今天的柴油機(jī)研發(fā)速度和要求越來越高，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求也變得高起來，高精度、高性能響應(yīng)、高穩(wěn)定性及節(jié)能，這些都是基本的要求。測功機(jī)作為最基礎(chǔ)的試驗(yàn)測試設(shè)備，要求也在顯著的提高。目前的測功系統(tǒng)主要分為水渦流、電渦流、電力測功器三種，它們都擁有自己的特點(diǎn)，適合不同的使用要求。其中，電力測功機(jī)由于自己的顯著優(yōu)點(diǎn)越來越受到歡迎。

• 電力測功器的原理對(duì)比

• 電力測功器的優(yōu)點(diǎn)

• 電力測功器在試驗(yàn)室的應(yīng)用

• 未來電力測功器的使用

• 電力測功器原理

• 感應(yīng)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理,通過定子的三相電流(L1,L2,L3)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,以進(jìn)行能量交換。

定子繞組感應(yīng)電勢有效值為：
 U≅E=4.44f  kφ
 U=E=定子電壓，f=供電頻率，k= 系數(shù)(常數(shù))，φ= 磁通
 異步電機(jī)的調(diào)速方法：n=60f(1-s)/Pn。
 通過公式可以看出，如果進(jìn)行調(diào)速，可以對(duì)極對(duì)數(shù)Pn、電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s和頻率f進(jìn)行調(diào)整。目前常用的調(diào)速方法包括改變極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率以及變頻等，前面的幾種方法都不適合于平滑變速，應(yīng)用范圍受到限制，變頻因?yàn)榫哂姓{(diào)速范圍寬、運(yùn)行平滑、轉(zhuǎn)換效率高、有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但是由于轉(zhuǎn)矩與磁通的關(guān)系，在電流相同時(shí)，磁通越大，扭矩相對(duì)就大，為了提供最大扭矩便于控制柴油機(jī)，必須盡量保持磁通最大，因此根據(jù)磁通變化產(chǎn)生了以下兩種控制方式
 

1.保持磁通恒定
 磁通：U1≅E1=4.44f1w1k1φ →U1/f1=C1φ
 扭矩：M=Cmφ I2cosϕ
 從以上兩公式可以作如下分析:
 U1不變時(shí), f1↑ →φ↓ →M ↓
 U1不變時(shí), f1↓ →φ↑ →磁路飽和→鐵損增加,繞組過分發(fā)熱，功率因素降低。
 故,只調(diào)節(jié)f 不行, 需同時(shí)調(diào)節(jié)U1和f1才可以保持磁通的恒定.。
 2.保持電壓為額定值
 在額定頻率以上調(diào)速，受到電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度的限制， 定子電壓不可能與
 頻率成比例地升高，只能保持在額定電壓，此時(shí)氣隙磁通將隨頻率的升高
 而反比例地下降，進(jìn)入弱磁調(diào)速范圍。
 即從基頻向下變頻調(diào)速，保持E1/f1不變，Tmax、Dnm與頻率無關(guān)，機(jī)械特性平行，硬度相同，類似于直流電機(jī)的降壓調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)速調(diào)速 
 從基頻向上變頻調(diào)速，升高電源電壓是不允許的，在頻率上調(diào)時(shí)，只能保持電壓不變，頻率越大，磁通就越小，類似于直流電機(jī)的弱磁增速。
 因此，變頻調(diào)頻的特點(diǎn)為：從基頻往下調(diào)時(shí)，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，從基頻往上調(diào)時(shí)近似為恒功率調(diào)速方式；調(diào)速范圍大；調(diào)速穩(wěn)定性好；無級(jí)調(diào)速。
 變頻調(diào)速方式按結(jié)構(gòu)主要分為交直交和交交變頻兩種
         

