摘要：輕型動力壓氣機試驗臺的成功研制，是保障我院××型發(fā)動機研發(fā)的基礎(chǔ)，其中試驗臺拖動系統(tǒng)（兼?zhèn)湔{(diào)速功能）是需要攻克的難點之一。經(jīng)過與合康億盛公司聯(lián)合攻關(guān)，首次將國產(chǎn)高壓變頻器應(yīng)用在壓氣機試驗臺上，同時實現(xiàn)了一套高壓變頻器（經(jīng)高壓電機）拖動兩套壓氣機試驗器的“一拖二”模式。本文從壓氣機負載特性出發(fā)，論證了選用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動的可行性，簡單介紹了合康億盛高壓變頻器在該壓氣機試驗臺上應(yīng)用的情況，為同類試驗臺拖動系統(tǒng)的研制開辟了一條新路。

      關(guān)鍵詞：輕型動力；壓氣機試驗臺；高壓變頻器；矢量控制

一、    引言

      輕型動力泛指推力小于1000kgf或功率小于1MWe的輕型燃氣輪機，通常用于航空飛行器推進、移動電源或分布式供能中，在國防建設(shè)和國家能源戰(zhàn)略中具有重要意義。輕型動力的研發(fā)是一個設(shè)計、制造、試驗、修改、再制造、再試驗……循環(huán)往復(fù)漸近完美的過程。其中，試驗環(huán)節(jié)在輕型動力研制過程中起著關(guān)鍵性的作用，以航空發(fā)動機為例，在正式定型之前，須經(jīng)歷從地面到空中的大大小小諸多試驗。

      輕型動力的試驗大致分為部件試驗和整機試車，壓氣機、燃料室、渦輪等主要部件的試驗在輕型動力研制中占有相當(dāng)重要的位置。其中，壓氣機工作條件復(fù)雜（空氣參數(shù)變化范圍寬、功率變化大）、技術(shù)要求苛刻，是發(fā)動機試驗中耗費最大、測試技術(shù)復(fù)雜的部件，其試驗任務(wù)涉及較多：①測取壓氣機特性參數(shù)（空氣流量、增壓比、效率等），②確定穩(wěn)定工作邊界，③流動損失試驗研究，④檢查壓氣機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。

      本文所研制的壓氣機試驗平臺（裝備）正是進行上述壓氣機試驗的物質(zhì)基礎(chǔ)。

二、壓氣機試驗臺概述

（一） 壓氣機試驗臺的組成

      壓氣機試驗臺由進排氣系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)（動力裝置）、增速器、試驗器、滑油系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)等組成（圖1）。

1. 進排氣系統(tǒng)：包括流量管、進口節(jié)流裝置、穩(wěn)壓箱、排氣渦殼和排氣閥、快速退喘閥、消聲塔等。調(diào)整進口節(jié)流裝置可改變壓氣機進口壓力和壓氣機耗功功率等，調(diào)整排氣閥可改變壓氣機空氣流量；
2. 拖動系統(tǒng)（動力裝置）：為試驗臺提供動力，并能實現(xiàn)精準的轉(zhuǎn)速控制。例如，本試驗臺的拖動系統(tǒng)由合康億盛公司研制；
3. 增速器、試驗器：為適應(yīng)功率、轉(zhuǎn)速不同的壓氣機試驗，在拖動系統(tǒng)與試驗器之間選配了增速器。例如，本試驗臺設(shè)計成“一拖二”的模式，即一套動力裝置通過兩套增速器拖動兩套不同的試驗器；
4. 滑油系統(tǒng)：包括油箱、油濾、供回油泵、散熱器、電加溫和自控裝置，用于試驗機軸承與增速器的潤滑；
5. 測試系統(tǒng)：測取壓氣機的運行參數(shù)，包括壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、振動等；
6. 安全監(jiān)測系統(tǒng)：監(jiān)測試驗壓氣機和其它裝置在運行中發(fā)生的異常，判斷故障并采取適當(dāng)措施。

（二） 壓氣機試驗臺的性能指標

      試驗臺拖動系統(tǒng)的最大功率800kW，可以進行低速壓氣機和高速壓氣機試驗，兩試驗器的具體性

表1 壓氣機試驗臺設(shè)計性能參數(shù)

