大功率車載電機通用試驗平臺構建

趙波，梁靖聰

（1.北京市特種設備檢測中心，北京 100029；2.裝甲兵工程學院 控制工程系，北京 100072）

大功率車載電機通用試驗平臺構建

趙波1，梁靖聰2

（1.北京市特種設備檢測中心，北京 100029；2.裝甲兵工程學院 控制工程系，北京 100072）

針對車載起動電動機及發電機功率大、型號多、通用檢測設備缺乏的情況，綜合運用計算機控制、變頻調速、電機拖動、磁粉制動等技術，模擬實車工作環境，構建車載起動電動機和發電機通用試驗平臺。該平臺能夠滿足多種型號車載起動電動機和發電機的性能檢測需求，節省了檢測資源，提高了檢測效率。

起動電動機；發電機；試驗平臺；檢測

對于一些特種車輛，它們的特點是發動機功率大、車載用電設備多，其車載發電機和起動電動機功率都很大，且安裝于汽車動力艙，拆裝復雜，如出現故障難以迅速修復，對整車性能影響極大。本文提出的大功率車載電機通用試驗平臺構建方案，能夠模擬不同型號發電機和起動電動機的工作環境，在電機裝車前完成性能檢測，有效防范車輛使用過程中由發電機和起動電動機突發故障造成的不良后果。

1 試驗平臺總體設計方案

本試驗平臺主要由PXI總線測控主機、發電機控制箱、可控負載箱、發電機臺架、起動機控制箱、程控電源和起動機臺架等部分組成，下面詳細介紹各個模塊的主要結構及作用。（1）PXI總線測控主機：該部分主要由工控機、操作面板、適配器和電源箱四部分組成，內置有高速PCI數據采集卡，可以針對不同的檢測功能來設置相應適配器，是整個平臺的控制核心。（2）發電機控制箱：箱內主要有變頻器調速系統、濾波器、接觸器及一些開關等組成，主要利用變頻調速技術對電機實現轉速的調節。（3）可控負載箱：該箱充當車輛儀表儀盤等用電設備的作用，能夠調節負載大小，另外與發電機接通形成回路。（4）發電機臺架：臺架上有能夠安裝不同型號發電機的可伸縮式固定結構，加有轉速傳感器實時監測電機的轉速，并將產生的電壓接入可控負載箱得到數據化的顯示。

2 起動電動機檢測平臺設計

2.1 起動電動機數學模型

現代車輛的起動系統主要由起動電動機、控制機構和傳動機構組成，直流電動機具有起動轉矩大、轉速隨負載變化快等優點，因此非常適合拖動運輸機械設備。直流電動機的數學模型為：

在上述方程中，J 為轉動慣量，TL為負載轉矩，Cf為粘滯摩擦轉矩，Tf為干摩擦轉矩，?為電機角速度，C 為電機常數，La為電樞電感，Ra為電樞等效電阻，ia為電樞電流，ua為電源電壓。由上式得到電動機的轉速表達式為：

2.2 起動機性能測試原理

由上節（3）式可知，電機轉速和電樞電流成反比關系，又有φΦ=C'?I ，所以電機的轉速電流特性呈雙曲線形式。電機起動初始，負載電流很大，磁路飽和，反電動勢不可忽略。轉速會隨時間增長而逐漸降低，電機制動過程中，轉速一直降到零，n(I)。

當磁極鐵芯處于欠飽和狀態時，磁通與電樞電流成正比，知轉矩公式為：M=C·φ·I，所以有M = C'?C?I2= Cd?I2，即轉矩與電樞電流的平方成正比，轉矩特性呈拋物線形式。

由轉速、轉矩特性曲線可知，起動機轉速很高時，電流會很小。隨著電機軸承、電刷及傳動機構存在摩擦力的作用，起動機的性能會漸進式的劣化，表現出空載電流過大。此時就該注意維護保養。

3 發電機檢測平臺設計

（1）發電機檢測平臺總體方案設計。車輛電源系統一般由發電機、調壓器、蓄電池以及一些輔助配電設備構成，其中，發電機作為主供電電源，受發動機帶動，其轉速影響輸出發電功率；調壓器一方面將發電機所發出的交流電轉換成直流電，另一方面起到穩定輸出電壓的作用；蓄電池是輔助電源，當發電機輸出功率不滿足用電設備的需求時，為用電設備提供電能。

發電機檢測平臺的總體設計思路是在模擬電源系統工作環境的情況下，給定不同的轉速條件，檢測發電機的各項性能指標。基于此，系統選擇380V交流動力電作為變頻器電源，由變頻器輸出控制拖動電機；拖動電機通過皮帶傳動帶動被測電機；被測電機產生的電能一方面通過給蓄電池充電釋放，另一方面消耗在大功率可調負載上；測控主機通過各繼電器與適配器對各部件進行控制，同時采集發電機轉速、電壓、負載電流等信號。

