摘要：輕型動(dòng)力壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的成功研制，是保障我院××型發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)，其中試驗(yàn)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)（兼?zhèn)湔{(diào)速功能）是需要攻克的難點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)與合康億盛公司聯(lián)合攻關(guān)，首次將國(guó)產(chǎn)高壓變頻器應(yīng)用在壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一套高壓變頻器（經(jīng)高壓電機(jī)）拖動(dòng)兩套壓氣機(jī)試驗(yàn)器的“一拖二”模式。本文從壓氣機(jī)負(fù)載特性出發(fā)，論證了選用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)的可行性，簡(jiǎn)單介紹了合康億盛高壓變頻器在該壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)用的情況，為同類(lèi)試驗(yàn)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的研制開(kāi)辟了一條新路。

      關(guān)鍵詞：輕型動(dòng)力；壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)；高壓變頻器；矢量控制

一、    引言

      輕型動(dòng)力泛指推力小于1000kgf或功率小于1MWe的輕型燃?xì)廨啓C(jī)，通常用于航空飛行器推進(jìn)、移動(dòng)電源或分布式供能中，在國(guó)防建設(shè)和國(guó)家能源戰(zhàn)略中具有重要意義。輕型動(dòng)力的研發(fā)是一個(gè)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、修改、再制造、再試驗(yàn)……循環(huán)往復(fù)漸近完美的過(guò)程。其中，試驗(yàn)環(huán)節(jié)在輕型動(dòng)力研制過(guò)程中起著關(guān)鍵性的作用，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)。

      輕型動(dòng)力的試驗(yàn)大致分為部件試驗(yàn)和整機(jī)試車(chē)，壓氣機(jī)、燃料室、渦輪等主要部件的試驗(yàn)在輕型動(dòng)力研制中占有相當(dāng)重要的位置。其中，壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)中耗費(fèi)最大、測(cè)試技術(shù)復(fù)雜的部件，其試驗(yàn)任務(wù)涉及較多：①測(cè)取壓氣機(jī)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(dòng)損失試驗(yàn)研究，④檢查壓氣機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。

      本文所研制的壓氣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)（裝備）正是進(jìn)行上述壓氣機(jī)試驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

二、壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)概述

（一） 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的組成

      壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)由進(jìn)排氣系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)（動(dòng)力裝置）、增速器、試驗(yàn)器、滑油系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成（圖1）。

1. 進(jìn)排氣系統(tǒng)：包括流量管、進(jìn)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(jìn)口節(jié)流裝置可改變壓氣機(jī)進(jìn)口壓力和壓氣機(jī)耗功功率等，調(diào)整排氣閥可改變壓氣機(jī)空氣流量；
2. 拖動(dòng)系統(tǒng)（動(dòng)力裝置）：為試驗(yàn)臺(tái)提供動(dòng)力，并能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速控制。例如，本試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)由合康億盛公司研制；
3. 增速器、試驗(yàn)器：為適應(yīng)功率、轉(zhuǎn)速不同的壓氣機(jī)試驗(yàn)，在拖動(dòng)系統(tǒng)與試驗(yàn)器之間選配了增速器。例如，本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)成“一拖二”的模式，即一套動(dòng)力裝置通過(guò)兩套增速器拖動(dòng)兩套不同的試驗(yàn)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(yàn)機(jī)軸承與增速器的潤(rùn)滑；
5. 測(cè)試系統(tǒng)：測(cè)取壓氣機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，包括壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等；
6. 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)試驗(yàn)壓氣機(jī)和其它裝置在運(yùn)行中發(fā)生的異常，判斷故障并采取適當(dāng)措施。

（二） 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)

      試驗(yàn)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的最大功率800kW，可以進(jìn)行低速壓氣機(jī)和高速壓氣機(jī)試驗(yàn)，兩試驗(yàn)器的具體性

表1 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)性能參數(shù)

能參數(shù)見(jiàn)表1。

      本試驗(yàn)臺(tái)主要針對(duì)輕型動(dòng)力的壓氣機(jī)，從表1可以看出拖動(dòng)系統(tǒng)的功率并不大，但轉(zhuǎn)速控制精度較高（萬(wàn)分之二）。另外，試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)性能要求在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)矩突變10%時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)須在1秒內(nèi)恢復(fù)到原設(shè)定轉(zhuǎn)速，而且過(guò)渡狀態(tài)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大于±0.2%。因此，上述苛刻的技術(shù)要求使得拖動(dòng)系統(tǒng)成為壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)研制的難點(diǎn)之一。

三、壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)

