jī)帶動，其轉(zhuǎn)速影響輸出發(fā)電功率；調(diào)壓器一方面將發(fā)電機(jī)所發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，另一方面起到穩(wěn)定輸出電壓的作用；蓄電池是輔助電源，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率不滿足用電設(shè)備的需求時，為用電設(shè)備提供電能。

發(fā)電機(jī)檢測平臺的總體設(shè)計思路是在模擬電源系統(tǒng)工作環(huán)境的情況下，給定不同的轉(zhuǎn)速條件，檢測發(fā)電機(jī)的各項性能指標(biāo)?；诖?，系統(tǒng)選擇380V交流動力電作為變頻器電源，由變頻器輸出控制拖動電機(jī)；拖動電機(jī)通過皮帶傳動帶動被測電機(jī)；被測電機(jī)產(chǎn)生的電能一方面通過給蓄電池充電釋放，另一方面消耗在大功率可調(diào)負(fù)載上；測控主機(jī)通過各繼電器與適配器對各部件進(jìn)行控制，同時采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓、負(fù)載電流等信號。

（2）拖動電機(jī)選擇。拖動電機(jī)是本檢測平臺的核心部件，用于帶動發(fā)電機(jī)、模擬實車狀況。為此，系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定、易于維護(hù)的三相異步電動機(jī)作為拖動電機(jī)。實際情況下，根據(jù)車型不同，車載發(fā)電機(jī)的額定功率及轉(zhuǎn)速也不盡相同，綜合主要車型，其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一般為3000～6000r/min，額定功率為3～10kW，額定扭矩為15～35N·m。由n=3000/P（n為同步轉(zhuǎn)速，P為磁極對數(shù)）可知，在工頻下拖動電機(jī)采用變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速均無法滿足本檢測平臺實驗需求，需采用變頻調(diào)速。調(diào)速時，由于調(diào)速頻率大部分時間大于額定頻率，應(yīng)保持輸入電壓不變，轉(zhuǎn)速增加時，將磁通和轉(zhuǎn)矩減小，以維持不變的高功率輸出，根據(jù)上述需求，最終選擇作為拖動電機(jī)的三相交流異步電動機(jī)參數(shù)如表1。

表1 三相交流異步電動機(jī)參數(shù)

由拖動電機(jī)有功功率計算公式：

可得該拖動電機(jī)有功功率為11．26千瓦，滿足試驗需求并流有10%的余量。

由拖動電機(jī)扭矩計算公式：可得在額定轉(zhuǎn)速下扭矩為37．7N·m，滿足試驗需求。（3）變頻器及控制電路設(shè)計。變頻器在本檢測平臺作為拖動電機(jī)的控制裝置，需要有較好的系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)選用EV2000系列通用變頻器，能夠?qū)崿F(xiàn)三相380～440V、50～60Hz的額定電壓輸入，以及380V、0～650Hz的電壓輸出。其調(diào)制方式為磁通矢量PWM調(diào)制，啟動轉(zhuǎn)矩為0．50Hz時180%額定轉(zhuǎn)矩。能夠通過數(shù)字信號、模擬電壓、模擬電流、脈沖信號等多種方式控制輸出頻率，本平臺采用計算機(jī)DA輸出控制及分壓電阻手動控制雙重冗余設(shè)計，由適配器中的切換繼電器進(jìn)行功能選擇。

（4）大功率可調(diào)能耗負(fù)載設(shè)計。實際使用過程中，由于車型不同、使用情況的差異，車上用電設(shè)備狀況變化程度較大。本系統(tǒng)采用費(fèi)思科技的FT6800A大功率可控負(fù)載，有著恒電流、恒電壓、恒電阻、恒功率等測試模式以及良好的穩(wěn)定性，能夠為發(fā)電機(jī)性能檢測提供強(qiáng)大的支持。

（5）通用卡具設(shè)計。不同型號的車載發(fā)電機(jī)尺寸和形態(tài)各異，以往的機(jī)械卡具往往是每一種發(fā)電機(jī)對應(yīng)一種機(jī)械卡具，這樣明顯不利于本系統(tǒng)的綜合試驗檢測。為此，本檢測平臺設(shè)計了一種通用機(jī)械卡具，在保證被測發(fā)電機(jī)與傳動輪同心的要求下，被測電機(jī)可以徑向移動，從而改變卡具直徑，固定不同直徑的發(fā)電機(jī)。其傳動軸采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，具有自鎖緊功能，從而省去額外的縮緊裝置。本機(jī)械卡具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠方便的更換、固定不同型號的被測發(fā)電機(jī)。

4 試驗例證

（1）起動電機(jī)空載試驗。在車輛起動后仍然保持按住起動按鈕，使起動電動機(jī)空轉(zhuǎn)，這就是通常所說的起動機(jī)空載試驗。對一阻力較大的起動電動機(jī)進(jìn)行空載試驗，可以看出剛起動時瞬間起動電流很大，起動后電流有所下降，但空載時仍存在較高電流，而性能良好的起動電動機(jī)起動后電流應(yīng)該很小，說明該電機(jī)需要維護(hù)保養(yǎng)。

（2）電源系統(tǒng)充電試驗。以某型車輛電源系統(tǒng)的充電試驗為例測試該試驗平臺的檢測性能。在試驗平臺上連接好發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器與兩塊12V電平，調(diào)節(jié)變頻器，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步上升，電氣參數(shù)隨之實時變化，從電壓變化曲線可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，未滿足充電條件，系統(tǒng)檢測到的電壓是電平的電壓。隨著轉(zhuǎn)速逐漸上升，發(fā)電機(jī)電壓開始升高，系統(tǒng)開始充電。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至約3500r/min，由于調(diào)壓器的作用，發(fā)電機(jī)電壓不再隨之上升。系統(tǒng)檢測性能良好。

5 結(jié)語

本文針對大功率車載電機(jī)測試需求，綜合考慮轉(zhuǎn)速控制、負(fù)載調(diào)解、電機(jī)安裝、人機(jī)交互等要素，模擬車載發(fā)電機(jī)和起動電動機(jī)實際工作環(huán)境，設(shè)計了大功率車載電機(jī)通用試驗平臺。該平臺能夠滿足多種型號車載電機(jī)的性能檢測需求，節(jié)省了檢測資源，提高了檢測效率。

[1]張豫南,謝永成． 裝甲車輛電氣與電子系統(tǒng)[M]． 北京:國防工業(yè)出版社,2003．

[2]李光升． 裝甲車輛電氣系統(tǒng)故障診斷[M]． 北京:裝甲兵工程學(xué)院,2010．12．

U469.72

A

1671-0711（2017）08（下）-0123-02