1 引言
汽車、拖拉機的起動機性能測試，包括型式試驗在內(nèi)，是起動機生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常進行的測試項目。試驗以蓄電池作為電源，以便與車載運行時的情況一致。然而，起動機實驗要檢測的項目很多，對蓄電池是個不小的負擔。正因如此，起動機生產(chǎn)企業(yè)每年要處理不少廢棄的蓄電池，這不僅是個浪費，同時還對環(huán)境造成污染，影響廠區(qū)綠色面貌。人們希望能有一種性能可模仿蓄電池的非化學能電源取代蓄電池，不必進行電能一化學能的轉(zhuǎn)換，直接用電網(wǎng)電能去測試起動機一這就是蓄電池模擬電源。
蓄電池的電勢E、內(nèi)阻Ri與電池的荷電狀態(tài)有關。荷電以系數(shù)k表示，其值在0～1之間，0代表未荷電，1代表滿荷電。隨荷電系數(shù)k由0上升，蓄電池電勢非線性地增大，內(nèi)阻Ri則呈現(xiàn)先下降最后又略有升高的形狀，如圖1所示。由圖1可見，蓄電池內(nèi)阻Ri的充、放電曲線亦有差別。起動機每起動一次，荷電狀態(tài)系數(shù)k均會下降百分之幾，變化量很小；而蓄電池電勢E(k)的變化則視k之值而異。當k在0.3～0.85范圍內(nèi)時，起動機每起動一次E(k) 變化很小，接近恒值，但當k>0.85和k<0.3時，隨k值的小變化，E(k)變化較為明顯。在設計蓄電池模擬電源控制軟件時應予以考慮。
2 電路設計 

