顏大慶 韓春暉 李強

(中國電子科技集團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

顏大慶 韓春暉 李強

(中國電子科技集團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，介紹了取力發(fā)電系統(tǒng)可靠性設(shè)計采取的措施，實現(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，最常見的是油機發(fā)電和取力發(fā)電。油機因其噪聲高、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)動機作為驅(qū)動源。按取力點不同，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、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

3.1 取力發(fā)電機并機系統(tǒng)設(shè)計

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

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

當負載電流過載量大于單機輸出功率，但小于兩臺的輸出功率總和時，并機系統(tǒng)繼續(xù)向負載供電，但此時的并機系統(tǒng)將從具有容錯功能的冗余工作狀態(tài)進入沒有任何容錯功能的非冗余工作狀態(tài)。這時，并機系統(tǒng)會向用戶發(fā)出無冗余功能的提示性報警。當實際負載量超過兩臺的總輸出功率或者負載發(fā)生短路時，并機程序會關(guān)斷電機輸出開關(guān)。

圖1 曲軸輪取力原理圖

圖2 并機系統(tǒng)原理圖

假設(shè)單個取力發(fā)電機的可靠性為R1( 0＜R1＜1) ，則互為備份的取力發(fā)電機并機系統(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)電機互為備份工作，增加了系統(tǒng)的可靠性。取力發(fā)電機切換時，可采用手動或自動方式，或同時具備兩種切換方式，保證可靠切換。

通過兩臺取力發(fā)電機并機，實現(xiàn)無縫切換，既充分利用空間，又避免單點故障造成系統(tǒng)無法運行。

3.2 系統(tǒng)控制單元設(shè)計

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)電機發(fā)電后在任何轉(zhuǎn)速下提供穩(wěn)定可靠的電源。同時，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)和當前使用電量的指示等。

在發(fā)電機的各種工況下，自動檢測發(fā)電機的端電壓和設(shè)定值的偏差，并根據(jù)偏差的大小，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機的端電壓、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)控負載功率和發(fā)電機輸出，并提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速和溫度的實時監(jiān)控。一旦檢測值超出設(shè)定值，立即進行聲光報警，并通過降低負載確保關(guān)鍵系統(tǒng)的正常運行。通過對系統(tǒng)控制單元進行模塊化設(shè)計，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

取力發(fā)電系統(tǒng)其電壓和頻率不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響，但它的輸出功率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系。發(fā)動機轉(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，防止取力發(fā)電系統(tǒng)因低速停機導(dǎo)致負載中斷，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。

若用戶認為增功模塊價格太高，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(功率補償)功能，只有當主系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速保護時進行切換作為后備電源。而使用增功模塊時，主系統(tǒng)和增功模塊會聯(lián)線并按實際行駛路況進行 “功率補償”或“充電”，如主系統(tǒng)因故停機，可在20 ms時間內(nèi)完成切換并作為后備電源使用。

b. UPS充電時會加重主系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速的載荷環(huán)境。增功模塊充電時，則會根據(jù)主系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的帶載能力進行電力分配，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電瓶，備用時間可按實際情況進行配備。

3.4 車輛集成與安裝

通過電機安裝支架、減振器等把電機安裝在大梁上，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)電機運行時產(chǎn)生的振動對運載車體上的武器系統(tǒng)定位精度的影響，同時也能起到車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動對發(fā)電機的影響，改善發(fā)電機的振動情況，提高發(fā)電機的可靠性。

考慮到移動應(yīng)急平臺的環(huán)境適應(yīng)性，取力電機應(yīng)選用耐溫無鹵型線纜，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

優(yōu)良的產(chǎn)品還需要正確使用和維護作支撐才能發(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)需要維護的工作不多，主要是定期檢查皮帶的安裝和磨損，同時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

為保證在任何時間、任何地點都能發(fā)揮作用，特種車輛電氣化、小型化和機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)和實戰(zhàn)當中，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)電機可靠性設(shè)計與試驗 [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