能參數(shù)見表1。

      本試驗臺主要針對輕型動力的壓氣機，從表1可以看出拖動系統(tǒng)的功率并不大，但轉(zhuǎn)速控制精度較高（萬分之二）。另外，試驗臺動態(tài)性能要求在壓氣機轉(zhuǎn)矩突變10%時，拖動系統(tǒng)須在1秒內(nèi)恢復(fù)到原設(shè)定轉(zhuǎn)速，而且過渡狀態(tài)的轉(zhuǎn)速波動不大于±0.2%。因此，上述苛刻的技術(shù)要求使得拖動系統(tǒng)成為壓氣機試驗臺研制的難點之一。

三、壓氣機試驗臺拖動系統(tǒng)

（一） 壓氣機試驗的功率（或轉(zhuǎn)矩）

      壓氣機試驗時主要測取壓氣機不同相對換算轉(zhuǎn)速的（ 0.60、0.70、0.80、0.90和1.0）性能參數(shù)，得到壓比與流量和轉(zhuǎn)速關(guān)系式 ，確定喘振或失速點，獲得壓氣機穩(wěn)定工作邊界，特性曲線如圖2所示（加上劃線變量經(jīng)無量綱化）。

（二）拖動系統(tǒng)類型

      已建的壓氣機試驗臺可分為燃氣輪機（或航空發(fā)動機）拖動和電機拖動。燃氣輪機拖動適宜大型壓氣機試驗，能夠提供較大的功率，燃氣輪機的動力渦輪轉(zhuǎn)速較高，故增速器的增速比較?。ɑ驘o增速器），但是燃氣輪機拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制精度和動態(tài)性能較差。電機拖動又分為直流電機拖動和異步交流電機拖動。

      過去，鑒于變頻技術(shù)在轉(zhuǎn)速控制方面的缺陷，凡是涉及精確控速的動力系統(tǒng)，人們首先想到直流調(diào)速拖動系統(tǒng)。因此，已建的壓氣機試驗臺，只要選擇電磁拖動，幾乎全部是直流調(diào)速電機。

      隨著高壓變頻技術(shù)的發(fā)展，以及矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，交流異步電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制精度也達到了直流調(diào)速電機的水平。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，可以實現(xiàn)大范圍高效連續(xù)調(diào)速控制、可以進行高頻度的起停運轉(zhuǎn)、容易實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)切換。此外，變頻調(diào)速系統(tǒng)還具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便的優(yōu)點。

（三） 高壓變頻拖動系統(tǒng)

      本文所研制的壓氣機試驗臺，通過綜合分析功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速控制精度和工程造價等，選擇了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動。試驗壓氣機作為拖動系統(tǒng)的負載，其轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性在確定調(diào)速系統(tǒng)控制方式和控制方案時，是需要重點考慮的因素。

      將圖3所示試驗壓氣機的不同轉(zhuǎn)速的最大轉(zhuǎn)矩提取出來，繪制壓氣機的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線，如圖4所示。可以看出，該曲線具有類似風(fēng)機、泵類的負載特性，即 2。當(dāng)然，不同試驗壓氣機其轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性可能不同，但是最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速的特性不會改變。

      因此，變頻器和電機的負載特性在額定轉(zhuǎn)速附近保持恒功率特性、在低速區(qū)保持恒轉(zhuǎn)矩特性。恰當(dāng)?shù)目刂品绞胶涂刂品桨改軌蛱岣呦到y(tǒng)的運行質(zhì)量、減少成本，易于達到試驗臺的調(diào)速性能指標。

圖4 拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩線 

四、合康億盛高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

      （一）變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

      合康億盛的變頻調(diào)速系統(tǒng)包括：高壓開關(guān)、變壓器柜、功率單元柜、控制柜、高壓變頻電機和軸編碼器等。

      變壓器柜裝有為功率單元提供三相電源的移相變壓器。變壓器前面右側(cè)和后面左側(cè)是副邊繞組接線區(qū)域，與相應(yīng)的三相電抗器輸入電纜連接。柜門上有干式變壓器溫度控制儀，為變壓器提供溫度告警和過熱保護。柜前門內(nèi)側(cè)裝有安全開關(guān)保護，當(dāng)柜門打開時告警。

