取力發(fā)電系統(tǒng)在移動應(yīng)急平臺中的可靠性設(shè)計(jì)

顏大慶 韓春暉 李強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007)

取力發(fā)電系統(tǒng)在移動應(yīng)急平臺中的可靠性設(shè)計(jì)

顏大慶 韓春暉 李強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007)

通過分析取力發(fā)電系統(tǒng)的電源特性，針對取力發(fā)電系統(tǒng)故障的特點(diǎn)，介紹了取力發(fā)電系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)采取的措施，實(shí)現(xiàn)了在移動環(huán)境下的穩(wěn)定供電。

取力發(fā)電系統(tǒng)；移動應(yīng)急平臺；可靠性

1 概述

在自發(fā)電模式中，最常見的是油機(jī)發(fā)電和取力發(fā)電。油機(jī)因其噪聲高、質(zhì)量和體積大，從根本上限制了自身的應(yīng)用環(huán)境。而取力發(fā)電體積小、質(zhì)量輕、適合行駛中發(fā)電，也符合節(jié)能環(huán)保要求，是移動應(yīng)急平臺自發(fā)電供電的理想模式[1]。

移動應(yīng)急平臺中的設(shè)備和設(shè)施正常工作需要穩(wěn)定的自發(fā)電供電支撐，在移動環(huán)境下沒有有效的供電，車載設(shè)備將無法正常工作，應(yīng)急指揮工作也無法正常開展。因此，提高取力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，一直以來都是特種車輛改裝行業(yè)努力探討的課題之一。

2 取力發(fā)電系統(tǒng)組成

取力發(fā)電系統(tǒng)的原理是利用車輛自身發(fā)動機(jī)作為驅(qū)動源。按取力點(diǎn)不同，可分為取力器取力、液壓泵取力和曲軸輪取力3種驅(qū)動模式[2]。其中，取力器取力和液壓泵取力需要車輛的減速箱帶有取力口或車輛底盤已安裝液壓泵才可安裝使用。 而曲輪軸取力是現(xiàn)今最常用的移動應(yīng)急平臺取力方式，但由于車輛發(fā)動機(jī)艙空間有限，曲軸輪取力安裝難度是最高的。曲軸輪取力發(fā)電系統(tǒng)主要由取力發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)控制單元、增功模塊、安裝組件和電纜組成。原理示意圖如圖1所示。

3 可靠性設(shè)計(jì)

3.1 取力發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對取力發(fā)電機(jī)采用冗余設(shè)計(jì)，采用2臺取力發(fā)電機(jī)同時(shí)接入電路，在每臺取力發(fā)電機(jī)的控制板上配置并機(jī)邏輯控制板，通過并機(jī)系統(tǒng)使得取力輸出的電壓、頻率、相位保持一致，兩臺取力發(fā)電機(jī)之間互為熱備份，一旦某一臺取力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，可通過并機(jī)系統(tǒng)使另一臺取力發(fā)電機(jī)立即投入運(yùn)行，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。并機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

在系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，2臺電機(jī)各承擔(dān)50%的負(fù)載(均流運(yùn)行)。如果一臺出現(xiàn)故障，在并機(jī)程序命令的控制下自動將該設(shè)備關(guān)機(jī)，并機(jī)系統(tǒng)有能力識別出究竟是哪臺出現(xiàn)故障，并將故障電機(jī)從并機(jī)系統(tǒng)完全脫開，以免影響并機(jī)系統(tǒng)的正常工作。此后，另一臺電機(jī)繼續(xù)正常運(yùn)行，并承擔(dān)100%負(fù)載功率。此時(shí)，并機(jī)系統(tǒng)給出相應(yīng)的報(bào)警提示，說明系統(tǒng)已不具備冗余功能。

當(dāng)負(fù)載電流過載量大于單機(jī)輸出功率，但小于兩臺的輸出功率總和時(shí)，并機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)向負(fù)載供電，但此時(shí)的并機(jī)系統(tǒng)將從具有容錯(cuò)功能的冗余工作狀態(tài)進(jìn)入沒有任何容錯(cuò)功能的非冗余工作狀態(tài)。這時(shí)，并機(jī)系統(tǒng)會向用戶發(fā)出無冗余功能的提示性報(bào)警。當(dāng)實(shí)際負(fù)載量超過兩臺的總輸出功率或者負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，并機(jī)程序會關(guān)斷電機(jī)輸出開關(guān)。

圖1 曲軸輪取力原理圖

圖2 并機(jī)系統(tǒng)原理圖

假設(shè)單個(gè)取力發(fā)電機(jī)的可靠性為R1( 0＜R1＜1) ，則互為備份的取力發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)的可靠性R2為：

R2= 1-( 1-R1) 2

R2= ( 2-R1) ×R1

R2/R1= 2-R1

得出R1＜R2＜2R1，所以兩臺取力發(fā)電機(jī)互為備份工作，增加了系統(tǒng)的可靠性。取力發(fā)電機(jī)切換時(shí)，可采用手動或自動方式，或同時(shí)具備兩種切換方式，保證可靠切換。

