共直流母線綜合傳動裝置電封閉試驗臺李宏才;閆清東;馬越【摘要】綜合傳動裝置是坦克履帶車輛上集變速、轉(zhuǎn)向等多功能為一體的重要傳動總成，裝車前需要進(jìn)行空損性能、牽引特性、耐久性等各種試驗.隨著環(huán)保意識和節(jié)能意識的提高，試驗臺建設(shè)中重點考慮節(jié)能問題.比較了各種類型試驗臺的優(yōu)缺點,在分析了綜合傳動裝置的變速和轉(zhuǎn)向原理基礎(chǔ)上，提出共直流母線綜合傳動裝置電封閉試驗臺方案，詳細(xì)介紹了共直流母線電封閉試驗方案的組成、原理以及變頻控制方式.大量的試驗證明,共直流母線試驗臺是非常成功的.【期刊名稱】《機(jī)電工程技術(shù)》【年(卷)，期】2012(000)001【總頁數(shù)】6頁(P39-44)【關(guān)鍵詞】綜合傳動裝置;直流母線;電封閉試驗臺【作者】李宏才;閆清東;馬越【作者單位】北京理工大學(xué)車輛傳動國家重點實驗室，北京100081;北京理工大學(xué)車輛傳動國家重點實驗室，北京100081;北京理工大學(xué)車輛傳動國家重點實驗室，北京100081【正文語種】中文【中圖分類】TH1641引言綜合傳動裝置是坦克履帶車輛上集變速、轉(zhuǎn)向等多功能為一體的重要傳動總成，在研制、生產(chǎn)過程中以及質(zhì)量鑒定時，需要進(jìn)行空損性能、牽引特性、耐久性等試驗，以便驗證性能、及時發(fā)現(xiàn)和解決問題、提高裝備可靠性。當(dāng)前車輛傳動系統(tǒng)的性能試驗采用的試驗臺可分為兩大類:一類為開放式，另一類為封閉式。開放式方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)含量低，但是系統(tǒng)輸入的試驗功率，幾乎全部被加載裝置以熱或電的形式消耗掉，能耗很大，不宜進(jìn)行大功率加載和疲勞耐久性試驗［1］。封閉式有機(jī)械封閉式、液壓封閉式和電封閉式。機(jī)械封閉是利用齒輪傳動箱將加載功率封閉起來，在傳動鏈中形成寄生功率，外部動力只負(fù)擔(dān)機(jī)械摩擦和攪油等損失的功率［2］。與開式試驗臺相比，機(jī)械封閉式試驗臺最顯著的優(yōu)點在于節(jié)能。但由于增加了傳動裝置和伺服加載裝置，組成相對較復(fù)雜，需陪試部件，在運(yùn)轉(zhuǎn)中改變載荷不易實現(xiàn)，力矩不易控制，試驗性能不夠穩(wěn)定，通用性較差［1］。液壓封閉式是通過泵和馬達(dá)來進(jìn)行功率封閉的，馬達(dá)作為動力，泵作為加載裝置，可進(jìn)行動態(tài)加載，且反應(yīng)較快。這種方式對泵、馬達(dá)的性能要求較高，有液壓輔助系統(tǒng)，占地面積較大，制造成本較高［3］。電封閉式變速器在臺架結(jié)構(gòu)上與開放式試驗臺類似，在實現(xiàn)加載功能的同時能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電的功能，發(fā)出的電力通過閉環(huán)系統(tǒng)提供給驅(qū)動端的電機(jī)或反饋給電網(wǎng)［4］，以達(dá)到節(jié)能的目的。2電封閉傳動試驗臺電封閉試驗臺有交流電反饋方式和直流電反饋方式兩種。直流反饋方式是由直流電動機(jī)拖動綜合傳動裝置帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電再回送給直流電動機(jī)驅(qū)動綜合傳動裝置，完成電能封閉。外卜部電網(wǎng)通過整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，提供系統(tǒng)運(yùn)行過程中的機(jī)械摩擦損失和效率損失［5］。由于直流電動機(jī)本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命的缺點，其逐漸被高性能交流調(diào)速系統(tǒng)所取代［1］。交流反饋方式有兩種，一是采用〃變頻器+交流電動機(jī)”驅(qū)動試驗綜合傳動裝置，負(fù)載發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過逆變器送回交流電網(wǎng)，實現(xiàn)能量反饋。此方案對電氣設(shè)備運(yùn)行的同步、同相的要求較高，導(dǎo)致電氣設(shè)備復(fù)雜，工作可靠性差，且對公共電網(wǎng)造成污染。目前逐漸被基于直流母線的電封閉方式取代［1，4］。直流母線電封閉方式采用一個整流器將外部電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給直流母線，一臺連接到該直流母線的直一交變頻器驅(qū)動交流電動機(jī)拖動綜合傳動裝置，兩臺負(fù)載發(fā)電機(jī)反饋的電能以直流的形式反饋給直流母線，能量在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，外卜部電網(wǎng)通過整流電路向直流母線提供少量電力，用以補(bǔ)充系統(tǒng)運(yùn)行過程中的機(jī)械摩擦損失和效率損失［5］（圖1）。由于外部電網(wǎng)到直流母線間的能量只是單向傳輸，避免了電機(jī)發(fā)電對電網(wǎng)的干擾以及并網(wǎng)發(fā)電對電氣設(shè)備運(yùn)行的同步同相要求的難題［4,6］。3綜合傳動裝置的工作原理現(xiàn)代綜合傳動裝置是由液力元件、變速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動裝置、液壓元件、機(jī)械或電液控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及其它傳動機(jī)構(gòu)組成，安裝在一個箱體內(nèi)外的傳動單元。