機械傳動系統電加載技術研究

孫慧瑩 安魯陵 任 益 張琳琳

（1.南京航空航天大學，南京 210000；2.中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，哈爾濱 150066）

發動機傳動系統一般包括機械傳動、電驅動和氣體驅動3 種傳動方式。文章介紹的是目前廣泛應用的機械傳動方式，主要由齒輪、機匣、軸承、安裝座、傳動軸以及離合器等組成。該種結構具有恒定的傳動比，傳動效率高，可靠性強，但是對零組件的單件加工和安裝精度要求較高，使用過程中容易因齒輪嚙合時產生的激勵而誘發振動等問題[1]。隨著機械傳動系統試驗考核內容越來越全面，考核項目要求越來越苛刻，電加載技術以加載精度高、穩定性強及可靠性高等優勢逐漸應用于試驗方案設計。

1 機械傳動系統試驗臺加載技術現狀

機械傳動系統試驗臺因承載的功率在兆瓦級以下，一般采用開式功率流傳動方式。該方式與發動機機械傳動路線類似，由驅動電機作為動力源，經變轉速齒輪箱帶動整個系統運轉，加載形式一般包括液壓加載、電功率加載（以下簡稱電加載）、真實附件加載3 種[2]。

1.1 液壓加載

液壓加載是使用機械傳動系統的真實附件或模擬液壓泵將機械傳動系統軸系的機械能轉換為液壓能進行加載的形式，通過改變液壓泵的壓力或者流量調節載荷。這種加載形式會消耗大量的能量、液壓油與工業用水，在試驗中會產生大量熱量和油霧，嚴重破壞試驗設備的運行環境。

1.2 電加載

利用三相異步電機和四象限變頻裝置實現加載功能的試驗臺具有相應速度快、載荷穩定及試驗環境優良的優點。將電網作為吸收加載能量的電加載技術可以很好地利用再生能量，減少試驗過程中的能量損耗，大大降低了試驗成本。

1.3 真實附件加載

該加載形式利用飛機或發動機上機械傳動系統各輸出端的真實附件（包括液壓、燃油、發動機等）實現功率提取。受真實附件壽命影響，在試驗臺上采用真實附件加載費用較高，而且需要經常進行維護或更換。

通過比較3 種加載形式可以看出，電加載在降低試驗成本和環境保護等方面具有明顯的優勢。

2 機械傳動系統試驗臺電加載系統實現原理

在機械傳動系統的試驗考核過程中，試驗臺主要包括3 種基本的工作狀態：驅動電機拖動機械傳動系統試驗臺升速；機械傳動系統試驗臺運轉在穩定狀態，各輸出端加載電機對機械傳動系統進行加載；機械傳動系統試驗臺減速或者停車過程中驅動電機及加載電機對試驗臺進行制動。

考慮維修性，一般機械傳動系統試驗臺多采用交流電機作為驅動電機，三相異步主拖動電機和加載電機都通過四象限矢量變頻控制器對其進行控制。在空間直角坐標系中，橫坐標代表轉速，縱坐標代表扭矩，由其組成的4 個象限即矢量變頻控制器的4 種運行狀態。由于機械傳動系統的旋轉方向始終不變，在試驗臺中應用的四象限矢量變頻控制器主要在第一和第四象限狀態下工作。在第一象限，被控制電機為電動機狀態，可以實現對試驗臺的驅動。在第四象限，被控制電機為發電機狀態，可以實現對機械傳動系統的加載或試驗臺的制動。

當主拖動電機拖動試驗臺升速時，電機處于電動運行狀態，主拖動電機矢量變頻控制器對主電機施加與機械傳動系統試驗臺旋轉方向一致的轉矩，進而帶動機械傳動系統升速，此時變頻器工作在第一象限。當機械傳動系統穩定運行時，主拖動電機處于電動機狀態，其矢量變頻控制器工作在第一象限。加載電機需要對機械傳動系統施加與其旋轉方向相反的扭矩，此時加載電機處于發電機狀態，加載電機矢量變頻控制器工作在第四象限，通過向直流母線中反饋電能，補償主拖動電機消耗的電能。當機械傳動系統試驗臺減速或者停車時，為了使機械傳動系統試驗臺平穩且迅速停車，需要主拖動電機與加載電機對機械傳動系統施加與其運轉方向相反的扭矩來發揮制動作用，此時主拖動電機與加載電機矢量變頻控制器均工作在第四象限。電機通過矢量變頻控制器向直流母線中的濾波電容充電，逆變裝置通過空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術將直流母線中的電能向電網進行有源逆變，從而實現電能反饋[3]。

3 機械傳動系統電加載控制策略

機械傳動系統試驗臺的主驅動電機、加載電機的矢量變頻控制器均采用SVPWM 控制方式。主拖動電機為電動狀態時，矢量變頻控制器為電機提供驅動力矩，控制機械傳動系統的運轉速度。當機械傳動系統試驗臺逐漸減速直到運動停止，主拖動電機對機械傳動系統施加制動力矩，此時電機矢量變頻控制器為機械傳動系統加載裝置提供制動力矩，加載電機發出的電能可以通過與電機連接的整流單元反饋到直流母線端，為直流母線上并聯的濾波電容充電，使得直流母線電壓升高。當直流母線電壓升高至啟動電能反饋單元設定的電壓時，將原本工作在整流工作狀態的電能反饋單元切換為逆變工作狀態，再將直流母線上的電能反饋到電網，然后根據直流母線電壓的大小來判斷能量流動的方向，對整流單元和電能反饋單元的工作狀態進行相應的切換。