兩者相比，目前使用較多的是前面的交直交變頻方式，它可以結(jié)合三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行的變頻調(diào)速，主要有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，前兩者的動(dòng)態(tài)調(diào)速性能稍差，在測功系統(tǒng)中應(yīng)用得比較多的是后兩者。
 矢量控制方式基于異步電動(dòng)機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與之垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方式，分別獨(dú)立的對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似于直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式，該方式需要事先轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制方式較復(fù)雜，但可以實(shí)現(xiàn)類似于直流電機(jī)的調(diào)速性能。
 直接轉(zhuǎn)矩控制方式同樣是基于動(dòng)態(tài)模型的，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰-砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且控制相對(duì)要簡單一些。
 我們目前使用的系統(tǒng)中，西門子使用的是矢量控制方式，ABB使用的是直接轉(zhuǎn)矩方式，阿爾斯通使用的是，兩者控制各有優(yōu)點(diǎn)，都較好的滿足了我們的使用要求。

• 電力測功器的優(yōu)點(diǎn)

• 節(jié)能

水力、電渦流是將柴油機(jī)發(fā)出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為水的熱能以達(dá)到測功的目的，雖然水在經(jīng)過水循環(huán)后可以重復(fù)利用，但是熱能無法回收，只能白白浪費(fèi)。電力測功器卻可以把產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他電氣設(shè)備使用，其電能回饋效率可達(dá)92%以上，使節(jié)能的一種好選擇。

• 高精度

電力測功器無論是直接轉(zhuǎn)矩還是矢量變頻控制方式都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和扭矩的良好控制，配合高性能的扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的使用，可以保證測功器控制扭矩和轉(zhuǎn)速在±1到2之間。這樣的精度，滿足了我們對(duì)柴油機(jī)測試精確控制以及測量范圍較大的要求

• 高性能

電力測功器的加載特性在0到額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)速扭矩特性，在額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速時(shí)為恒功率特性，這滿足了柴油機(jī)啟動(dòng)和測試的動(dòng)力要求。水力測功器僅能一個(gè)方向加載，電渦流測功器雖然可以兩個(gè)方向加載但是不能實(shí)現(xiàn)倒拖功能，而電力測功器可以雙向加載還可實(shí)現(xiàn)倒拖功能。

• 高穩(wěn)定

作為測功器的電機(jī)技術(shù)極為成熟，其工作的穩(wěn)定性成為測功器運(yùn)行的基礎(chǔ)，從使用過程來看，使用的穩(wěn)定性和可對(duì)比性相對(duì)于其他兩種測功器有明顯的優(yōu)勢。

• 可維護(hù)性

目前電機(jī)的技術(shù)相對(duì)成熟，相對(duì)維護(hù)時(shí)間較長，一般為5000到10000小時(shí)才需要維護(hù)一次。從目前使用來看，基本沒有出過什么大問題。

• 電力測功器在試驗(yàn)室的應(yīng)用。

目前我們?cè)囼?yàn)室有6臺(tái)電力測功器在使用，并有多臺(tái)設(shè)備在安裝調(diào)試。
 2005年，我們與常通合作在國內(nèi)率先開始了電力測功器的應(yīng)用研究，整套系統(tǒng)采用了西門子電機(jī)+西門子調(diào)速柜+西門子PLC控制+常通柴油機(jī)控制系統(tǒng)+HBM扭矩儀的配置組合。
 其控制原理主要為
 從圖上可以看出，系統(tǒng)采用西門子電機(jī)端的轉(zhuǎn)速測量編碼器測量柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，該編碼器輸出的是1024的脈沖信號(hào)，帶有A、B信號(hào)可以測量轉(zhuǎn)速方向，具有很高的測量精度。
 HBM的T10F扭矩儀是現(xiàn)在許多電力測功器都使用的測量工具，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好，精度和穩(wěn)定性也很好，在AVL、申克等國外公司的電力測功器上都有應(yīng)用，它分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分，轉(zhuǎn)子采用應(yīng)變片電橋測量柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的扭矩，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，然后通過遙測信號(hào)傳遞給定子；定子除了接受轉(zhuǎn)子的信號(hào)并進(jìn)行濾波、放大轉(zhuǎn)換等以供分析外，還通過變壓器為轉(zhuǎn)子提供電源。整個(gè)扭矩儀最終測量輸出的信號(hào)為頻率信號(hào)，控制柜根據(jù)該信號(hào)進(jìn)行分析。
 電機(jī)采用西門子JD系列電機(jī)，在國內(nèi)的電子測功器屬于使用比較多的，其起動(dòng)扭矩很大，在額定轉(zhuǎn)速下為恒扭矩特性，在此后直到最大功率轉(zhuǎn)速為恒功率特性，高扭矩范圍較寬，可以滿足柴油機(jī)測試的特性。其特性曲線如下
   