主要完成車輛變速、轉(zhuǎn)向、倒車等功能。在綜合傳動裝置裝備前要完成空載損失、牽引特性、負(fù)載轉(zhuǎn)向、中心轉(zhuǎn)向、換檔特性和可靠性等試驗。圖1共直流母線綜合傳動裝置電封閉試驗系統(tǒng)（1）直線行駛在做直線行駛試驗加載時，單側(cè)加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：其中，Me為模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，iq,ib,ih,is分別為綜合傳動裝置前傳動傳動比，變速機(jī)構(gòu)傳動比，匯流排傳動比，試驗臺增（減）速箱傳動比，nq，nb，nh，ns分別為綜合傳動裝置前傳動效率，變速機(jī)構(gòu)效率，匯流排效率，試驗臺增（減）速箱效率。試驗臺增（減）速箱是為匹配加載電機(jī)和綜合傳動裝置轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩而配置的。加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：式（2）中，ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。在傳動試驗臺中，為了加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠覆蓋綜合傳動裝置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，在綜合傳動裝置后增加（減）速箱。在直線行駛時，兩臺加載電機(jī)均作為發(fā)電機(jī)工作，輸出功率。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（n>ns），則轉(zhuǎn)差率s<0。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢以及電流的有功分量與電動機(jī)狀態(tài)時相反，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)［7］。（2）轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向時，當(dāng)相對轉(zhuǎn)向半徑p>0.5時，內(nèi)、夕卜側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：式（3）中，f為地面變形阻力系數(shù)，G為車重，L為履帶接地長，B為履帶中心距，R為主動輪半徑，nx為行動裝置效率，ic為側(cè)傳動比，冬為側(cè)傳動效率?！鯙檗D(zhuǎn)向阻力系數(shù)，通常用如下公式表示:相對轉(zhuǎn)向半徑，n、n分別為12內(nèi)夕卜側(cè)的輸出轉(zhuǎn)速。當(dāng)相對轉(zhuǎn)向半徑p<0.5時，內(nèi)、夕卜側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：此時內(nèi)側(cè)電機(jī)n1為負(fù)，外側(cè)電機(jī)n2為正。從公式（3）可以得到，在某一轉(zhuǎn)向半徑以內(nèi)，內(nèi)側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正，而轉(zhuǎn)速皆為正，內(nèi)側(cè)電機(jī)作為電動機(jī)輸入功率，外側(cè)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)輸出功率。這是履帶車輛特有的功率回流現(xiàn)象。而在p<0.5以內(nèi)，兩臺電機(jī)皆作為發(fā)電機(jī)輸出功率。在試驗臺做轉(zhuǎn)向試驗時，通過控制電機(jī)工作在不同的象限實現(xiàn)電機(jī)處于電動狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時（ns>n>0），轉(zhuǎn)差率0<s<l。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子方向相同，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。此時電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率，通過電磁感應(yīng)，由轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率，電動機(jī)處于電動狀態(tài)［7］。采用共直流母線電封閉試驗臺，各逆變器都掛接在直流母線上，當(dāng)部分電動機(jī)處于再生發(fā)電運(yùn)行時，其再生發(fā)電能量可以通過直流母線提供給其他處于電動運(yùn)行的電路，形成能量的均衡通道；各電動機(jī)工作在不同狀態(tài)的能量回饋互補(bǔ)優(yōu)化了系統(tǒng)動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)諧波電流，提高了系統(tǒng)用電效率［4］。綜合傳動裝置試驗時，輸出兩側(cè)的電機(jī)有可能是發(fā)電機(jī)，也有可能是電動機(jī)，因此采用共直流母線電封閉試驗臺是最好的選擇。4共直流母線的綜合傳動試驗臺組成與原理公共直流母線主要應(yīng)用于多電機(jī)傳動系統(tǒng)中，用于控制調(diào)速系統(tǒng)的高精度，并且提高能源的利用率。共直流母線綜合傳動裝置電封閉試驗臺組成圖見圖2。