取力发电系统在移动应急平台中的可靠性设计

颜大庆 韩春晖 李强

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210007)

取力发电系统在移动应急平台中的可靠性设计

颜大庆 韩春晖 李强

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210007)

通过分析取力发电系统的电源特性，针对取力发电系统故障的特点，介绍了取力发电系统可靠性设计采取的措施，实现了在移动环境下的稳定供电。

取力发电系统；移动应急平台；可靠性

1 概述

在自发电模式中，最常见的是油机发电和取力发电。油机因其噪声高、质量和体积大，从根本上限制了自身的应用环境。而取力发电体积小、质量轻、适合行驶中发电，也符合节能环保要求，是移动应急平台自发电供电的理想模式[1]。

移动应急平台中的设备和设施正常工作需要稳定的自发电供电支撑，在移动环境下没有有效的供电，车载设备将无法正常工作，应急指挥工作也无法正常开展。因此，提高取力发电系统的可靠性，一直以来都是特种车辆改装行业努力探讨的课题之一。

2 取力发电系统组成

取力发电系统的原理是利用车辆自身发动机作为驱动源。按取力点不同，可分为取力器取力、液压泵取力和曲轴轮取力3种驱动模式[2]。其中，取力器取力和液压泵取力需要车辆的减速箱带有取力口或车辆底盘已安装液压泵才可安装使用。 而曲轮轴取力是现今最常用的移动应急平台取力方式，但由于车辆发动机舱空间有限，曲轴轮取力安装难度是最高的。曲轴轮取力发电系统主要由取力发电机、系统控制单元、增功模块、安装组件和电缆组成。原理示意图如图1所示。

3 可靠性设计

3.1 取力发电机并机系统设计

对取力发电机采用冗余设计，采用2台取力发电机同时接入电路，在每台取力发电机的控制板上配置并机逻辑控制板，通过并机系统使得取力输出的电压、频率、相位保持一致，两台取力发电机之间互为热备份，一旦某一台取力发电机出现故障，可通过并机系统使另一台取力发电机立即投入运行，提高了系统工作的可靠性。并机系统原理图如图2所示。

在系统运行正常时，2台电机各承担50%的负载(均流运行)。如果一台出现故障，在并机程序命令的控制下自动将该设备关机，并机系统有能力识别出究竟是哪台出现故障，并将故障电机从并机系统完全脱开，以免影响并机系统的正常工作。此后，另一台电机继续正常运行，并承担100%负载功率。此时，并机系统给出相应的报警提示，说明系统已不具备冗余功能。

当负载电流过载量大于单机输出功率，但小于两台的输出功率总和时，并机系统继续向负载供电，但此时的并机系统将从具有容错功能的冗余工作状态进入没有任何容错功能的非冗余工作状态。这时，并机系统会向用户发出无冗余功能的提示性报警。当实际负载量超过两台的总输出功率或者负载发生短路时，并机程序会关断电机输出开关。

图1 曲轴轮取力原理图

图2 并机系统原理图

假设单个取力发电机的可靠性为R1( 0＜R1＜1) ，则互为备份的取力发电机并机系统的可靠性R2为：

R2= 1-( 1-R1) 2

R2= ( 2-R1) ×R1

R2/R1= 2-R1

得出R1＜R2＜2R1，所以两台取力发电机互为备份工作，增加了系统的可靠性。取力发电机切换时，可采用手动或自动方式，或同时具备两种切换方式，保证可靠切换。

通过两台取力发电机并机，实现无缝切换，既充分利用空间，又避免单点故障造成系统无法运行。

3.2 系统控制单元设计

系统控制单元是取力发电系统中的核心部件，其主要工作是发电机发电后在任何转速下提供稳定可靠的电源。同时，系统控制单元可监控系统的工作状态如输出故障显示、发电机转速过低、系统激活电压不足、系统控制单元内部温度过高、系统工作正常、待命状态和当前使用电量的指示等。

在发电机的各种工况下，自动检测发电机的端电压和设定值的偏差，并根据偏差的大小，调节发电机的励磁电流，使发电机的端电压、频率始终保持恒定。

系统控制单元通过精密的数字化控制，持续监控负载功率和发电机输出，并提供发动机转速和温度的实时监控。一旦检测值超出设定值，立即进行声光报警，并通过降低负载确保关键系统的正常运行。通过对系统控制单元进行模块化设计，提高系统的可靠性。控制单元原理图如图3所示。

3.3 增功模块设计

取力发电系统其电压和频率不受发动机转速影响，但它的输出功率与发动机转速有直接关系。发动机转速越高，输出功率也越高，取力发电系统在不同转速下，输出功率都有所不同。因此，若车辆在行走中需要供电，需要一台增功模块在车辆突然降速、急剎车或红灯时，防止取力发电系统因低速停机导致负载中断，能够于始发电开始后在不同转速下提供稳定的50 Hz、230 V 的电源。

若用户认为增功模块价格太高，通常会采用无间隙在线式UPS取代增功模块。但两者在使用上有一定不同。

图3 系统控制单元原理图

a. UPS无增功(功率补偿)功能，只有当主系统在低转速保护时进行切换作为后备电源。而使用增功模块时，主系统和增功模块会联线并按实际行驶路况进行 “功率补偿”或“充电”，如主系统因故停机，可在20 ms时间内完成切换并作为后备电源使用。

b. UPS充电时会加重主系统在低转速的载荷环境。增功模块充电时，则会根据主系统转速的带载能力进行电力分配，不会恶化主系统的载荷环境。

c. UPS电瓶组为多组电瓶串联而成，一般为专用电瓶。增功模块可使用普及的车用免维护电瓶，备用时间可按实际情况进行配备。

3.4 车辆集成与安装

通过电机安装支架、减振器等把电机安装在大梁上，减振器的选择要具有耐高低温和其它特殊环境的能力，并能有效的减振[3]。良好的减振一方面可减小发电机运行时产生的振动对运载车体上的武器系统定位精度的影响，同时也能起到车辆行驶过程中产生的振动对发电机的影响，改善发电机的振动情况，提高发电机的可靠性。

考虑到移动应急平台的环境适应性，取力电机应选用耐温无卤型线缆，并对输入输出连接器作区分，防止误插导致系统故障。

3.5 使用维护

优良的产品还需要正确使用和维护作支撑才能发挥它应有的功能。与其它供电模式相比，取力发电系统需要维护的工作不多，主要是定期检查皮带的安装和磨损，同时检查确保没有任何障碍物堵塞其用以空气流动的部分。

4 结论与展望

为保证在任何时间、任何地点都能发挥作用，特种车辆电气化、小型化和机动化的步伐是不可逆转的。近几年我国多次各种专业反事故演习和实战当中，取力发电系统已经得到了广泛应用。取力发电系统的可靠性也在进一步提高。

[1] 刘成武. 浅谈取力发电系统在车辆设备供电中的应用[J]. 专用 汽车, 2009,(05)∶63-64.

[2] 刘根成. 120W取力发电机可靠性设计与试验 [J]. 移动电源与 车辆, 2014,(01)∶1-3.

[3] 刘成武. 专用汽车取力传动轴的布置 [J]. 汽车实用技术,

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