基于PXI的交流测功机系统开发

　　电子技术的飞速发展以及变频技术在异步电机电源供电方面的成功应用,为交流电力测功机提供了足够宽的调速范围和良好的工作性能。发动机动态试验台利用加载装置来模拟发动机在整车上实际运行时的负载状态和过程,从而无需装车即可研究发动机的动态特性。随着对发动机动态特性的深入研究,国内已经引进了很多国外先进的动态试验台,这些产品均采用交流测功机作为加载装置。

　　与其他类型的测功机相比,交流测功机具有响应快、控制精度高、运行可靠和便于维护等特点,综合性能较好。同时,交流电机既可以按电动机运行,也可以按发电机运行。按发电机运行时,测功机发出的电能,既可以消耗在负荷电阻上,在条件许可时,也可以输回到供电电网加以利用^[1] 。国外的交流测功机价格昂贵,而国内在这方面的研究尚处于起步阶段,对交流测功机系统进行开发设计是非常必要的。

　　1　系统硬件设计

　　首先,要搭建一套完整的系统平台。开发的平台基于PXI,再生能量的处理为反馈给电网;使用带能量回馈的变频控制器,以便于将测功电机吸收的能量直接反馈到供电电网,节省能源。

　　1.1　电机及其控制器

　　交流电机是交流测功机的核心硬件,要求能长期处于负载发电状态,转动惯量足够小,能够满足动态响应的要求;调速范围要足够宽,特性曲线能够满足作为负载的要求。目前,在交流电力测功系统中使用的交流电机主要是异步绕线式和鼠笼式电机,前者转速一般3 000 r/min左右,后者为高速测功机的首选^[2] 。

　　在动态试验台上,为能覆盖发动机的加载区域,最大转速一般要求达到6 000 r/min~10 000 r/min。因此,高速测功机采用鼠笼式交流电机,配以相应的变频控制器,通过变频调速获得高转速。在额定转速以下,为恒扭矩控制;在额定转速以上,为恒功率控制。本研究开发的平台中,暂时选用单输出轴太阳电AC90电机,输出功率110 kW,额定转速2 000 r/min,最高转速6 000 r/min;选用直接扭矩控制技术变频控制器。

　　1.2　油门执行器及其控制单元

　　在交流测功机系统中,为了实现动态的加载控制,油门执行器及控制单元也是十分重要的硬件。国外的测功机一般是通过CAN总线连接执行器和控制单元,采用IGBT伺服电机转换装置,并带集成无刷电机的线性位置单元。通过蜗轮蜗杆将电机的角行程线性转换成直线行程,再转化成油门的角行程,故执行器与油门之间的角行程是完全线性的,控制精度高,响应速度快,但价格比较昂贵。

　　考虑到阶段需要和成本,开发设计的平台中采用国产步进电机角行程油门执行器,其最大扭矩为15 N·m;最大转角为90°±5°;全行程响应时间为400 ms;采用与之配套的国产可控硅整流油门驱动控制器,作为控制单元。