試驗臺主要由綜合傳動裝置試驗機(jī)械系統(tǒng)、共直流母線變頻控制系統(tǒng)、中央控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。綜合傳動裝置試驗機(jī)械系統(tǒng)包括驅(qū)動電機(jī)、加載電機(jī)、輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、被試綜合傳動裝置、匹配增（減）速箱；中央控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)顯示等部分組成；共直流母線變頻控制系統(tǒng)包括進(jìn)電整流單元、直流母線、逆變器等。圖2綜合傳動裝置共直流母線電封閉系統(tǒng)組成（1）直流母線的工作原理直流母線控制架構(gòu)包括整流/回饋單元、直流母線、逆變器等。公共直流母線的整流/回饋單元為系統(tǒng)提供一個具有一定容量的直流電源，于是就形成了一個直流公用母線，它為所有的逆變器提供直流電。調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的。當(dāng)系統(tǒng)中某電機(jī)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從母線上獲取電能；當(dāng)某電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時，能量通過母線及回饋裝置回饋給直流母線，回饋的能量可用于驅(qū)動系統(tǒng)中其它處于電動狀態(tài)的電機(jī)，以達(dá)到節(jié)能、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積等目的［8-10］。（2）變頻調(diào)速控制的原理與方式按照傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的調(diào)速理論，異步機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)為式（5）中:p為極對數(shù)，f為異步機(jī)供電頻率，s為轉(zhuǎn)差率。根據(jù)公式，異步機(jī)調(diào)速方式可以采用變頻、變極、變轉(zhuǎn)差率三種方式。變極只能是有級的調(diào)速，無級調(diào)速只有變頻和變轉(zhuǎn)差率。由于轉(zhuǎn)差功率是損耗功率，改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速是低效率的［11］。異步機(jī)的轉(zhuǎn)速是由旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速決定的，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變，變頻就實現(xiàn)了調(diào)速。變頻調(diào)速效率高，并具有調(diào)速范圍寬，精度高等優(yōu)點。使用變頻器的電控系統(tǒng)，操作方便、易控，而且又能實現(xiàn)軟起動和軟停車，變頻調(diào)速優(yōu)越的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果使其成為現(xiàn)代化電氣傳動的主要發(fā)展方向之一［12］。無論功率大小，變頻器對異步電機(jī)的控制都是根據(jù)電機(jī)的特性參數(shù)及運(yùn)行要求，對電機(jī)提供電壓、電流、頻率進(jìn)行控制，滿足負(fù)載的要求。目前變頻器對電機(jī)的比較成功的控制方式大體可分為U/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。U/f恒定控制是異步電動機(jī)最基本的變頻調(diào)速控制方式，又稱為變壓變頻控制（VVVF）。通過改變電動機(jī)電源頻率的同時改變電動機(jī)電源的電壓，使電動機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機(jī)的效率及功率因數(shù)不下降。由于感應(yīng)電動勢難以直接測量，所以一般用定子相電壓來代替感應(yīng)電動勢。U/f恒定控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，設(shè)定值為定子頻率也就是理想空載轉(zhuǎn)速，而電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)差率所決定，這樣U/f恒定控制方式存在穩(wěn)定誤差不能控制，故無法準(zhǔn)確控制電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。另外，U/f恒定控制的主要問題是低速性能差。低速時異步電動機(jī)定子電阻壓降所占比重增加，不能認(rèn)為定子電壓和感應(yīng)電動勢近似相等，仍然按照U/f恒定控制己不能保持電機(jī)磁通恒定，可以通過閉環(huán)控制來改善U/f恒定控制的性能［1，4,7］。轉(zhuǎn)差頻率是施加于電動機(jī)的交流電源頻率與電動機(jī)速度的差頻率。當(dāng)頻率一定時，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率［1］。轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流。與U/f恒定控制相比，轉(zhuǎn)差頻率控制對調(diào)速范圍和起動、制動性能有了很大改善，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，速度的靜態(tài)誤差小。