1 引言
變速箱擔負著汽車扭矩和速度的匹配工作，良好的變速器可以提高汽車發(fā)動機效率，降低汽車油耗。所以，汽車制造企業(yè)對變速箱的研究投入很大精力，隨之而來的變速箱測試臺的價值也突顯無疑。而選擇一款動、靜態(tài)性能優(yōu)越的傳動裝置可以說是測試技術的關鍵。
2 變速箱測試臺的工藝要求
該測試臺主要完成對變速箱的測試任務。主要包括變速箱的疲勞試驗、傳動效率試驗等，還包括：齒輪的移動和同步、變速箱的調校、離合器性能等方面。這些都需要負載扭矩能夠快速變化，此外試驗中還要動態(tài)模擬多種負載源，這就需要傳動具有很好的動、靜態(tài)性能，體積小，可擴展能力強等特點。
如圖1，原系統(tǒng)采用一臺直流電機作為加載輸出電機，一臺交流電機作為拖動輸入電機。
圖1 變速箱測試臺原理圖
被試變速箱由交流電機模擬發(fā)動機拖動，在離合器控制下，變速箱輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器拖動直流電機，并選擇四象限運行的整流器，保證直流電機的發(fā)電運行。形成電封閉式測試臺。圖2是該測試臺的加載電機速度轉矩曲線，根據(jù)此曲線和傳動功率的計算公式得到驅動及加載電機的功率約為45kw。
圖2 加載電機速度轉矩特性
其中κ為電機服務系數(shù)，取1.2~1.5；η為電機效率，取0.8；t為扭矩(n.m)；n為轉速（r/min）；p為電機功率（kw）。
3 傳動方案
變頻器控制交流電機的速度，直流調速器采用轉矩控制，模擬負載轉矩的變化。
傳動選用abb的acs800變頻器和直流調速裝置dcs502b。由于acs800采用dtc控制，變頻器不管是速度方式還是轉矩方式，切換時間可以控制在ms數(shù)量級。負載分配及傳動之間的通訊大約在2ms。測試的可重復性、動態(tài)性都可以得到保證。系統(tǒng)可以獲得精確的靜、動態(tài)速度和轉矩控制，閉環(huán)轉矩控制下，轉矩階躍上升時間小于5ms，閉環(huán)速度控制下，靜態(tài)精度為電機額定轉速的0.01%，動態(tài)精度為0.1~0.2%秒（100%階躍轉矩時）。同時，裝置可以有高啟動轉矩和超長的電纜連接。具有磁通優(yōu)化和可靠的電機模型，使得電機運行效率最大化。無振動力矩、無力矩紋波。acs800變頻器內(nèi)置直流電抗用以降低諧波，具有豐富的可選件幫助客戶完善系統(tǒng)的功能。drive bbbbbb調試軟件可以在線監(jiān)控傳動裝置，錄入動、靜態(tài)的數(shù)據(jù)和圖形。
直流調速器dcs502b為性能優(yōu)越的工程型傳動，性價比很高，廣泛用于冶金、造紙、礦山等領域，系統(tǒng)組態(tài)方便，調試簡單，可靠性高。能量可以回饋電網(wǎng)。
整套系統(tǒng)可以設置轉速、轉矩，實時采集系統(tǒng)各考察點的狀態(tài)，并通過上位機進行分析、判斷，打印數(shù)據(jù)、報表。
4 傳動運行分析
如圖3，當測試臺工作時，交流輸入側吸收電能產(chǎn)生拖動力矩，拖動變速輸入軸旋轉，此時，交流電機的電磁轉矩mac和轉速nac旋轉方向一致，克服阻力矩mfz，當mac=mfz時，系統(tǒng)穩(wěn)定運行在a點，電機工作在第一象限，參見圖4。
圖3 電氣系統(tǒng)單線圖
圖4 傳動運行分析圖
在直流電機端，變速箱輸出軸的旋轉力矩拖動直流電機軸，對直流電機而言相當于一個阻轉矩，電磁轉矩與速度旋轉方向相反，此時直流電機工作在第二象限的b點，為發(fā)電狀態(tài)，機械能轉換成電能，并回送到電網(wǎng)。參見圖5。
圖5 傳動機械特性和負載特性
調節(jié)變頻器給定轉速，直流電機力矩給定不變的情況下，交流電機的負載轉矩不變，直流電機的運行速度不變，圖5中的工作點會由a點變到a`。當交流輸入側速度不變，只改變直流轉矩給定，相當于交流電機的負載轉矩由mfz變到mfz`，此時，電機工作點將由a點到a``。
5 四驅傳動方案