（一） 壓氣機(jī)試驗(yàn)的功率（或轉(zhuǎn)矩）

      壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)主要測(cè)取壓氣機(jī)不同相對(duì)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(diǎn)，獲得壓氣機(jī)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(wú)量綱化）。

（二）拖動(dòng)系統(tǒng)類(lèi)型

      已建的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)可分為燃?xì)廨啓C(jī)（或航空發(fā)動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)和電機(jī)拖動(dòng)。燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)適宜大型壓氣機(jī)試驗(yàn)，能夠提供較大的功率，燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速較高，故增速器的增速比較?。ɑ驘o(wú)增速器），但是燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制精度和動(dòng)態(tài)性能較差。電機(jī)拖動(dòng)又分為直流電機(jī)拖動(dòng)和異步交流電機(jī)拖動(dòng)。

      過(guò)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(dòng)力系統(tǒng)，人們首先想到直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)。因此，已建的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，只要選擇電磁拖動(dòng)，幾乎全部是直流調(diào)速電機(jī)。

      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(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制精度也達(dá)到了直流調(diào)速電機(jī)的水平。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，可以實(shí)現(xiàn)大范圍高效連續(xù)調(diào)速控制、可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)、容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

（三） 高壓變頻拖動(dòng)系統(tǒng)

      本文所研制的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)綜合分析功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速控制精度和工程造價(jià)等，選擇了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)。試驗(yàn)壓氣機(jī)作為拖動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)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(shí)，是需要重點(diǎn)考慮的因素。

      將圖3所示試驗(yàn)壓氣機(jī)的不同轉(zhuǎn)速的最大轉(zhuǎn)矩提取出來(lái)，繪制壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，該曲線具有類(lèi)似風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的負(fù)載特性，即 2。當(dāng)然，不同試驗(yàn)壓氣機(jī)其轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性可能不同，但是最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速的特性不會(huì)改變。

      因此，變頻器和電機(jī)的負(fù)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(yùn)行質(zhì)量、減少成本，易于達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)速性能指標(biāo)。

圖4 拖動(dòng)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(kāi)關(guān)、變壓器柜、功率單元柜、控制柜、高壓變頻電機(jī)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(mén)上有干式變壓器溫度控制儀，為變壓器提供溫度告警和過(guò)熱保護(hù)。柜前門(mén)內(nèi)側(cè)裝有安全開(kāi)關(guān)保護(hù)，當(dāng)柜門(mén)打開(kāi)時(shí)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(gè)功率單元和6個(gè)電抗器，分前后排列。串聯(lián)后A1、B1、C1三個(gè)功率單元星接，最后3個(gè)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(cè)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(jī)界面系統(tǒng)?？刂破饔扇龎K光纖板，一塊信號(hào)板，一塊主控板和一塊電源板組成，各板之間通過(guò)母線底板連接。I/O接口板用于變頻器內(nèi)部開(kāi)關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)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(jī)界面為用戶(hù)提供友好的中文操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。

a) 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架（高壓電機(jī)） 

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(kāi)關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無(wú)法直接逆變輸出6kV或10kV，而因開(kāi)關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無(wú)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(jī)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，合康億盛決定選擇矢量控制方式，直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速無(wú)超調(diào)，具系統(tǒng)加減速性能、起動(dòng)性能都可以得到保證。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電機(jī)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(wú)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(guò)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(lì)磁電流給定 是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需要進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)不同的電機(jī)和負(fù)載得出的經(jīng)驗(yàn)值，電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(guò)Clarke逆變換輸出電機(jī)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(dòng)電機(jī)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(wèn)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(jì)主要包括：布線、接地、屏蔽、濾波與裝置布局設(shè)計(jì)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(kāi)接地，分別接“電源系統(tǒng)地”和“測(cè)量系統(tǒng)地”，電機(jī)測(cè)速軸編碼器屏蔽電纜其屏蔽層在電機(jī)附件盒側(cè)接地。裝置布局設(shè)計(jì)，變頻器、PLC、上位機(jī)的供電電源獨(dú)立，切斷了諧波電流，強(qiáng)、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(jī)試驗(yàn)臺(tái)采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)方案，經(jīng)過(guò)空載調(diào)試和帶載調(diào)試，試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。主要成果如下：

      (1) 首次將國(guó)產(chǎn)高壓變頻器作為壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)速設(shè)備，取得了成功；

      (2) 電機(jī)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(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于±0.02%的目標(biāo)；

      (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(jìn)行較低轉(zhuǎn)速（低工況）的性能試驗(yàn)。

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