圖中：T—額定扭矩，P—額定功率，nN—額定轉(zhuǎn)速，n1—最大功率轉(zhuǎn)速，nN—最高轉(zhuǎn)速。
 變頻器使用的是西門子的6SE系列，這是

下位機(jī)，這是展現(xiàn)國產(chǎn)廠家的水平的地方，需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：
 1、采集各種柴油機(jī)參數(shù)，包括溫度、壓力、排溫等以及其他需要記錄的數(shù)據(jù)，提供開關(guān)量和模擬量的輸入輸出功能，以方便控制
 2、通過控制柴油機(jī)油門實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)多種控制方式，并進(jìn)行PID控制
 3、進(jìn)行通訊控制，對(duì)各種試驗(yàn)保障設(shè)備及其他設(shè)備進(jìn)行通訊控制
 4、其他的擴(kuò)展功能

• 電力測功器在試驗(yàn)室目前的應(yīng)用

• 可以進(jìn)行日常的性能試驗(yàn)，電力測功機(jī)與其他測功機(jī)相同，可以進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，包括外特性、負(fù)荷特性、萬有特性等

• 進(jìn)行耐久試驗(yàn)，由于電力測功機(jī)具有的控制穩(wěn)定、故障率較低等優(yōu)點(diǎn)和功率可發(fā)電回收特點(diǎn)，可以進(jìn)行各種耐久試驗(yàn)，從國產(chǎn)電力測功機(jī)建立，進(jìn)行了大量的耐久試驗(yàn)，尤其是帶負(fù)載變工況試驗(yàn)，從試驗(yàn)情況來看，控制穩(wěn)定，試驗(yàn)效果良好

• 由于電力測功機(jī)的高性能，可與排放設(shè)備組合進(jìn)行排放認(rèn)證試驗(yàn)，主要是ESC、ELR、ETC排放試驗(yàn)。

如ELR，由于電力測功機(jī)的控制參數(shù)穩(wěn)定，因此對(duì)于ELR的試驗(yàn)中要求的加載時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在±150r/min，減載時(shí)在30S內(nèi)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的下一個(gè)轉(zhuǎn)速，可以輕松滿足，即使相對(duì)于功率較大的柴油機(jī)，也可以輕松滿足要求，而且一般PID都有較大的余量，即使對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行部分參數(shù)調(diào)整也可以達(dá)到要求。如圖下

對(duì)于ETC循環(huán)，電力測功機(jī)是唯一的試驗(yàn)選擇，在循環(huán)中，包括城市道路、鄉(xiāng)村道路、高速公路三種工況，其中的城市道路工況變化較劇烈，對(duì)于測功機(jī)的要求很高，經(jīng)過調(diào)整，我們的試驗(yàn)工況都可以成功進(jìn)行，完全滿足柴油機(jī)或者氣體機(jī)ETC試驗(yàn)的要求。如圖下

• 可以進(jìn)行摩擦功倒拖試驗(yàn)和排氣制動(dòng)試驗(yàn)，以前，這樣的試驗(yàn)需要兩臺(tái)柴油機(jī)互拖實(shí)現(xiàn)，由于電力測功機(jī)可以四象限工作，雙向加載，因此可以輕松進(jìn)行這種試驗(yàn)，目前我們已經(jīng)進(jìn)行過多次摩擦功測量試驗(yàn)和排氣制動(dòng)試驗(yàn)，還成功進(jìn)行過ECU控制排氣制動(dòng)耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好。

• 進(jìn)行一些其他的非常規(guī)試驗(yàn)，

• 結(jié)論

到目前為止，從電力測功器在試驗(yàn)室應(yīng)用以來，它充分展示了控制穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)