（2）拖動電機選擇。拖動電機是本檢測平臺的核心部件，用于帶動發電機、模擬實車狀況。為此，系統采用性能穩定、易于維護的三相異步電動機作為拖動電機。實際情況下，根據車型不同，車載發電機的額定功率及轉速也不盡相同，綜合主要車型，其發電機轉速一般為3000～6000r/min，額定功率為3～10kW，額定扭矩為15～35N·m。由n=3000/P（n為同步轉速，P為磁極對數）可知，在工頻下拖動電機采用變極調速和變轉差率調速均無法滿足本檢測平臺實驗需求，需采用變頻調速。調速時，由于調速頻率大部分時間大于額定頻率，應保持輸入電壓不變，轉速增加時，將磁通和轉矩減小，以維持不變的高功率輸出，根據上述需求，最終選擇作為拖動電機的三相交流異步電動機參數如表1。

表1 三相交流異步電動機參數

由拖動電機有功功率計算公式：

可得該拖動電機有功功率為11．26千瓦，滿足試驗需求并流有10%的余量。

由拖動電機扭矩計算公式：可得在額定轉速下扭矩為37．7N·m，滿足試驗需求。（3）變頻器及控制電路設計。變頻器在本檢測平臺作為拖動電機的控制裝置，需要有較好的系統可靠性。本系統選用EV2000系列通用變頻器，能夠實現三相380～440V、50～60Hz的額定電壓輸入，以及380V、0～650Hz的電壓輸出。其調制方式為磁通矢量PWM調制，啟動轉矩為0．50Hz時180%額定轉矩。能夠通過數字信號、模擬電壓、模擬電流、脈沖信號等多種方式控制輸出頻率，本平臺采用計算機DA輸出控制及分壓電阻手動控制雙重冗余設計，由適配器中的切換繼電器進行功能選擇。

（4）大功率可調能耗負載設計。實際使用過程中，由于車型不同、使用情況的差異，車上用電設備狀況變化程度較大。本系統采用費思科技的FT6800A大功率可控負載，有著恒電流、恒電壓、恒電阻、恒功率等測試模式以及良好的穩定性，能夠為發電機性能檢測提供強大的支持。

（5）通用卡具設計。不同型號的車載發電機尺寸和形態各異，以往的機械卡具往往是每一種發電機對應一種機械卡具，這樣明顯不利于本系統的綜合試驗檢測。為此，本檢測平臺設計了一種通用機械卡具，在保證被測發電機與傳動輪同心的要求下，被測電機可以徑向移動，從而改變卡具直徑，固定不同直徑的發電機。其傳動軸采用渦輪蝸桿結構，具有自鎖緊功能，從而省去額外的縮緊裝置。本機械卡具結構簡單，操作方便，能夠方便的更換、固定不同型號的被測發電機。

4 試驗例證

（1）起動電機空載試驗。在車輛起動后仍然保持按住起動按鈕，使起動電動機空轉，這就是通常所說的起動機空載試驗。對一阻力較大的起動電動機進行空載試驗，可以看出剛起動時瞬間起動電流很大，起動后電流有所下降，但空載時仍存在較高電流，而性能良好的起動電動機起動后電流應該很小，說明該電機需要維護保養。

（2）電源系統充電試驗。以某型車輛電源系統的充電試驗為例測試該試驗平臺的檢測性能。在試驗平臺上連接好發電機、調壓器與兩塊12V電平，調節變頻器，使發電機轉速逐步上升，電氣參數隨之實時變化，從電壓變化曲線可知，當發電機轉速較低時，未滿足充電條件，系統檢測到的電壓是電平的電壓。隨著轉速逐漸上升，發電機電壓開始升高，系統開始充電。當轉速升至約3500r/min，由于調壓器的作用，發電機電壓不再隨之上升。系統檢測性能良好。

5 結語

本文針對大功率車載電機測試需求，綜合考慮轉速控制、負載調解、電機安裝、人機交互等要素，模擬車載發電機和起動電動機實際工作環境，設計了大功率車載電機通用試驗平臺。該平臺能夠滿足多種型號車載電機的性能檢測需求，節省了檢測資源，提高了檢測效率。

[1]張豫南,謝永成． 裝甲車輛電氣與電子系統[M]． 北京:國防工業出版社,2003．

[2]李光升． 裝甲車輛電氣系統故障診斷[M]． 北京:裝甲兵工程學院,2010．12．

U469.72

A

1671-0711（2017）08（下）-0123-02