      功率單元柜內(nèi)安裝的功率單元和三相輸入電抗器分成三組，每組串聯(lián)成一相，每相串聯(lián)6個功率單元和6個電抗器，分前后排列。串聯(lián)后A1、B1、C1三個功率單元星接，最后3個單元A6、B6、C6輸出接高壓輸出室的接線銅排上，星接電纜上穿有霍爾電流傳感器，檢測輸出電流。

      控制柜從上到下依次為控制器、I/O接口板、控制電源系統(tǒng)和人機界面系統(tǒng)?？刂破饔扇龎K光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成，各板之間通過母線底板連接。I/O接口板用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。控制電源系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供直流電源。人機界面為用戶提供友好的中文操作界面，負責(zé)信息處理和外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。

a) 壓氣機試驗臺架（高壓電機） 

圖6 高壓變頻器主電路框圖 

      合康億盛系列高壓變頻器采用“交—直—交”直接高壓方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV或10kV，而因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(lián)。該高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。圖6為變頻器的主電路框圖。

（二）矢量控制

      根據(jù)壓氣機試驗臺對變頻調(diào)速系統(tǒng)性能指標的要求，合康億盛決定選擇矢量控制方式，直接控制電機轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速無超調(diào)，具系統(tǒng)加減速性能、起動性能都可以得到保證。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電機轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制又有基于轉(zhuǎn)差頻頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器控制方式和有速度傳感器的控制方式。

      合康億盛HIVERT-TVF系列變頻器通過矢量控制系統(tǒng)的解耦，速度給定（頻率給定） 與速度反饋相減得出速度誤差，速度誤差經(jīng)PID調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)矩電流給定 ，勵磁電流給定 是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)需要進行調(diào)整，根據(jù)不同的電機和負載得出的經(jīng)驗值，電機三相電流反饋 、 、 （為 與 之和求反）經(jīng)傳感器采樣，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子位置電氣角度 進行Clarke變換，變換后輸出 、 ，再經(jīng)Park變換輸出 、 ，將 、 值與給定值 、 求誤差，進行PID調(diào)節(jié)后輸出 、 , 將 、 和轉(zhuǎn)子位置電氣角度 經(jīng)Park逆變換輸出 、 ，再將 、 經(jīng)過Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓 、 、 值，三相電壓 、 、 值作為PWM（脈寬調(diào)制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器然后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。如圖7所示。

圖7 帶速度傳感器的矢量控制框圖

   （三）高壓變頻器電磁兼容性

      變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容性是不容忽視的問題，在很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性，其整體的電磁兼容性設(shè)計主要包括：布線、接地、屏蔽、濾波與裝置布局設(shè)計等。

      變頻調(diào)速系統(tǒng)電力電纜與控制電纜分層布線，電力電纜選用鎧裝屏蔽電纜，控制電纜選用屏蔽雙絞線或屏蔽線。電力電纜與控制電纜分開接地，分別接“電源系統(tǒng)地”和“測量系統(tǒng)地”，電機測速軸編碼器屏蔽電纜其屏蔽層在電機附件盒側(cè)接地。裝置布局設(shè)計，變頻器、PLC、上位機的供電電源獨立，切斷了諧波電流，強、弱電控制元件分柜安裝布局將系統(tǒng)的噪聲電流減至最小。

五、結(jié)論

      壓氣機試驗臺采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動方案，經(jīng)過空載調(diào)試和帶載調(diào)試，試驗臺各項技術(shù)指標達到或超過了設(shè)計目標。主要成果如下：

      (1) 首次將國產(chǎn)高壓變頻器作為壓氣機試驗臺的調(diào)速設(shè)備，取得了成功；

      (2) 電機軸編碼器作為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速給定，確保了試驗臺轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于±0.02%的目標；

      (3) 基于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比較寬，確保能夠進行較低轉(zhuǎn)速（低工況）的性能試驗。

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作者簡介：房愛兵（1977-），男，河北泊頭人，博士。電話：010-82543087，E-mail：efang@iet.cn