電路設計的任務是：
(1)根據(jù)起動機容量確定模擬電源容量，既兼顧額定電流，又要不忘起動電流倍數(shù)，選擇折中方式是解決兩者兼顧的好辦法；

(2)確定電路的拓撲結(jié)構(gòu)形式；
(3)確定元器件參數(shù)、型號；
(4)對應的管理與控制軟件。
下面先來解決前3個設計任務。
起動機一般均用串激直流電動機，其漏阻抗較之并激直流電動機(同容量)可稍大，故其啟動電流倍數(shù)稍低，不超過4～6倍。一臺1 kW／12 V的起動機其額定電流83 A，起動電流則可達330～500 A。設計蓄電池模擬電源，必須滿足起動電流的要求。
蓄電池模擬電源除應滿足起動電流的要求外，還應有平穩(wěn)的電壓輸出，基本無明顯諧波；同時，模擬電源的漏阻抗應盡可能反映蓄電池內(nèi)阻狀況。
為了減少電壓的波紋，采用三相全波不控整流電路，由380 V市網(wǎng)經(jīng)變壓器降壓30倍再經(jīng)電容濾波得到17 V直流電壓，如圖2所示。對于荷電狀態(tài)系數(shù)k=0.3～0.85的情況，由圖1可知蓄電池的電勢E和內(nèi)阻Ri都是比較平坦的線段，特別是內(nèi)阻Ri幾乎可看成是常數(shù)，從而可使電壓、電流的調(diào)控由后面的Buck電壓變換器實現(xiàn)。采取不控整流加Buck變換器這種兩步走的優(yōu)點是可以使軟硬件大為簡化。三相全波不控整流無需控制線路，工作可靠，波紋較低；Buck電壓變換器只需1個控制元件IGBT管，在恒幅PWM調(diào)寬下工作，極易控制。
Buck電壓變換器的工作原理很簡單。IGBT管導通時，二極管D阻斷，電源經(jīng)電感L向電容C2及起動機供電；在PWM的間斷期，IGBT斷電，二極管D承受正向電壓作用而導通，起動機得到電容放電電流和電感磁能電流支持而維持繼續(xù)通電。IGBT管下1次導通時又進行上述過程。改變IGBT管的占空比，就能改變加在起動機上的電壓。比如，增大IGBT管的占空比，則起動機的電壓增高，反之下降。PWM脈沖由單片機PIC(或數(shù)字信號處理芯片TMS320系列)生成，經(jīng)觸發(fā)器IR2102放大處理后送到IGBT柵極。
IGBT管在斬波方式下工作，起動機兩端的電壓和流過其中的電流必然出現(xiàn)波動。為減少這種紋波，在Back變換器中加入LC濾波電路。電感L采用空氣隙δ=1 mm的鐵心電感，電感量L=10 mH。電解電容4 000 μF／50 V。IGBT管及二極管標稱電壓均為50 V，標稱電流均選400 A。變壓器設計從略。開關管的開關頻率f取1 000 Hz，在上述LC參數(shù)下，可把電壓波動量減到千分之幾以下。對電壓、電流和轉(zhuǎn)速三者進行檢測。電壓檢測信號從電位器取得；轉(zhuǎn)速檢測用光電脈沖或磁脈沖送頻率計(PIC內(nèi)部)計數(shù)；電流信號用零磁通霍爾元件實現(xiàn)。3種檢測對分析研究實驗結(jié)果很有幫助，檢測數(shù)據(jù)送人微機內(nèi)存后，經(jīng)計算處理后可以送到顯示器進行曲線顯示，能對啟動過程一目了然，有利于對產(chǎn)品質(zhì)量的評比研究。
IGBT管導通時，其發(fā)射極電位為16 V，關斷時由于二極管導通而變?yōu)? V，即發(fā)射極處于懸浮狀態(tài)。由于IGBT的輸入級是MOSFET，它的柵極必須比IGBT管的發(fā)射極高8～10 V才能使IGBT管飽和導通，因此柵極電位也必須是浮動的。為此可以采用電容自舉電路，讓觸發(fā)器IR2102也隨之浮動起來。自舉電容C3跨接于IR2102的Vb與Vs之間，并經(jīng)二極管D2使Vb與+12 V電源相聯(lián)。當PWM脈沖通態(tài)時，IGBT導通，其發(fā)射極電位升為16 V，自舉電容C3正向充電，使IR2102整體電位升到16 V，此時二極管D2由于反壓而截止，電容C3上電壓略有下降。當PWM脈沖斷態(tài)時，IGBT發(fā)射極電位為0 V，IR2102整體電位也降到接近0 V，+12 V電源向C3反向充電，補充剛剛失去的電量，保持C3上的電壓基本不變從而也保持了IR2102正常工作所需電壓，這體現(xiàn)了C3的自舉作用。
3 工藝流程設計
需要模擬電源進行模擬的蓄電池參數(shù)是蓄電池電勢E和蓄電池內(nèi)阻Ri，它們都是荷電狀態(tài)系數(shù)k的非線性函數(shù)。這些非線性函數(shù)難于用解析式準確表達，宜用實驗方法事先予以確定，然后存于電腦中，用查表方法調(diào)用。注意到荷電狀態(tài)系數(shù)k的最佳范圍是0.3～0.85，可在這個范圍內(nèi)進行幾十次采樣試驗，記錄下蓄電池空載電壓E(k)和某一啟動電流下的蓄電池端電壓U(k)，△U=E(k)-U(k)就反映蓄電池內(nèi)阻Ri(k)造成的電壓降。因為蓄電池電勢E與k一一對應，給定一個E值就等于確定了荷電狀態(tài)。用模擬電源代替蓄電池時，可先給定一個某一荷電狀態(tài)下與蓄電池電勢E等效的電壓值以及某一負載下的電流值，可測出一個與蓄電池對應的△U。△U與電流I之比△U／I即為模擬電源的等效內(nèi)阻Ri。適當選擇電路的漏阻抗參數(shù)，就能在k=0.3～0.85范圍內(nèi)較好地用模擬電源來模擬某一具體容量下的蓄電池內(nèi)阻Ri。
Buck電壓變換器用來調(diào)節(jié)串激直流電動機的端電壓，改變開關管T1的PWM波的脈寬，就能模擬不同荷電狀態(tài)下的蓄電池電壓特性。當荷電狀態(tài)系數(shù)k確定后，電動機的端電壓便由電動機電流和蓄電池的內(nèi)阻Ri決定。前面已提到：蓄電池內(nèi)阻在荷電狀態(tài)系數(shù)k=0.3～0.85范圍內(nèi)變化不大，可認為是常數(shù)。這就大大簡化了模擬電源的控制電路，因而三相整流橋可以采用不控方式，只是在設計低壓大電流變壓器和電感線圈截面尺寸等電磁參數(shù)時，必須針對具體的蓄電池而已。明確這一點以后，模擬電源的操作就變得十分簡單：只要滿足對應不同的荷電狀態(tài)系數(shù)k有不同的蓄電池真實電壓值即可。
從上述可知，模擬電源并沒有參加電動機工作過程的控制，模擬電源所起的作用只是根據(jù)荷電狀態(tài)系數(shù)k來“給定”電壓值，整個電動機試驗過程均由電動機自身完成，這也正是“電源”所應具有的品質(zhì)。起動機空載、短路、全負載起動等試驗均可由模擬電源供電實現(xiàn)。
上面討論的是荷電狀態(tài)系數(shù)k=0.3～0.85所對應的情況，在這一區(qū)間內(nèi)，可認為蓄電池的內(nèi)阻Ri是常數(shù)。對于k<0.3的情況，隨k值的下降，內(nèi)阻Ri會急劇上升。這一狀態(tài)也可由模擬電源近似模擬：使開關管T1的PWM脈寬隨k值一起下降，一方面造成電壓的下降，同時由于也使整個線路的開關損耗增大，這相當于增加了蓄電池的內(nèi)阻。不過這樣得到的Ri值與蓄電池的實際內(nèi)阻可能有相當?shù)牟罹啵虼薻<0.3的情況不適宜使用。
簡化的主程序如圖3所示。限于篇幅，各子程序略。
4 結(jié)語
汽拖起動機試驗用模擬電源此前還從未有過成功研制的實例。本文給出的電路設計是基于電力電子技術(shù)以及微機技術(shù)的發(fā)展而提出的新方案，可以在荷電狀態(tài)系數(shù)0.3～0.85的正常范圍內(nèi)代替化學蓄電池，滿足起動機試驗的需要。電路所用元器件不多，主電路主要是三相低壓大電流整流電源和開關器件IGBT，控制部分則是單片機和IGBT的觸發(fā)器以及幾個檢測環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)簡單，成本也不高，易于研制

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