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柴油發(fā)電機(jī)功率測量器具的工作原理 |
有效功率是表明標(biāo)志柴油發(fā)電機(jī)性能的主要指標(biāo)，可通過在測定有效扭矩及輸出軸的轉(zhuǎn)速后得出有效功率。其功率試驗(yàn)通常采用測功器來測量，一般由制動器、測力機(jī)構(gòu)及測速裝置等部分組成。測功器按制動器工作原理的不同來分類，分為水力測功器、電渦流測功器、機(jī)械測功器和空氣動力測功器等。
一、測功機(jī)工作原理
工作時(shí)，通過控制器提供激磁電流給磁滯測功機(jī)，磁滯測功機(jī)內(nèi)部線圈通電時(shí)則產(chǎn)生磁力線，通過定子齒極、氣隙、轉(zhuǎn)子磁滯杯，形成一閉合磁路，由于磁力線在齒凸極部分分布較密，齒間分布較稀，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁滯杯上感應(yīng)電勢并產(chǎn)生渦流，渦流和磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩即為負(fù)載力矩。該力矩的大小只與控制器加在測功機(jī)線圈上的電流大小有關(guān)，而與被試電機(jī)拖動測功機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度基本無關(guān)。
測功機(jī)的主要區(qū)別也是原理的不一樣，具體的性能上也有差異。舉個(gè)例子說，像磁滯測功機(jī)主要應(yīng)用于微小功率高轉(zhuǎn)速的電機(jī)加載測試，如一些微小電機(jī)；而磁粉測功機(jī)適用于低速大扭矩，中小功率的加載測試，如小型電機(jī)或者減速機(jī)的加載；電渦流測功機(jī)則適用于中高轉(zhuǎn)速，功率范圍適用更大一些的加載測試，如電機(jī)、減速機(jī)、發(fā)動機(jī)等，所用于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。
水力、電渦流測功機(jī)的基本原理是將柴油機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能由水冷卻后把熱量帶走，柴油機(jī)發(fā)出的能量不能回收，轉(zhuǎn)換過程中亦需耗費(fèi)能量。而電力測功機(jī)卻可以把柴油機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。
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二、測功器的分類
1、水力測功器
水力測功機(jī)機(jī)體部分的功能是吸收驅(qū)動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)子、定子、軸、外殼等組成。定子直接與外殼鑄造為一體，接受轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的反作用力矩產(chǎn)生擺動，轉(zhuǎn)子軸端采用聯(lián)軸器與被測傳動設(shè)備相連接。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同，水力測功機(jī)主要有葉輪式、孔盤式和光盤式。其中葉輪式的測功機(jī)比功率（功率與重力之比）最大，同等功率等級，該形式的測功機(jī)尺寸更小，轉(zhuǎn)子慣量也小，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，適用于渦軸發(fā)動機(jī)測試中的加減速試驗(yàn)。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，水流在殼體內(nèi)部葉輪之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)象，在將測功機(jī)的輸入能量轉(zhuǎn)換為水的內(nèi)能過程中，由于水溫的升高和局部壓力的降低容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。氣蝕會產(chǎn)生高頻噪聲和壓力脈動，進(jìn)而引起高速水力測功機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致運(yùn)行壽命明顯縮短。
（1）孔盤式測功機(jī)
與葉輪式測功機(jī)相比，孔盤式測功機(jī)比功率較小，尺寸質(zhì)量相對較大，其耗功原理與葉輪式類似，但氣蝕風(fēng)險(xiǎn)大大降低。孔盤式測功機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示。
（2）光盤式測功機(jī)
與葉輪式和孔盤式測功機(jī)相比，光盤式測功機(jī)是通過黏性剪切而非湍流作用吸收動力，使其在抗氣蝕能力方面具有更大的優(yōu)勢，壽命相對較長。由于光盤式吸收功率的原理，使其比功率較小，同等功率等級的測功機(jī)，光盤式尺寸更大，轉(zhuǎn)動慣量大，對外界的控制敏感度相對較低，控制響應(yīng)較慢。
（3）葉輪式測功機(jī)
葉輪式測功機(jī)通常為單向旋轉(zhuǎn)，對于存在雙向測試需求的情況，可選用軸兩端均可連接被測設(shè)備的測功機(jī)，通過調(diào)轉(zhuǎn)測功機(jī)位置[3]，實(shí)現(xiàn)不同旋向的試驗(yàn)需要；也可通過額外配置轉(zhuǎn)盤的方式實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。孔盤式和光盤式測功機(jī)可用于雙向測功，不需掉轉(zhuǎn)方向，也無須配置額外的轉(zhuǎn)盤。
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水力測功機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 |
2、電渦流測功器
電渦流測功器由電渦流制動器和測力機(jī)構(gòu)組成。
（1）電渦流制動器由轉(zhuǎn)子部分、擺動部分和固定部分組成。轉(zhuǎn)子部分是以轉(zhuǎn)子軸帶動轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)動。擺動部分有渦流環(huán)、勵磁線圈和外環(huán)。固定部分有底座和支架。
