今天的柴油機研發速度和要求越來越高，對試驗設備的要求也變得高起來，高精度、高性能響應、高穩定性及節能，這些都是基本的要求。測功機作為最基礎的試驗測試設備，要求也在顯著的提高。目前的測功系統主要分為水渦流、電渦流、電力測功器三種，它們都擁有自己的特點，適合不同的使用要求。其中，電力測功機由于自己的顯著優點越來越受到歡迎。

• 電力測功器的原理對比

• 電力測功器的優點

• 電力測功器在試驗室的應用

• 未來電力測功器的使用

• 電力測功器原理

• 感應電機是利用電磁感應原理,通過定子的三相電流(L1,L2,L3)產生旋轉磁場,并與轉子繞組中的感應電流相互作用產生電磁轉矩,以進行能量交換。

定子繞組感應電勢有效值為：
 U≅E=4.44f  kφ
 U=E=定子電壓，f=供電頻率，k= 系數(常數)，φ= 磁通
 異步電機的調速方法：n=60f(1-s)/Pn。
 通過公式可以看出，如果進行調速，可以對極對數Pn、電機的轉差率s和頻率f進行調整。目前常用的調速方法包括改變極對數、改變轉差率以及變頻等，前面的幾種方法都不適合于平滑變速，應用范圍受到限制，變頻因為具有調速范圍寬、運行平滑、轉換效率高、有良好的靜態和動態性能等優點得到廣泛的應用。但是由于轉矩與磁通的關系，在電流相同時，磁通越大，扭矩相對就大，為了提供最大扭矩便于控制柴油機，必須盡量保持磁通最大，因此根據磁通變化產生了以下兩種控制方式
 

1.保持磁通恒定
 磁通：U1≅E1=4.44f1w1k1φ →U1/f1=C1φ
 扭矩：M=Cmφ I2cosϕ
 從以上兩公式可以作如下分析:
 U1不變時, f1↑ →φ↓ →M ↓
 U1不變時, f1↓ →φ↑ →磁路飽和→鐵損增加,繞組過分發熱，功率因素降低。
 故,只調節f 不行, 需同時調節U1和f1才可以保持磁通的恒定.。
 2.保持電壓為額定值
 在額定頻率以上調速，受到電機繞組絕緣強度的限制， 定子電壓不可能與
 頻率成比例地升高，只能保持在額定電壓，此時氣隙磁通將隨頻率的升高
 而反比例地下降，進入弱磁調速范圍。
 即從基頻向下變頻調速，保持E1/f1不變，Tmax、Dnm與頻率無關，機械特性平行，硬度相同，類似于直流電機的降壓調速，屬于恒轉速調速 
 從基頻向上變頻調速，升高電源電壓是不允許的，在頻率上調時，只能保持電壓不變，頻率越大，磁通就越小，類似于直流電機的弱磁增速。
 因此，變頻調頻的特點為：從基頻往下調時，為恒轉矩調速方式，從基頻往上調時近似為恒功率調速方式；調速范圍大；調速穩定性好；無級調速。
 變頻調速方式按結構主要分為交直交和交交變頻兩種
         

兩者相比，目前使用較多的是前面的交直交變頻方式，它可以結合三相異步電動機進行的變頻調速，主要有恒壓頻比控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等，前兩者的動態調速性能稍差，在測功系統中應用得比較多的是后兩者。
 矢量控制方式基于異步電動機的按轉子磁鏈定向的動態模型，將定子電流分解為勵磁分量和與之垂直的轉矩分量，參照直流調速系統的控制方式，分別獨立的對兩個電流分量進行控制，類似于直流調速系統中的雙閉環控制方式，該方式需要事先轉速和磁鏈的解耦，控制方式較復雜，但可以實現類似于直流電機的調速性能。
 直接轉矩控制方式同樣是基于動態模型的，其控制閉環中的內環，直接采用了轉矩反饋，并采用砰-砰控制，可以得到轉矩的快速動態響應，并且控制相對要簡單一些。
 我們目前使用的系統中，西門子使用的是矢量控制方式，ABB使用的是直接轉矩方式，阿爾斯通使用的是，兩者控制各有優點，都較好的滿足了我們的使用要求。

• 電力測功器的優點

• 節能

水力、電渦流是將柴油機發出的機械能轉換為水的熱能以達到測功的目的，雖然水在經過水循環后可以重復利用，但是熱能無法回收，只能白白浪費。電力測功器卻可以把產生的機械能轉換為電能回饋到內部電網，供其他電氣設備使用，其電能回饋效率可達92%以上，使節能的一種好選擇。

• 高精度

電力測功器無論是直接轉矩還是矢量變頻控制方式都可以實現對轉速和扭矩的良好控制，配合高性能的扭矩傳感器和轉速傳感器的使用，可以保證測功器控制扭矩和轉速在±1到2之間。這樣的精度，滿足了我們對柴油機測試精確控制以及測量范圍較大的要求

