Как приводы и двигатели питают автомобильные испытательные стенды

Испытательные стенды широко используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности, тестируя различные виды транспорта. Энди Пай рассматривает, как приводы и двигатели используются в этих системах.

Типичные применения в автомобильной промышленности для систем приводов включают:

• Роллерные испытательные стенды (rolling road) для автомобильной и мотоциклетной промышленности
• Испытательные стенды двигателей — для производства электрических и ДВС
• Испытательные стенды трансмиссий/коробок передач для поставщиков автомобилестроения и станкостроения
• Испытательные стенды электромобилей — с питанием постоянным током для питания инвертора автомобиля

Автопроизводители часто случайным образом выбирают двигатели со своих производственных линий и подвергают их строгому тестированию для подтверждения соответствия всем ключевым проектным требованиям и параметрам.

Помимо внутреннего тестирования автопроизводителями и поставщиками первого уровня, автомобильные испытательные стенды также используются специализированными тестовыми лабораториями. Например, Horiba Mira обладает обширным опытом предоставления инженерных тестовых услуг глобальной автомобильной промышленности, тестированию по регламентам и стандартам, клиентским требованиям и разработке подходящих тестовых процедур и методов. Эта организация располагает не менее 37 крупных тестовых объектов, включая комплексные лаборатории безопасности (краш-тесты, моделирование ударов, пешеходы); объекты автомобильных и компонентных экологических испытаний; полноразмерную аэродинамическую трубу; автомобильную и компонентную ЭМС; лаборатории тестирования компонентов и конструкций.

Переменные частотные приводы переменного тока отлично подходят для применений на испытательных стендах, так как они могут моделировать реальные условия высокодинамичным, точным, линейным и воспроизводимым образом. Они очень отзывчивы и могут быстро останавливаться и запускаться для репликации высокоскоростных событий.

Регенеративные приводы часто используются, чтобы привод мог регенерировать электроэнергию, когда двигатель поглощает энергию или создает нагрузку, возвращая эту энергию в сеть и снижая операционные затраты.

Все приводы, используемые в этих применениях, должны быть оптимизированы для энергоэффективности и высокой точности управления, с низким пульсациями напряжения и тока. Отличный отклик по моменту критичен, потому что приводы часто используются как усилители момента, поэтому время от опорного момента до момента на валу двигателя должно быть минимизировано — чем ближе реальный момент следует за опорным, тем легче системе управления управлять, и тем лучше общая производительность испытательного стенда.

Шасси динамометр (Chassis dynamometer)

Наиболее распространенные типы автомобильных испытательных стендов — шасси динамометры, динамометры двигателей и стенды трансмиссий. Тестирование на шасси динамометре обычно использует один привод и двигатель на ось или колесо тестового блока, в зависимости от типа тестирования.

CP Engineering производит испытательные системы динамометров двигателей и шасси, системы тестирования трансмиссий и другие испытательные стенды для автомобильной промышленности. Она поставляла системы многим ведущим фирмам сектора, включая Castrol, Cosworth Technology, Delphi и Shell.

Система управления и логирования данных «Cadet» на базе Windows NT компании CP имеет аналоговый интерфейс, синхронизированный с векторным управлением с замкнутым контуром привода. Тестовые системы требуют управления и обработки в реальном времени, точно синхронизированных для выдачи того же профиля нагрузки/скорости, что и реальный автомобиль. Ответ контура управления должен оставаться последовательно в пределах заданного цикла — типично 3,25 мс. Привод также должен быть способен моторить для моделирования условий затормаживания.

Программное обеспечение для прокрутки (cranking) обеспечивает защиту приводного вала. Когда двигатель заводится и разгоняется, привод переключается на нулевой момент для моделирования холостого хода двигателя. Наверное, это нельзя сделать с обычными динамометрами и дает CP конкурентное преимущество.

Роллерные стенды и тормозные стенды

Здесь моделируются и предпрограммируются различные тестовые профили и трассы для воспроизведения сопротивлений движению максимально реалистично, включая торможение, разгон или проезд поворотов, бездорожье и внедорожье. Внутренние и связанные с безопасностью функции автомобиля, такие как антиблокировочные системы (ABS) и электрические рулевые усилители (EPS), также тестируются. Благодаря быстрой компенсации, высокоточные и воспроизводимые измерения получаются за счет учета трения, электрических и тепловых зависимостей и моментов инерции по всей силовой линии.

Испытательные стенды двигателей

Системы приводов используются в стендах испытаний двигателей, как в центрах разработки, так и в производстве двигателей. Как и для любого стенда, ключ — точно моделировать повседневные операционные условия.

Существуют специфические требования для оценки качества ДВС и электрических двигателей, такие как разные тестовые паттерны и скорости, циклы момента и контрмомента, испытания на выносливость или кратковременные нагрузки.

Частотные преобразователи могут точно создавать требуемую кривую момента, одновременно рециклируя энергию, генерируемую ДВС, тем самым не нагружая электросеть синусоидальными токами.

Тестовые инженеры также могут подвергать тестируемый образец специфическим скоростям и моментам, выявляющим резонансы и технологические пределы.

Испытательные стенды трансмиссий/коробок передач

Здесь импульсы момента и работающие характеристики ДВС применяются к тестируемой трансмиссии/коробке передач. Благодаря объединению всех контроллеров приводов по промышленному Ethernet в реальном времени, необходимая синхронизация контуров управления током и скоростью инверторов обеспечивает, что результаты тестов отражают реальные условия. Это избегает необходимости нежелательных балансировочных корректировок в системе управления.

Силовая электроника служит входными и выходными приводами для широкого спектра типов трансмиссий/коробок передач. Четыре нагрузочных машины заменяют систему колесо/дорога и представляют профиль вождения, а входной привод имитирует ДВС.

Симуляция пульсаций момента двигателя (ETPS) воссоздает ДВС на разработанческом испытательном стенде. Для удовлетворения высоких требований к такому типу стенда используются синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронные двигатели с малой массой инерции.

Оборудование для тестирования электромобилей

Новые разработки требуют новых тестовых техник. Сила передачи на гибридных и электрических автомобилях, включающая автомобильный инвертор, двигатель/двигатель и трансмиссию/коробку передач, может тестироваться как полная система, все подключенные в общей конфигурации шины постоянного тока, позволяющей регенерированной мощности (например, при торможении) рециклироваться.

Для заданной установленной мощности двигателя это означает, что номинальная мощность сетевого инвертора минимизируется, экономя капитальные и энергетические затраты. Ключевая особенность системы — все контуры управления синхронизированы, что существенно снижает риск системных резонансов.