交流电力测功机在负荷拖车上的应用

熊祖品 张亚 谢亚玲

XIONG Zu-pin et al

中国汽车工程研究院股份有限公司 重庆 400039

1 前言

负荷拖车作为一种现代化的车辆测试设备，当前广泛应用于车辆的牵引特性、整车热平衡、爬坡性能、制动性能、整车标定等车辆测试领域。测功机是负荷拖车功率吸收装置，其工作特性直接决定了负荷拖车的工作特性[1]。目前，用于负荷拖车上的测功机主要有电涡流测功机、液粘测功机、直流电力测功机等。与上述测功机相比，本文介绍的交流电力测功机具有低速恒转矩高速恒功率、动态响应高、冷却效果好、全程连续加载、稳定可靠等特点，其在负荷拖车上的应用具有广阔的市场前景。

2 负荷拖车工作原理及构成

负荷拖车亦称测功车，其主要由加载控制、动力吸收装置(测功机)、试验参数测量以及数据采集分析处理系统的车辆道路试验设备[2]。试验时负荷拖车与被试车组成试验系统，通过对被试车施加稳定的、可精细调节的任意负荷或牵引力，实时测量行驶中被试车的牵引力等表征被试车动力性能有关的各种参数[3]。

2.1 负荷拖车工作原理

负荷拖车通过装有拉压力传感器的刚性牵引杆与被试车实现刚性连接。当试验中负荷拖车由被试验车牵引前进时，被试车牵引功率通过负荷拖车的前牵引挂接系统、轮胎和加载传动系统传递到测功机，测功机把原动机产生的机械能转化为热能或电能，从而实现吸功作业。当试验中负荷拖车牵引被试验车前进时，负荷拖车牵引功率通过测功机、加载传动系统（或直接通过底盘车动力传动系统）、后牵引挂接系统、负荷拖车牵引杆传递至被试车，被试车对自身车轮施加制动转矩，通过轮胎与地面作用产生制动阻力。测功机施加的负荷或牵引力可根据不同试验项目内容，在设计范围内连续控制调节，以满足各种适用车型不同的试验需要。

2.2 负荷拖车构成

负荷拖车主要由以下系统构成：前后牵引挂接系统、底盘车、发电机组、加载传动系统、电力测功机、散热系统、车厢等。负荷拖车主要系统构成如图1所示。

3 交流电力测功机工作原理及主要构成

3.1 工作原理

交流电力测功机使用交流异步电机作为能量转换元件，以转矩形式为承载被试件加载（或驱动），通过交流传动（变频器）对加载转矩（或转速）进行精确控制，实现对承载被试件所带机械负载（或动力）的模拟，它同时具有测功机（加载）和电动机（驱动）两种工作模式，可以实现多种传统测功器无法完成的测控方案，如能耗吸收、转化电能回馈负荷拖车电路、加载、驱动、惯量模拟等[4]。

当交流电力测功机处于加载工作模式时，测功机工作的能量由发电机组发电提供，测功机将被试车产生的机械能转化为电能和热能，转化的电能存储于负荷拖车电路系统，转化的热能通过空气散发；当交流电力测功机处于驱动工作模式时，测功机工作的能量由发电机组发电提供，测功机将机械能传递给被试车，被试车对自身车轮施加制动转矩，从而将机械能转化为热能，转化的热能通过空气散发。

3.2 主要构成

交流电力测功机主要由带有扭矩测量法兰和旋转编码器的交流异步电机、变频驱动装置和控制系统构成。典型的交流电力测功机主要系统构成如图2所示。

4 交流电力测功机的工作特性

交流电力测功机有恒转矩变频调速和恒功率变频调速两个转速工作区域[5]。恒转矩变频调速工作区能保持调速前后测功机的输出转矩不变[6]。恒功率变频调速工作区能保持调速前后异步电动机的输出功率保持不变[6]。

由异步电机定子绕组感应电动势的关系公式：

式中， E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；Rr1为与绕组有关的结构常数； f1为定子频率；N1为定子每相绕组串联匝数；Φm为每极气隙磁通量。

由于电机输入电压 U1不能大于电机额定电压 Un，否则会烧坏绕组。因此，当改变后的频率大于电机的额定频时，即在基频以上调速的情况下， U1最大只能等于 Un，这样随着 f1的上升，每极气隙磁通量就减弱，最大输出扭矩就减小，输出功率基本不变，属于恒功率变频调速，其功率-转速特性曲线如图3所示。

同样，每极气隙磁通量 Φm也不能大于额定的气隙磁通量，否则会产生过大的励磁电流，严重时会因励磁电流过大而烧坏电机。因此，当改变后的频率小于电机额定频率时，即在基频以下调速时 Φm最大只能等于额定的U气隙磁通量，这样随着 f1的下降，电机输入电压 U1同步下降 为常数，这时每极气隙磁速特性曲线如图3所示。

5 交流电力测功机特点

交流电力测功机用于负荷拖车上具有以下特点。

a. 节能。电涡流测功机、液粘测功机的基本原理是将被试件产生的机械能转化为热能，由相关介质冷却后把热量带走，被试件发出的能量不能回收，转换过程中亦需耗费能量。而交流电力测功机可以把被试件产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，供其他设备使用。

b. 加载与驱动双工作模式。交流电力测功机可以在转速到0 r/min时依然可以提供足够的加载能力，其加载特性为零转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为恒功率特性，完全符合汽车运行时的负载特性；另外，交流电力测功机可以作为动力机械驱动被试件，可模拟进行制动性能试验等。

c. 瞬态加载特性。由于交流电力测功机应用矢量控制技术，其加载反应时间为ms级。

d. 紧急保护特性。交流电力测功机本身具有过流、断相等保护功能，配合控制系统的超速保护功能，有效地避免了因被试件故障而引起的测功机损坏和原动机故障的扩大。

e. 电磁骚扰特性。采用交流电力测功机，将增加负荷拖车测试系统的电磁骚扰影响，应采取措施提高其电磁骚扰特性，如信号隔离、采用屏蔽线传感器等。

f. 高压电安全。采用交流电力测功机，将带来高电压和高电流的使用安全问题，需对负荷拖车上的交流电力测功机制定安全的用电保护措施，如安装漏电自动保护开关、保护接地等[7]。

6 结语

经过以上研究分析可知，与传统的电涡流测功机、液粘测功机、直流电力测功机等相比，交流电力测功机用于负荷拖车具有广阔的运用前景。目前，安装交流电力测功机的负荷拖车已完成设计开发，即将进入样车试制阶段。

[1] 王天颖.基于液粘测功机的负荷车特性与试验方法研究[D].北京理工大学,2007.

[2] 雷飞东,王天颖,赵云峰.负荷拖车的新型测功系统[J].汽车技术,2005(02):18-20.

[3] 周希军.汽车试验负荷拖车的研制[D].南京理工大学,2009.

[4] 周腊吾,张桂香,曾利权.交流电力测功机的方案研究[J].电机技术,2004(01):32-35.

[5] 刘磊.交流电力测功机控制器的研究与开发[D].北京交通大 学,2010.

[6] 刘建国.交流电力测功机及其控制系统研究[D].湖南大学,2004.

[7] 戴海峰,张晓龙,魏学哲.电动汽车高压电安全分析及防护设计[J].机电一体化,2013(01):53-59.