电力测功机的引进和使用

今天的柴油机研发速度和要求越来越高，对试验设备的要求也变得高起来，高精度、高性能响应、高稳定性及节能，这些都是基本的要求。测功机作为最基础的试验测试设备，要求也在显著的提高。目前的测功系统主要分为水涡流、电涡流、电力测功器三种，它们都拥有自己的特点，适合不同的使用要求。其中，电力测功机由于自己的显著优点越来越受到欢迎。

• 电力测功器的原理对比

• 电力测功器的优点

• 电力测功器在试验室的应用

• 未来电力测功器的使用

• 电力测功器原理

• 感应电机是利用电磁感应原理,通过定子的三相电流(L1,L2,L3)产生旋转磁场,并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩,以进行能量交换。

定子绕组感应电势有效值为：
 U≅E=4.44f  kφ
 U=E=定子电压，f=供电频率，k= 系数(常数)，φ= 磁通
 异步电机的调速方法：n=60f(1-s)/Pn。
 通过公式可以看出，如果进行调速，可以对极对数Pn、电机的转差率s和频率f进行调整。目前常用的调速方法包括改变极对数、改变转差率以及变频等，前面的几种方法都不适合于平滑变速，应用范围受到限制，变频因为具有调速范围宽、运行平滑、转换效率高、有良好的静态和动态性能等优点得到广泛的应用。但是由于转矩与磁通的关系，在电流相同时，磁通越大，扭矩相对就大，为了提供最大扭矩便于控制柴油机，必须尽量保持磁通最大，因此根据磁通变化产生了以下两种控制方式

1.保持磁通恒定
 磁通：U1≅E1=4.44f1w1k1φ →U1/f1=C1φ
 扭矩：M=Cmφ I2cosϕ
 从以上两公式可以作如下分析:
 U1不变时, f1↑ →φ↓ →M ↓
 U1不变时, f1↓ →φ↑ →磁路饱和→铁损增加,绕组过分发热，功率因素降低。
 故,只调节f 不行, 需同时调节U1和f1才可以保持磁通的恒定.。
 2.保持电压为额定值
 在额定频率以上调速，受到电机绕组绝缘强度的限制， 定子电压不可能与
 频率成比例地升高，只能保持在额定电压，此时气隙磁通将随频率的升高
 而反比例地下降，进入弱磁调速范围。
 即从基频向下变频调速，保持E1/f1不变，Tmax、Dnm与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电机的降压调速，属于恒转速调速 
 从基频向上变频调速，升高电源电压是不允许的，在频率上调时，只能保持电压不变，频率越大，磁通就越小，类似于直流电机的弱磁增速。
 因此，变频调频的特点为：从基频往下调时，为恒转矩调速方式，从基频往上调时近似为恒功率调速方式；调速范围大；调速稳定性好；无级调速。
 变频调速方式按结构主要分为交直交和交交变频两种

两者相比，目前使用较多的是前面的交直交变频方式，它可以结合三相异步电动机进行的变频调速，主要有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等，前两者的动态调速性能稍差，在测功系统中应用得比较多的是后两者。
 矢量控制方式基于异步电动机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与之垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方式，分别独立的对两个电流分量进行控制，类似于直流调速系统中的双闭环控制方式，该方式需要事先转速和磁链的解耦，控制方式较复杂，但可以实现类似于直流电机的调速性能。
 直接转矩控制方式同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰-砰控制，可以得到转矩的快速动态响应，并且控制相对要简单一些。
 我们目前使用的系统中，西门子使用的是矢量控制方式，ABB使用的是直接转矩方式，阿尔斯通使用的是，两者控制各有优点，都较好的满足了我们的使用要求。

• 电力测功器的优点

• 节能

水力、电涡流是将柴油机发出的机械能转换为水的热能以达到测功的目的，虽然水在经过水循环后可以重复利用，但是热能无法回收，只能白白浪费。电力测功器却可以把产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，供其他电气设备使用，其电能回馈效率可达92%以上，使节能的一种好选择。

• 高精度

电力测功器无论是直接转矩还是矢量变频控制方式都可以实现对转速和扭矩的良好控制，配合高性能的扭矩传感器和转速传感器的使用，可以保证测功器控制扭矩和转速在±1到2之间。这样的精度，满足了我们对柴油机测试精确控制以及测量范围较大的要求