4 機械傳動系統試驗臺電加載方案應用

4.1 總體設計方案

機械傳動系統試驗臺是在地面臺架上模擬機械傳動系統在飛機及發動機上的安裝和工作狀態。通過試驗設備的驅動電機及變頻調速系統調節至試驗件的輸入轉速，通過加載系統對試驗件采用液壓加載或電加載方式實現扭矩考核，通過潤滑冷卻系統對試驗件及試驗設備機械系統進行潤滑和冷卻，通過視頻監視系統實時掌握試驗件及試驗設備機械系統的運行情況，通過振動測試系統對運轉中的振動數據進行時域和頻域的采集、存儲、分析和顯示，據此判斷整體機械系統運轉是否穩定。典型的機械傳動系統試驗臺傳動原理如圖1 所示。

圖1 典型機械傳動系統試驗臺傳動原理

4.2 電加載方案設計

機械傳動系統多為單輸入多輸出結構，各輸出端布局分散，功率及轉速范圍參差不齊，要求加載精度高且連續可調[4]。因此，在進行電功率加載方案設計時，一般采用交-直-交型變頻調速的形式。同時，考慮能源的回收再利用，多采用共直流母線形式的雙向電力變換系統，主要包括電力拖動部分和電能反饋輸出部分。電力輸出部分采用恒壓逆變方式，由直流斬波器進行整流和斬波，逆變輸出單元實現逆變和濾波，輸出符合國家供電標準的三相交流電，將電能反饋到電網中。在設計過程中，考慮整個系統的緊湊性，將電力拖動電路和電能反饋電路合并，使電力變換系統既可以起動主拖動電機，又可以變換電加載電機的輸出電源。以西門子S120 變頻器為例，介紹機械傳動系統電加載設計方案的應用。

4.2.1 西門子S120 多傳動的技術特點

S120 基于不同的應用控制方式，設計了3 種不同類型的進線整流方式，即兩象限運行、四象限運行和有源整流進線。其中，四象限運行的回饋整流裝置作為一種創新型設計方式被廣泛用于共直流母線方案設計。

S120 帶動的電機等在零速時能夠獲得電機的額定轉矩，而無須光碼盤反饋，這個特性在冶金系統應用中非常重要。但是，如果長期運行在零速且有更高要求時，仍然需要光碼盤反饋。S120 的自動起動特性超出一般變頻器的提升起動和積分起動的性能，能夠在幾毫秒內測出電機的狀態，在任何條件下都能迅速起動。

4.2.2 電能反饋系統的控制策略

在電力變換系統中，常規方法是使用三角函數進行計算，但是由于計算量很大，會對控制系統提出更高的要求，造成控制系統性能下降[5]。而空間矢量電壓SVPWM 控制算法無須進行復雜運算，只需進行簡單的比較和普通運算，就可以完成扇區判斷和矢量作用時間的計算。這種方法將電機雙反應理論與SVPWM 控制策略結合起來，數學模型分析簡單，便于控制。SVPWM 控制策略是依據變流器空間電壓矢量的切換來控制變流器的一種控制方法。

4.2.3 電加載方案設計應用

某型機械傳動系統為單輸入四輸出結構，輸入總功率不低于1 500 kW，所帶輸出端其中的兩個負載分別為160 kW 和15 kW。由于電機功率跨度較大，將變頻控制系統分為690 V 與380 V 兩組。690 V 變頻器直流母線輸出恒定970 V 電壓，電機模塊為驅動電機、負載電機1 和負載電機2 逆變單元供電。380 V 變頻器直流母線輸出恒定510 V 電壓，電機模塊為負載電機3和負載電機4 供電。各加載電機將產生的電能回饋到直流母線，實現電功率封閉系統，達到能量自治和較好的節能效果。

4.3 電加載方式的相關建議

機械傳動系統電加載方式試驗臺采用驅動電機與加載電機結合的方式進行電功率封閉，通過整流、逆變單元以及可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實現轉速和加載功率的無級控制及加載精度要求，并與潤滑系統、機械系統實現關聯互鎖，保證運行穩定可靠。對于多軸系傳動系統的載荷提取，電功率封閉形式采用閉環控制，可以實現對各輸出端的靈活控制，精度更高且擴展性更強。應盡量提高交流電機模擬附件加載電機的轉速，建議將逆變系統布置在同一公共直流母線下，同時要充分考慮系統的轉動慣量和剛性，保證試驗臺運轉平穩。

5 結語

將三相異步電機SVPWM 空間電壓矢量控制技術應用到機械傳動系統試驗臺的電加載系統，并對其進行工作原理、方案設計和控制策略的分析。通過研究控制算法，成功將三相異步電機的矢量控制方法應用在機械傳動系統的試驗器上。