全數字航空電源拖動系統設計

張西虎,王 鑫

（南京航空航天大學無人機研究院，江蘇南京,210016)

0 引言

1 系統組成

航空電源系統是飛機機載設備的重要組成部分，現代飛機正向多電、全電飛機方向發展，這將使飛機用電量急劇增加。為了保證機載用電設備在各種條件下能夠正常工作，對飛機電源的可靠性及性能提出了更高的要求。所以航空電源試驗臺在功能、性能、測試速度和測試精度等方面就要不斷增強，以滿足測試要求。普通發電機試驗在測試過程中無法實現對各項動態性能參數的測試，也無法對發電機的總體性能進行全方位的測評。隨著電力電子技術的發展，交流傳動在電氣傳動中得到了廣泛的應用。交流電動機具有結構簡單、價格便宜、堅固耐用的特點，而且在高速、大容量傳動方面有可與直流電動機相媲美的優點。在航空電源拖動系統中，采用交流變頻電機與變頻器組成的閉環調速系統；計算機對速度進行監測與控制，以滿足航空電源試驗對穩態和動態性能的要求。

圖1 航空電源拖動系統框圖

航空電源拖動系統由直流拖動臺、控制系統、風冷系統、故障試驗控制器及低壓配電柜組成，如圖1 所示。

2 工作原理

拖動系統操作方式為手動、自動兩種方式，具有電機失磁、欠磁、超速、過壓、過流、轉速反饋丟失、電源缺相、電壓過低、增速箱超溫、潤滑油過熱和壓力過低等報警保護功能。外油路冷卻系統、循環冷卻系統以及風冷系統中所有模擬量、開關量均進入控制系統，方便顯示。

2.1 低壓配電柜

為電源拖動系統供電，電壓400V、額定電流200A，具有短路、過載和缺相保護、電壓電流顯示功能，如圖2 所示。

2.2 控制系統

拖動調速裝置選用西門子公司Sinorec DC Master 6RA70 系列全數字晶閘管變流器，采用三相全橋供電的六相整流方式，實現四象限控制。

圖2 低壓配電柜照片

全數字調速裝置6RA70，采用帶有調節角預控的電流調節回路，提高了系統的動態性能。控制系統采用典型雙閉環控制，即電流內環、速度外環。使用增量式脈沖編碼器作為速度檢測元件，以提高速度的控制精度。邏輯無環流切換死時最短為2 ～3ms，采用數字觸發脈沖控制，脈沖對稱度好，可實現電流環和速度環的自動優化。

6RA70 全數字裝置具有80 余種故障自診斷功能。系統參數不受溫度、時間變化的影響，因而具有調試方便，參數宜于量化和保存等諸多優點。通過PROFIBUS-DP 或其它協議通訊與上一級自動化系統通訊，在網上實現速度設定以及速度、電壓、電流實際值的采集。拖動系統主要有自動給定轉速、加速度、電機起動、停止和正反轉功能，并具有將轉速、加減速度、油溫、油壓和操作狀態在計算機顯示、記錄、打印，設置緊急停車按鈕。

操作監控系統由一臺西門子公司S7-300 可編程控制器（PLC）、上位機以及西門子公司Wincc 監控軟件組成，完成整個拖動系統的操作、控制、聯鎖、加速度設定和運行狀態監控，采用三相400V 市電經進線電抗器為拖動臺電動機電樞回路供電。

2.3 直流拖動臺

原動電機選用上海南洋電機廠生產的Z4-225-31 直流調速電動機，額定功率：67kW；轉速范圍：0～680～2250rpm；額定電壓：400V；額定電流：197A，如圖3、圖4 所示。

a)增速箱

具有雙軸、雙向、同轉向輸出，低速軸0～12000rpm；高速軸0～24000rpm。

b)在兩輸出軸端裝有測速齒輪及測速傳感器檢測輸出軸實際轉速。兩輸出軸配有四個帶遠傳功能的軸承溫度測量傳感器，以實現對軸承溫升的監控。

c)齒輪：齒輪材料選用高級合金滲碳鋼，齒面硬度達到HRC58～62，齒輪為4 級精度，高、低齒輪軸轉動部件整體進行動靜平衡校驗。為了改善齒輪的嚙合性能，提高承載能力和傳動平穩性，采用齒頂修緣和齒形齒向的鼓形修形方法。