但是還不能夠完全適應(yīng)高動態(tài)性能系統(tǒng)，不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平［1，4,7］。矢量控制是基于磁場定向原理來實現(xiàn)的。通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量相互垂直，彼此獨立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此矢量控制的關(guān)鍵是對電流矢量的幅值和空間位置的控制。矢量控制是一種高性能的控制方式，其具有調(diào)速范圍寬、系統(tǒng)反應(yīng)速度快、加減速特性好、低頻轉(zhuǎn)矩增大和控制靈活并能四象限運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點，但是矢量控制變頻器需要具備對電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能［7］。直接轉(zhuǎn)矩控制是自七十年代發(fā)展起來的繼矢量控制方式之后出現(xiàn)的又一種具有高性能的新型交流調(diào)速技術(shù)。不同于矢量控制技術(shù)，它利用空間矢量、定子磁場定向分析方法，直接在定子交流坐標(biāo)系下分析感應(yīng)電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，估算定子磁鏈和輸出轉(zhuǎn)矩，不需要對電動機(jī)的模型進(jìn)行解耦，轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制，控制定子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子磁鏈的影響，并直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。直接轉(zhuǎn)矩控制有著自己的特點，它省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，它的控制性能受電動機(jī)參數(shù)變化的影響較小，它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高靜態(tài)、動態(tài)性能的交流調(diào)速方法［13-14］。5試驗臺參數(shù)選擇與試驗按照以上分析采用ABB公司的ACS800多傳動系統(tǒng)，建立共直流母線電封閉綜合傳動試驗臺。ACS800多傳動系統(tǒng)主要由輔助控制單元（ACU）、進(jìn)線單元（ICU）、供電單元（DSU）、直流母線、傳動單元和控制部分等組成，控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制［14］。IGBT供電單元把三相交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，用于再生傳動系統(tǒng)。供電單元由二繞組變壓器供電。IGBT供電電源可顯著減少電網(wǎng)中的諧波含量，電流總諧波小于4%。進(jìn)線單元中標(biāo)配有進(jìn)線LCL濾波器和二類環(huán)境EMC濾波器等。逆變單元型號為ACS800—104—1740—7—R8i，每一個逆變器都有一個傳動控制單元（DCU），它包括應(yīng)用和電機(jī)控制器（AMC）和標(biāo)準(zhǔn)I/O板。逆變器內(nèi)部有電容器，用以消除直流母線的電壓波動。它通過熔斷器和直流母線連接。變頻電機(jī)采用AMA450L4A，690V，1300kW，額定轉(zhuǎn)速為2400r/min。試驗臺性能參數(shù)為:驅(qū)動加載額定功率1000kW，額定轉(zhuǎn)速2400r/min，額定轉(zhuǎn)矩6366Nm，具有恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩兩種控制模式，轉(zhuǎn)速控制精度為±1r/min，轉(zhuǎn)矩控制精度為0.5%，額定轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間＜40ms，空載額定轉(zhuǎn)速的最快響應(yīng)時間0.8s。圖3為建設(shè)的共直流母線試驗臺圖片，圖4為某步兵戰(zhàn)車綜合傳動裝置某檔位轉(zhuǎn)向試驗曲線。試驗臺具備四象限運(yùn)行、零速加滿載、消除自身慣量、模擬道路載荷、模擬發(fā)動機(jī)外特性和電能量閉式循環(huán)等功能，滿負(fù)荷情況下最大節(jié)能效率達(dá)90%。滿足履帶車輛綜合傳動裝置轉(zhuǎn)向試驗中復(fù)雜的功率回流、大功率節(jié)能和高動態(tài)加載的要求。圖3共直流母線綜合傳動裝置電封閉試驗臺圖4轉(zhuǎn)向試驗曲線6結(jié)論試驗臺建成后，進(jìn)行了大量的試驗，得出如下結(jié)論。綜合傳動裝置采用共直流母線電封閉試驗方案是合理的、成功的。能源利用率高。采用該電封閉技術(shù)方案，雖然使用了3臺1000kW的電動機(jī)，但實際試驗臺從電網(wǎng)攝取的電能非常有限，滿負(fù)荷情況下最大節(jié)能效率達(dá)90%，節(jié)能效果明顯。試驗臺按照T形單輸入雙輸出建設(shè)，可以進(jìn)行綜合傳動裝置試驗、輪式車輛驅(qū)動橋試驗。也可以按照〃一”字型布置，完成傳動部件如液力變矩器、變速箱、離合器、制動器等試驗，節(jié)能效果同樣顯著。參考文獻(xiàn)：[1]王中應(yīng)，傅頂和.汽車驅(qū)動橋總成齒輪疲勞試驗臺的研究與設(shè)計[J].汽車科技，2008(1):25-27.[2]張小青，王細(xì)洋.電能回送式齒輪故障診斷試驗臺設(shè)計[J