• 高性能

電力測功器的加載特性在0到額定轉速時為恒轉速扭矩特性，在額定轉速到最高轉速時為恒功率特性，這滿足了柴油機啟動和測試的動力要求。水力測功器僅能一個方向加載，電渦流測功器雖然可以兩個方向加載但是不能實現倒拖功能，而電力測功器可以雙向加載還可實現倒拖功能。

• 高穩定

作為測功器的電機技術極為成熟，其工作的穩定性成為測功器運行的基礎，從使用過程來看，使用的穩定性和可對比性相對于其他兩種測功器有明顯的優勢。

• 可維護性

目前電機的技術相對成熟，相對維護時間較長，一般為5000到10000小時才需要維護一次。從目前使用來看，基本沒有出過什么大問題。

• 電力測功器在試驗室的應用。

目前我們試驗室有6臺電力測功器在使用，并有多臺設備在安裝調試。
 2005年，我們與常通合作在國內率先開始了電力測功器的應用研究，整套系統采用了西門子電機+西門子調速柜+西門子PLC控制+常通柴油機控制系統+HBM扭矩儀的配置組合。
 其控制原理主要為
 從圖上可以看出，系統采用西門子電機端的轉速測量編碼器測量柴油機轉速，該編碼器輸出的是1024的脈沖信號，帶有A、B信號可以測量轉速方向，具有很高的測量精度。
 HBM的T10F扭矩儀是現在許多電力測功器都使用的測量工具，動態響應性好，精度和穩定性也很好，在AVL、申克等國外公司的電力測功器上都有應用，它分為轉子和定子兩部分，轉子采用應變片電橋測量柴油機轉動過程中的扭矩，并將該信號轉換為頻率信號，然后通過遙測信號傳遞給定子；定子除了接受轉子的信號并進行濾波、放大轉換等以供分析外，還通過變壓器為轉子提供電源。整個扭矩儀最終測量輸出的信號為頻率信號，控制柜根據該信號進行分析。
 電機采用西門子JD系列電機，在國內的電子測功器屬于使用比較多的，其起動扭矩很大，在額定轉速下為恒扭矩特性，在此后直到最大功率轉速為恒功率特性，高扭矩范圍較寬，可以滿足柴油機測試的特性。其特性曲線如下
   

圖中：T—額定扭矩，P—額定功率，nN—額定轉速，n1—最大功率轉速，nN—最高轉速。
 變頻器使用的是西門子的6SE系列，這是

下位機，這是展現國產廠家的水平的地方，需要實現的功能主要包括：
 1、采集各種柴油機參數，包括溫度、壓力、排溫等以及其他需要記錄的數據，提供開關量和模擬量的輸入輸出功能，以方便控制
 2、通過控制柴油機油門實現對柴油機的控制，以實現多種控制方式，并進行PID控制
 3、進行通訊控制，對各種試驗保障設備及其他設備進行通訊控制
 4、其他的擴展功能

• 電力測功器在試驗室目前的應用

• 可以進行日常的性能試驗，電力測功機與其他測功機相同，可以進行各種性能試驗，包括外特性、負荷特性、萬有特性等

• 進行耐久試驗，由于電力測功機具有的控制穩定、故障率較低等優點和功率可發電回收特點，可以進行各種耐久試驗，從國產電力測功機建立，進行了大量的耐久試驗，尤其是帶負載變工況試驗，從試驗情況來看，控制穩定，試驗效果良好

• 由于電力測功機的高性能，可與排放設備組合進行排放認證試驗，主要是ESC、ELR、ETC排放試驗。

如ELR，由于電力測功機的控制參數穩定，因此對于ELR的試驗中要求的加載時轉速穩定在±150r/min，減載時在30S內轉換到相應的下一個轉速，可以輕松滿足，即使相對于功率較大的柴油機，也可以輕松滿足要求，而且一般PID都有較大的余量，即使對柴油機進行部分參數調整也可以達到要求。如圖下

對于ETC循環，電力測功機是唯一的試驗選擇，在循環中，包括城市道路、鄉村道路、高速公路三種工況，其中的城市道路工況變化較劇烈，對于測功機的要求很高，經過調整，我們的試驗工況都可以成功進行，完全滿足柴油機或者氣體機ETC試驗的要求。如圖下

• 可以進行摩擦功倒拖試驗和排氣制動試驗，以前，這樣的試驗需要兩臺柴油機互拖實現，由于電力測功機可以四象限工作，雙向加載，因此可以輕松進行這種試驗，目前我們已經進行過多次摩擦功測量試驗和排氣制動試驗，還成功進行過ECU控制排氣制動耐久試驗，試驗效果良好。

• 進行一些其他的非常規試驗，

• 結論

到目前為止，從電力測功器在試驗室應用以來，它充分展示了控制穩定、精度較高等優點，進行了大量的試驗