圖3 拖動臺示意圖

圖4 拖動臺照片

d)軸承選用：考慮使用精度、轉速性能、承載能力以及使用壽命等因素，所有軸承均選用進口高精度軸承，特別輸出軸端軸承選用進口超精密軸承，以保證壽命、精度、噪音等技術指標。

e)高、低齒輪軸轉動部件整體進行動靜平衡校驗；使得齒輪軸運轉穩定可靠，振幅小，軸承使用壽命長。 輸出軸采取迷宮組合多層式密封措施，有效阻止輸出軸漏油。

f)齒輪箱體采用鑄造成型，結構堅固剛性強，外型流暢，減震性好，箱體經過多次人工時效處理，變形小，結構穩定，上下箱體結合面采用刮研處理，保證結合面具有良好密封不滲油。

g)增速箱采用強迫潤滑方式，可以確保滿載連續正常工作8小時，并確保證承溫度<70°C 正常運行。潤滑系統由供油（電機和油泵）、過濾（油濾）、熱交換器、油溫傳感器、壓力控制及壓力顯示等部件組成。

2.4 風冷系統

風冷系統采用透浦式鼓風機為發電機強迫通風冷卻，風量通過進風口風門進行調整，配備風壓檢測傳感器，與控制系統連接實施遠距離控制，并且按照發電機的通風安裝接口配套電機風管接口。透浦式鼓風機性能參數：

a)型號：TB-5；

b)功率：5HP；

c)轉速：2800r/min；

d)電源：3P/50Hz、380V；

e)最大靜壓：500mmAQ（4.9kPa）；

f)最大風量：Q=3000m3/h；

g)外形尺寸：668 mm ×678 mm ×643 mm。

技術指標：

a)功率：4KW

b)風壓：≥4Kpa

c)風量：≥700m3/h

d)變頻調速配壓力、流量測量傳感器

e)近程手動控制，帶4 ～20mA 信號或RS-485 接口。

鼓風機底部設置推動小車，小車底部裝有轉向輪，轉向輪及可調節固定支承，以方便移動和調節風管中心高度，如圖5 所示。

圖5 風冷系統照片

2.5 故障試驗控制器

故障試驗控制器可以模擬供配電網絡的接地和用電設備短路故障等，檢測供配電網絡的保護動作情況，以及故障對供電性能的影響，以評估被測對象的性能是否滿足產品設計規范要求，如圖6 所示。

圖6 故障試驗控制器照片

3 軟件

圖7 測試界面

a）程序軟件

西門子WinCC監控軟件，STEP7 S7-300 編 程 軟 件，PROFIBUS 連接網絡軟件，有關工業以太網的網絡軟件。

b）應用軟件

PLC 監控應用軟件，在WindowsXP 操作系統上采用WinCC 監控軟件編寫的系統操作控制與顯示以及用于在線調試和維護傳動的應用程序。

4 實驗

將QF-6 起動發電機安裝在電源拖動臺上，完成了以下性能測試：轉速試驗、加速度試驗、加/卸載試驗和短路試驗，測試界面如圖7 所示。

測試界面主要分為以下幾個顯示部分：

a)顯示拖動臺的轉速（或轉速曲線）、電壓、電流。

b)顯示齒輪箱潤滑系統處在工作/停止狀態。

c)顯示齒輪箱軸承的溫度，直流電動機溫度。

d)拖動臺失磁、超速、過加速度、過壓、過流、超溫、轉速反饋丟失和缺相等報警、顯示和保護。

e)風冷系統風機、壓力。

5 結論

本文針對航空發電機的性能測試要求，研制了一種全數字航空電源拖動系統，解決了過去試驗中人工檢測強度大、試驗數據量少以及測試安全性差的問題，對發電機的性能測試起到積極作用。

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