通過兩臺取力發(fā)電機(jī)并機(jī)，實(shí)現(xiàn)無縫切換，既充分利用空間，又避免單點(diǎn)故障造成系統(tǒng)無法運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制單元是取力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，其主要工作是發(fā)電機(jī)發(fā)電后在任何轉(zhuǎn)速下提供穩(wěn)定可靠的電源。同時(shí)，系統(tǒng)控制單元可監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)如輸出故障顯示、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低、系統(tǒng)激活電壓不足、系統(tǒng)控制單元內(nèi)部溫度過高、系統(tǒng)工作正常、待命狀態(tài)和當(dāng)前使用電量的指示等。

在發(fā)電機(jī)的各種工況下，自動檢測發(fā)電機(jī)的端電壓和設(shè)定值的偏差，并根據(jù)偏差的大小，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的端電壓、頻率始終保持恒定。

系統(tǒng)控制單元通過精密的數(shù)字化控制，持續(xù)監(jiān)控負(fù)載功率和發(fā)電機(jī)輸出，并提供發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦檢測值超出設(shè)定值，立即進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過降低負(fù)載確保關(guān)鍵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過對系統(tǒng)控制單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性?？刂茊卧韴D如圖3所示。

3.3 增功模塊設(shè)計(jì)

取力發(fā)電系統(tǒng)其電壓和頻率不受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響，但它的輸出功率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，輸出功率也越高，取力發(fā)電系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下，輸出功率都有所不同。因此，若車輛在行走中需要供電，需要一臺增功模塊在車輛突然降速、急剎車或紅燈時(shí)，防止取力發(fā)電系統(tǒng)因低速停機(jī)導(dǎo)致負(fù)載中斷，能夠于始發(fā)電開始后在不同轉(zhuǎn)速下提供穩(wěn)定的50 Hz、230 V 的電源。

若用戶認(rèn)為增功模塊價(jià)格太高，通常會采用無間隙在線式UPS取代增功模塊。但兩者在使用上有一定不同。

圖3 系統(tǒng)控制單元原理圖

a. UPS無增功(功率補(bǔ)償)功能，只有當(dāng)主系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速保護(hù)時(shí)進(jìn)行切換作為后備電源。而使用增功模塊時(shí)，主系統(tǒng)和增功模塊會聯(lián)線并按實(shí)際行駛路況進(jìn)行 “功率補(bǔ)償”或“充電”，如主系統(tǒng)因故停機(jī)，可在20 ms時(shí)間內(nèi)完成切換并作為后備電源使用。

b. UPS充電時(shí)會加重主系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速的載荷環(huán)境。增功模塊充電時(shí)，則會根據(jù)主系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的帶載能力進(jìn)行電力分配，不會惡化主系統(tǒng)的載荷環(huán)境。

c. UPS電瓶組為多組電瓶串聯(lián)而成，一般為專用電瓶。增功模塊可使用普及的車用免維護(hù)電瓶，備用時(shí)間可按實(shí)際情況進(jìn)行配備。

3.4 車輛集成與安裝

通過電機(jī)安裝支架、減振器等把電機(jī)安裝在大梁上，減振器的選擇要具有耐高低溫和其它特殊環(huán)境的能力，并能有效的減振[3]。良好的減振一方面可減小發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動對運(yùn)載車體上的武器系統(tǒng)定位精度的影響，同時(shí)也能起到車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動對發(fā)電機(jī)的影響，改善發(fā)電機(jī)的振動情況，提高發(fā)電機(jī)的可靠性。

考慮到移動應(yīng)急平臺的環(huán)境適應(yīng)性，取力電機(jī)應(yīng)選用耐溫?zé)o鹵型線纜，并對輸入輸出連接器作區(qū)分，防止誤插導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

3.5 使用維護(hù)

優(yōu)良的產(chǎn)品還需要正確使用和維護(hù)作支撐才能發(fā)揮它應(yīng)有的功能。與其它供電模式相比，取力發(fā)電系統(tǒng)需要維護(hù)的工作不多，主要是定期檢查皮帶的安裝和磨損，同時(shí)檢查確保沒有任何障礙物堵塞其用以空氣流動的部分。

4 結(jié)論與展望

為保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能發(fā)揮作用，特種車輛電氣化、小型化和機(jī)動化的步伐是不可逆轉(zhuǎn)的。近幾年我國多次各種專業(yè)反事故演習(xí)和實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中，取力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。取力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性也在進(jìn)一步提高。

[1] 劉成武. 淺談取力發(fā)電系統(tǒng)在車輛設(shè)備供電中的應(yīng)用[J]. 專用 汽車, 2009,(05)∶63-64.

[2] 劉根成. 120W取力發(fā)電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn) [J]. 移動電源與 車輛, 2014,(01)∶1-3.

[3] 劉成武. 專用汽車取力傳動軸的布置 [J]. 汽車實(shí)用技術(shù),

2014,(11)∶82-84.

By analyzing the power characteristics of the Engine Driven Generator System, this paper introduces new idea for the reliability design of the Engine Driven Generator System based on the fault analysis, and realizes the stable power supply in the mobile environment.

Engine Driven Generator System, Mobile Environment, Reliability