• 高性能

电力测功器的加载特性在0到额定转速时为恒转速扭矩特性，在额定转速到最高转速时为恒功率特性，这满足了柴油机启动和测试的动力要求。水力测功器仅能一个方向加载，电涡流测功器虽然可以两个方向加载但是不能实现倒拖功能，而电力测功器可以双向加载还可实现倒拖功能。

• 高稳定

作为测功器的电机技术极为成熟，其工作的稳定性成为测功器运行的基础，从使用过程来看，使用的稳定性和可对比性相对于其他两种测功器有明显的优势。

• 可维护性

目前电机的技术相对成熟，相对维护时间较长，一般为5000到10000小时才需要维护一次。从目前使用来看，基本没有出过什么大问题。

• 电力测功器在试验室的应用。

目前我们试验室有6台电力测功器在使用，并有多台设备在安装调试。
 2005年，我们与常通合作在国内率先开始了电力测功器的应用研究，整套系统采用了西门子电机+西门子调速柜+西门子PLC控制+常通柴油机控制系统+HBM扭矩仪的配置组合。
 其控制原理主要为
 从图上可以看出，系统采用西门子电机端的转速测量编码器测量柴油机转速，该编码器输出的是1024的脉冲信号，带有A、B信号可以测量转速方向，具有很高的测量精度。
 HBM的T10F扭矩仪是现在许多电力测功器都使用的测量工具，动态响应性好，精度和稳定性也很好，在AVL、申克等国外公司的电力测功器上都有应用，它分为转子和定子两部分，转子采用应变片电桥测量柴油机转动过程中的扭矩，并将该信号转换为频率信号，然后通过遥测信号传递给定子；定子除了接受转子的信号并进行滤波、放大转换等以供分析外，还通过变压器为转子提供电源。整个扭矩仪最终测量输出的信号为频率信号，控制柜根据该信号进行分析。
 电机采用西门子JD系列电机，在国内的电子测功器属于使用比较多的，其起动扭矩很大，在额定转速下为恒扭矩特性，在此后直到最大功率转速为恒功率特性，高扭矩范围较宽，可以满足柴油机测试的特性。其特性曲线如下
   

图中：T—额定扭矩，P—额定功率，nN—额定转速，n1—最大功率转速，nN—最高转速。
 变频器使用的是西门子的6SE系列，这是

下位机，这是展现国产厂家的水平的地方，需要实现的功能主要包括：
 1、采集各种柴油机参数，包括温度、压力、排温等以及其他需要记录的数据，提供开关量和模拟量的输入输出功能，以方便控制
 2、通过控制柴油机油门实现对柴油机的控制，以实现多种控制方式，并进行PID控制
 3、进行通讯控制，对各种试验保障设备及其他设备进行通讯控制
 4、其他的扩展功能

• 电力测功器在试验室目前的应用

• 可以进行日常的性能试验，电力测功机与其他测功机相同，可以进行各种性能试验，包括外特性、负荷特性、万有特性等

• 进行耐久试验，由于电力测功机具有的控制稳定、故障率较低等优点和功率可发电回收特点，可以进行各种耐久试验，从国产电力测功机建立，进行了大量的耐久试验，尤其是带负载变工况试验，从试验情况来看，控制稳定，试验效果良好

• 由于电力测功机的高性能，可与排放设备组合进行排放认证试验，主要是ESC、ELR、ETC排放试验。

如ELR，由于电力测功机的控制参数稳定，因此对于ELR的试验中要求的加载时转速稳定在±150r/min，减载时在30S内转换到相应的下一个转速，可以轻松满足，即使相对于功率较大的柴油机，也可以轻松满足要求，而且一般PID都有较大的余量，即使对柴油机进行部分参数调整也可以达到要求。如图下

对于ETC循环，电力测功机是唯一的试验选择，在循环中，包括城市道路、乡村道路、高速公路三种工况，其中的城市道路工况变化较剧烈，对于测功机的要求很高，经过调整，我们的试验工况都可以成功进行，完全满足柴油机或者气体机ETC试验的要求。如图下

• 可以进行摩擦功倒拖试验和排气制动试验，以前，这样的试验需要两台柴油机互拖实现，由于电力测功机可以四象限工作，双向加载，因此可以轻松进行这种试验，目前我们已经进行过多次摩擦功测量试验和排气制动试验，还成功进行过ECU控制排气制动耐久试验，试验效果良好。

• 进行一些其他的非常规试验，

• 结论

到目前为止，从电力测功器在试验室应用以来，它充分展示了控制稳定、精度较高等优点，进行了大量的试验