上述背靠背的測試系統(tǒng)穩(wěn)定運行了近兩年后，客戶考慮要研發(fā)下一代變速箱，并對測試臺提出了更高的要求。首先是測試功率加大，其次，試驗臺將來應能搭載更多的試驗，諸如四輪驅動、老化試驗、其他特殊功能測試（abs和eps）。
附表為測試要求。
附表 測試要求
根據(jù)要求，首先選擇交流電機功率為185kw（有10%的裕量）。直流電機模擬負載并可以將能量回饋電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果，考慮到四輪驅動的特殊性，一般要求至少兩臺電機驅動，所以選擇直流電機功率為132kw。四臺電機可以由機械軸承連接，并能根據(jù)測試要求進行電機的切換。
主體設備組成見圖6。
圖6 四輪驅動變速箱測試臺設備布置圖
abb傳動配置：
（1）交流輸入側
變頻器acs800-04-0260-3 一臺；
脈沖編碼器接口 rtac-01 一塊；
dp通訊適配器 rpba-01 一塊。
（2）直流加載側
變流器 dcs502b-0450-41 四臺；
勵磁模塊sdcs-fex-2a-0016 四塊；
電抗器 md10 四只；
dp通訊適配器 npba-01 四塊。
（3）傳動系統(tǒng)單線圖（見圖7）
圖7 四輪驅動測試臺電氣系統(tǒng)單線圖
該測試臺具有完整的上位控制，采用plc控制，觸摸屏給定和監(jiān)控，profibus通訊。系統(tǒng)由使用方自己成套，abb工程師協(xié)助調試，一天的時間就完成了對該測試臺的傳動部分的調試。系統(tǒng)自投運至今，運行狀態(tài)良好，性能指標完全達到設計要求。
6 方案討論
由于用戶的經(jīng)費控制原因，上述測試臺的傳動方案也存在不足之處，我們有以下幾點改進建議：
（1） 采用全交流方案。這是國內(nèi)目前在測試臺技術方面的優(yōu)選方案。因為直流傳動雖然特性好，控制簡單，但直流電機價格較高，維護成本也不低，同時直流側回饋電網(wǎng)會造成電網(wǎng)畸變，產(chǎn)生諧波。
（2）關于全交流方案下的能量回饋處理，我們建議可以有三種方式。第一，采用公共直流母線方式。即將所有變頻器的直流母線引出接成共直流方式，這樣，由于傳動點的運行狀態(tài)不同，能量可以在母線之間流動。第二，采用igbt供電的四象限運行變頻器，如abb的acs800-17系列變頻器，取代直流調速器。能量可以回饋電網(wǎng)，并且諧波很低。四象限變頻器為標準產(chǎn)品，供電單元、lcl線側濾波器和充電電路都集成在傳動內(nèi)，外圍所需的附件少，所以成柜體積小，而且備件儲備的數(shù)量可以減少，方案簡單、成熟、可靠。第三，所有傳動都采用igbt供電的變頻器，無諧波干擾，并真正做到輸入和加載傳動在電氣上任意切換，無需調整機械，系統(tǒng)組態(tài)的靈活性大大加強，但系統(tǒng)的硬件費用較高。
7 結束語
通過對變速箱測試臺傳動技術的討論，我們可以看到變頻器的應用將會越來越成熟，并能有效促進國內(nèi)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。
作者簡介
梁薌倫（1970-） 男，電氣工程師，工業(yè)電氣自動化專業(yè)畢業(yè)，一直從事電氣傳動的實踐工作。
參考文獻
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[3] 北京abb電氣傳動系統(tǒng)有限公司.dcs500b系統(tǒng)描述,2007,1.
[4] 天津電氣傳動設計研究所. 電氣傳動自動化技術手冊(第2版)[m]. 北京：機械工業(yè)出版社,2005,6.
[5] 李成圓. 變頻器行業(yè)應用實踐（第1版）[m]. 北京：中國電力出版社,2006,5.
作 者：上海交通大學電子信息與電氣工程學院 梁薌倫
本文來自：2009年第10期“系統(tǒng)應用”上
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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