（2）當(dāng)勵磁線圈中通入直流電時(shí)，產(chǎn)生磁場，磁力線通過轉(zhuǎn)子盤、渦流環(huán)、擺動體外環(huán)和它們之間的空氣隙而閉合。轉(zhuǎn)子盤外圓上有均布的齒槽相間，轉(zhuǎn)子盤外圓上的空氣隙寬窄間隔均布。因此，轉(zhuǎn)子盤外緣產(chǎn)生疏密相間的磁力線。當(dāng)轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)動時(shí)，疏密相間的磁力線與轉(zhuǎn)子盤同步旋轉(zhuǎn)。對于渦流環(huán)內(nèi)表面上的任一固定點(diǎn)，穿過它的磁力線發(fā)生周期性變化，就產(chǎn)生了電渦流。
（3）電渦流在勵磁磁場作用下，受力方向與轉(zhuǎn)動方向相同，使擺動體向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向偏轉(zhuǎn)，擺動體對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動扭矩。此制動扭矩由擺動體通過測力臂架作用在扭矩傳感器上，將扭矩值信號輸出。
（4）轉(zhuǎn)速信號是由裝在電渦流制動器轉(zhuǎn)軸上的測速齒盤產(chǎn)生脈沖信號，一般有60個(gè)齒，與之對應(yīng)安裝的轉(zhuǎn)速傳感器接收脈沖信號，輸出轉(zhuǎn)速信號。
（5）柴油發(fā)電機(jī)輸出的功率，可由測得的扭矩、轉(zhuǎn)速，經(jīng)測控系統(tǒng)“計(jì)算”后，由顯示系統(tǒng)標(biāo)出。
（6）渦流環(huán)和轉(zhuǎn)子盤都采用高磁導(dǎo)率，高電導(dǎo)率的純鐵制造，轉(zhuǎn)子尺寸和質(zhì)量比相同功率容量的直流電機(jī)要小得多，其結(jié)構(gòu)簡單，可在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。
（7）電渦流測功器的工作特性，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，制動力矩隨勵磁電流和轉(zhuǎn)速的增加而迅速增大。當(dāng)I值一定時(shí)，在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，扭矩幾乎不再增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，扭矩隨i值增加而增大，在i值增大到勵磁線路的磁通飽和時(shí)，扭矩則不再增加。
（8）測功器控制系統(tǒng)
在進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)扭矩曲線隨轉(zhuǎn)速上升至某一轉(zhuǎn)速區(qū)間，單純增減勵磁電流i來保持轉(zhuǎn)速一定進(jìn)行試驗(yàn)是很困難的。因此，電渦流測功器，除了用手動調(diào)整勵磁電流的控制方式外，多附加自動控制裝置，使勵磁電流隨轉(zhuǎn)速自動變化。
電渦流測功器所消耗的勵磁功率很小，只需變動幾個(gè)安培勵磁電流就能自由控制吸收的扭矩，這樣，便能方便地實(shí)現(xiàn)控制自動化，有利于實(shí)現(xiàn)按預(yù)定規(guī)范試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)時(shí)無人操縱運(yùn)轉(zhuǎn)。
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電渦流測功器結(jié)構(gòu)示意圖 |
三、測功機(jī)主要特點(diǎn)
1、節(jié)能（像水力、電渦流測功機(jī)）
2、緊急保護(hù)特性
測功機(jī)本身具有過流，斷相等保護(hù)功能，配合控制系統(tǒng)的超速保護(hù)功能，有效的避免了因柴油機(jī)故障而引起的測功機(jī)損壞和柴油機(jī)故障的擴(kuò)大。
電渦流測功機(jī)可以雙向加載，但在低速時(shí)加載性能比水力測功機(jī)還差，不能作為反拖設(shè)備，在需要做發(fā)動機(jī)機(jī)械效率試驗(yàn)時(shí)需要另外配置拖動設(shè)備。
3、瞬態(tài)加載特性
像水力測功機(jī)的加載反應(yīng)時(shí)間基本上在秒級，電力測功機(jī)的加載反應(yīng)主時(shí)間為ms級，這主要取決與變頻器的階躍響應(yīng)和系統(tǒng)的慣性
4、加載方式
像水力測功機(jī)只能在一個(gè)方向加載，同時(shí)轉(zhuǎn)速低于一定值時(shí)加載性能變差；不能作為反拖設(shè)備，在需要做發(fā)動機(jī)機(jī)械效率試驗(yàn)時(shí)需要另外配置拖動設(shè)備。
5、可靠性
普萊德測功機(jī)的負(fù)載電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、變頻器均經(jīng)國家權(quán)威部門嚴(yán)格檢測，完全符合相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
6、反拖特性
水力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)本身只消耗柴油機(jī)能量，不能提供驅(qū)動動力，因此不能作為反拖設(shè)備。電力測功機(jī)可以方便的轉(zhuǎn)換成電機(jī)拖動模式，從電網(wǎng)吸收能量，作為動力機(jī)械倒拖柴油機(jī)。
7、可維護(hù)性
由于采用了完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/國家標(biāo)準(zhǔn)的配套件，用戶在維護(hù)時(shí)不必依賴制造商，完全可以自行進(jìn)行日常的維護(hù)保養(yǎng)，甚至在需要更換主機(jī)和傳感器時(shí)亦可獨(dú)立完成，降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
8、基建費(fèi)用低
交流測功機(jī)本身帶有風(fēng)機(jī)冷卻，無需水冷裝置（包括水池和循環(huán)管道），節(jié)省基建費(fèi)。
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