今天的柴油機研發(fā)速度和要求越來越高，對試驗設(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。測功機作為最基礎(chǔ)的試驗測試設(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，適合不同的使用要求。其中，電力測功機由于自己的顯著優(yōu)點越來越受到歡迎。

• 電力測功器的原理對比

• 電力測功器的優(yōu)點

• 電力測功器在試驗室的應(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，可以對極對數(shù)Pn、電機的轉(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，變頻因為具有調(diào)速范圍寬、運行平滑、轉(zhuǎn)換效率高、有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能等優(yōu)點得到廣泛的應(yīng)用。但是由于轉(zhuǎn)矩與磁通的關(guān)系，在電流相同時，磁通越大，扭矩相對就大，為了提供最大扭矩便于控制柴油機，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, f1↑ →φ↓ →M ↓
 U1不變時, 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，受到電機繞組絕緣強度的限制， 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)，機械特性平行，硬度相同，類似于直流電機的降壓調(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，只能保持電壓不變，頻率越大，磁通就越小，類似于直流電機的弱磁增速。
 因此，變頻調(diào)頻的特點為：從基頻往下調(diào)時，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，從基頻往上調(diào)時近似為恒功率調(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)合三相異步電動機進(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機的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動態(tài)模型，將定子電流分解為勵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，分別獨立的對兩個電流分量進(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，但可以實現(xiàn)類似于直流電機的調(diào)速性能。
 直接轉(zhuǎn)矩控制方式同樣是基于動態(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)矩的快速動態(tài)響應(yīng)，并且控制相對要簡單一些。
 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，都較好的滿足了我們的使用要求。

• 電力測功器的優(yōu)點

• 節(jié)能

水力、電渦流是將柴油機發(fā)出的機械能轉(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。電力測功器卻可以把產(chǎn)生的機械能轉(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現(xiàn)對轉(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，滿足了我們對柴油機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)速時為恒轉(zhuǎn)速扭矩特性，在額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速時為恒功率特性，這滿足了柴油機啟動和測試的動力要求。水力測功器僅能一個方向加載，電渦流測功器雖然可以兩個方向加載但是不能實現(xiàn)倒拖功能，而電力測功器可以雙向加載還可實現(xiàn)倒拖功能。

• 高穩(wěn)定

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

• 可維護(hù)性

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

• 電力測功器在試驗室的應(yīng)用。

目前我們試驗室有6臺電力測功器在使用，并有多臺設(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+西門子調(diào)速柜+西門子PLC控制+常通柴油機控制系統(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)采用西門子電機端的轉(zhuǎn)速測量編碼器測量柴油機轉(zhuǎn)速，該編碼器輸出的是1024的脈沖信號，帶有A、B信號可以測量轉(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轉(zhuǎn)動過程中的扭矩，并將該信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，然后通過遙測信號傳遞給定子；定子除了接受轉(zhuǎn)子的信號并進(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。整個扭矩儀最終測量輸出的信號為頻率信號，控制柜根據(jù)該信號進(jìn)行分析。
 電機采用西門子JD系列電機，在國內(nèi)的電子測功器屬于使用比較多的，其起動扭矩很大，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，這是展現(xiàn)國產(chǎn)廠家的水平的地方，需要實現(xiàn)的功能主要包括：
 1、采集各種柴油機參數(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、通過控制柴油機油門實現(xiàn)對柴油機的控制，以實現(xiàn)多種控制方式，并進(jìn)行PID控制
 3、進(jìn)行通訊控制，對各種試驗保障設(shè)備及其他設(shè)備進(jìn)行通訊控制
 4、其他的擴展功能

• 電力測功器在試驗室目前的應(yīng)用

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

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

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

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

對于ETC循環(huán)，電力測功機是唯一的試驗選擇，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，對于測功機的要求很高，經(jīng)過調(diào)整，我們的試驗工況都可以成功進(jìn)行，完全滿足柴油機或者氣體機ETC試驗的要求。如圖下

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

• 進(jìn)行一些其他的非常規(guī)試驗，

• 結(jié)論

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