交流電力測功機在負荷拖車上的應用

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

負荷拖車作為一種現代化的車輛測試設備，當前廣泛應用于車輛的牽引特性、整車熱平衡、爬坡性能、制動性能、整車標定等車輛測試領域。測功機是負荷拖車功率吸收裝置，其工作特性直接決定了負荷拖車的工作特性[1]。目前，用于負荷拖車上的測功機主要有電渦流測功機、液粘測功機、直流電力測功機等。與上述測功機相比，本文介紹的交流電力測功機具有低速恒轉矩高速恒功率、動態響應高、冷卻效果好、全程連續加載、穩定可靠等特點，其在負荷拖車上的應用具有廣闊的市場前景。

2 負荷拖車工作原理及構成

負荷拖車亦稱測功車，其主要由加載控制、動力吸收裝置(測功機)、試驗參數測量以及數據采集分析處理系統的車輛道路試驗設備[2]。試驗時負荷拖車與被試車組成試驗系統，通過對被試車施加穩定的、可精細調節的任意負荷或牽引力，實時測量行駛中被試車的牽引力等表征被試車動力性能有關的各種參數[3]。

2.1 負荷拖車工作原理

負荷拖車通過裝有拉壓力傳感器的剛性牽引桿與被試車實現剛性連接。當試驗中負荷拖車由被試驗車牽引前進時，被試車牽引功率通過負荷拖車的前牽引掛接系統、輪胎和加載傳動系統傳遞到測功機，測功機把原動機產生的機械能轉化為熱能或電能，從而實現吸功作業。當試驗中負荷拖車牽引被試驗車前進時，負荷拖車牽引功率通過測功機、加載傳動系統（或直接通過底盤車動力傳動系統）、后牽引掛接系統、負荷拖車牽引桿傳遞至被試車，被試車對自身車輪施加制動轉矩，通過輪胎與地面作用產生制動阻力。測功機施加的負荷或牽引力可根據不同試驗項目內容，在設計范圍內連續控制調節，以滿足各種適用車型不同的試驗需要。

2.2 負荷拖車構成

負荷拖車主要由以下系統構成：前后牽引掛接系統、底盤車、發電機組、加載傳動系統、電力測功機、散熱系統、車廂等。負荷拖車主要系統構成如圖1所示。

3 交流電力測功機工作原理及主要構成

3.1 工作原理

交流電力測功機使用交流異步電機作為能量轉換元件，以轉矩形式為承載被試件加載（或驅動），通過交流傳動（變頻器）對加載轉矩（或轉速）進行精確控制，實現對承載被試件所帶機械負載（或動力）的模擬，它同時具有測功機（加載）和電動機（驅動）兩種工作模式，可以實現多種傳統測功器無法完成的測控方案，如能耗吸收、轉化電能回饋負荷拖車電路、加載、驅動、慣量模擬等[4]。

當交流電力測功機處于加載工作模式時，測功機工作的能量由發電機組發電提供，測功機將被試車產生的機械能轉化為電能和熱能，轉化的電能存儲于負荷拖車電路系統，轉化的熱能通過空氣散發；當交流電力測功機處于驅動工作模式時，測功機工作的能量由發電機組發電提供，測功機將機械能傳遞給被試車，被試車對自身車輪施加制動轉矩，從而將機械能轉化為熱能，轉化的熱能通過空氣散發。

3.2 主要構成

交流電力測功機主要由帶有扭矩測量法蘭和旋轉編碼器的交流異步電機、變頻驅動裝置和控制系統構成。典型的交流電力測功機主要系統構成如圖2所示。

4 交流電力測功機的工作特性

交流電力測功機有恒轉矩變頻調速和恒功率變頻調速兩個轉速工作區域[5]。恒轉矩變頻調速工作區能保持調速前后測功機的輸出轉矩不變[6]。恒功率變頻調速工作區能保持調速前后異步電動機的輸出功率保持不變[6]。

由異步電機定子繞組感應電動勢的關系公式：

式中， E1為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值；Rr1為與繞組有關的結構常數； f1為定子頻率；N1為定子每相繞組串聯匝數；Φm為每極氣隙磁通量。

由于電機輸入電壓 U1不能大于電機額定電壓 Un，否則會燒壞繞組。因此，當改變后的頻率大于電機的額定頻時，即在基頻以上調速的情況下， 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，屬于恒功率變頻調速，其功率-轉速特性曲線如圖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，否則會產生過大的勵磁電流，嚴重時會因勵磁電流過大而燒壞電機。因此，當改變后的頻率小于電機額定頻率時，即在基頻以下調速時 Φm最大只能等于額定的U氣隙磁通量，這樣隨著 f1的下降，電機輸入電壓 U1同步下降 為常數，這時每極氣隙磁速特性曲線如圖3所示。

5 交流電力測功機特點

交流電力測功機用于負荷拖車上具有以下特點。

a. 節能。電渦流測功機、液粘測功機的基本原理是將被試件產生的機械能轉化為熱能，由相關介質冷卻后把熱量帶走，被試件發出的能量不能回收，轉換過程中亦需耗費能量。而交流電力測功機可以把被試件產生的機械能轉換為電能回饋到內部電網，供其他設備使用。

b. 加載與驅動雙工作模式。交流電力測功機可以在轉速到0 r/min時依然可以提供足夠的加載能力，其加載特性為零轉速至額定轉速為恒扭矩特性，額定轉速至最高轉速為恒功率特性，完全符合汽車運行時的負載特性；另外，交流電力測功機可以作為動力機械驅動被試件，可模擬進行制動性能試驗等。

c. 瞬態加載特性。由于交流電力測功機應用矢量控制技術，其加載反應時間為ms級。

d. 緊急保護特性。交流電力測功機本身具有過流、斷相等保護功能，配合控制系統的超速保護功能，有效地避免了因被試件故障而引起的測功機損壞和原動機故障的擴大。

e. 電磁騷擾特性。采用交流電力測功機，將增加負荷拖車測試系統的電磁騷擾影響，應采取措施提高其電磁騷擾特性，如信號隔離、采用屏蔽線傳感器等。

f. 高壓電安全。采用交流電力測功機，將帶來高電壓和高電流的使用安全問題，需對負荷拖車上的交流電力測功機制定安全的用電保護措施，如安裝漏電自動保護開關、保護接地等[7]。

6 結語

經過以上研究分析可知，與傳統的電渦流測功機、液粘測功機、直流電力測功機等相比，交流電力測功機用于負荷拖車具有廣闊的運用前景。目前，安裝交流電力測功機的負荷拖車已完成設計開發，即將進入樣車試制階段。

[1] 王天穎.基于液粘測功機的負荷車特性與試驗方法研究[D].北京理工大學,2007.

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

[3] 周希軍.汽車試驗負荷拖車的研制[D].南京理工大學,2009.

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

[5] 劉磊.交流電力測功機控制器的研究與開發[D].北京交通大 學,2010.

[6] 劉建國.交流電力測功機及其控制系統研究[D].湖南大學,2004.

[7] 戴海峰,張曉龍,魏學哲.電動汽車高壓電安全分析及防護設計[J].機電一體化,2013(01):53-59.