孫慧瑩 安魯陵 任 益 張琳琳

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210000；2.中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，哈爾濱 150066）

發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一般包括機(jī)械傳動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)和氣體驅(qū)動(dòng)3 種傳動(dòng)方式。文章介紹的是目前廣泛應(yīng)用的機(jī)械傳動(dòng)方式，主要由齒輪、機(jī)匣、軸承、安裝座、傳動(dòng)軸以及離合器等組成。該種結(jié)構(gòu)具有恒定的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，可靠性強(qiáng)，但是對(duì)零組件的單件加工和安裝精度要求較高，使用過(guò)程中容易因齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)而誘發(fā)振動(dòng)等問(wèn)題[1]。隨著機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)考核內(nèi)容越來(lái)越全面，考核項(xiàng)目要求越來(lái)越苛刻，電加載技術(shù)以加載精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)勢(shì)逐漸應(yīng)用于試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)加載技術(shù)現(xiàn)狀

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)因承載的功率在兆瓦級(jí)以下，一般采用開(kāi)式功率流傳動(dòng)方式。該方式與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)路線(xiàn)類(lèi)似，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)變轉(zhuǎn)速齒輪箱帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，加載形式一般包括液壓加載、電功率加載（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電加載）、真實(shí)附件加載3 種[2]。

1.1 液壓加載

液壓加載是使用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的真實(shí)附件或模擬液壓泵將機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)軸系的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能進(jìn)行加載的形式，通過(guò)改變液壓泵的壓力或者流量調(diào)節(jié)載荷。這種加載形式會(huì)消耗大量的能量、液壓油與工業(yè)用水，在試驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生大量熱量和油霧，嚴(yán)重破壞試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境。

1.2 電加載

利用三相異步電機(jī)和四象限變頻裝置實(shí)現(xiàn)加載功能的試驗(yàn)臺(tái)具有相應(yīng)速度快、載荷穩(wěn)定及試驗(yàn)環(huán)境優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。將電網(wǎng)作為吸收加載能量的電加載技術(shù)可以很好地利用再生能量，減少試驗(yàn)過(guò)程中的能量損耗，大大降低了試驗(yàn)成本。

1.3 真實(shí)附件加載

該加載形式利用飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)上機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)各輸出端的真實(shí)附件（包括液壓、燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)等）實(shí)現(xiàn)功率提取。受真實(shí)附件壽命影響，在試驗(yàn)臺(tái)上采用真實(shí)附件加載費(fèi)用較高，而且需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)或更換。

通過(guò)比較3 種加載形式可以看出，電加載在降低試驗(yàn)成本和環(huán)境保護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)電加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)考核過(guò)程中，試驗(yàn)臺(tái)主要包括3 種基本的工作狀態(tài)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)升速；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)在穩(wěn)定狀態(tài)，各輸出端加載電機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行加載；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)減速或者停車(chē)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)及加載電機(jī)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)。

考慮維修性，一般機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)多采用交流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，三相異步主拖動(dòng)電機(jī)和加載電機(jī)都通過(guò)四象限矢量變頻控制器對(duì)其進(jìn)行控制。在空間直角坐標(biāo)系中，橫坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)代表扭矩，由其組成的4 個(gè)象限即矢量變頻控制器的4 種運(yùn)行狀態(tài)。由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方向始終不變，在試驗(yàn)臺(tái)中應(yīng)用的四象限矢量變頻控制器主要在第一和第四象限狀態(tài)下工作。在第一象限，被控制電機(jī)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)。在第四象限，被控制電機(jī)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的加載或試驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)。

當(dāng)主拖動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)升速時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，主拖動(dòng)電機(jī)矢量變頻控制器對(duì)主電機(jī)施加與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向一致的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)升速，此時(shí)變頻器工作在第一象限。當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，主拖動(dòng)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，其矢量變頻控制器工作在第一象限。加載電機(jī)需要對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)施加與其旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，此時(shí)加載電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，加載電機(jī)矢量變頻控制器工作在第四象限，通過(guò)向直流母線(xiàn)中反饋電能，補(bǔ)償主拖動(dòng)電機(jī)消耗的電能。當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)減速或者停車(chē)時(shí)，為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)平穩(wěn)且迅速停車(chē)，需要主拖動(dòng)電機(jī)與加載電機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)施加與其運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反的扭矩來(lái)發(fā)揮制動(dòng)作用，此時(shí)主拖動(dòng)電機(jī)與加載電機(jī)矢量變頻控制器均工作在第四象限。電機(jī)通過(guò)矢量變頻控制器向直流母線(xiàn)中的濾波電容充電，逆變裝置通過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術(shù)將直流母線(xiàn)中的電能向電網(wǎng)進(jìn)行有源逆變，從而實(shí)現(xiàn)電能反饋[3]。

3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)電加載控制策略

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、加載電機(jī)的矢量變頻控制器均采用SVPWM 控制方式。主拖動(dòng)電機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，矢量變頻控制器為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力矩，控制機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)逐漸減速直到運(yùn)動(dòng)停止，主拖動(dòng)電機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)施加制動(dòng)力矩，此時(shí)電機(jī)矢量變頻控制器為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)加載裝置提供制動(dòng)力矩，加載電機(jī)發(fā)出的電能可以通過(guò)與電機(jī)連接的整流單元反饋到直流母線(xiàn)端，為直流母線(xiàn)上并聯(lián)的濾波電容充電，使得直流母線(xiàn)電壓升高。當(dāng)直流母線(xiàn)電壓升高至啟動(dòng)電能反饋單元設(shè)定的電壓時(shí)，將原本工作在整流工作狀態(tài)的電能反饋單元切換為逆變工作狀態(tài)，再將直流母線(xiàn)上的電能反饋到電網(wǎng)，然后根據(jù)直流母線(xiàn)電壓的大小來(lái)判斷能量流動(dòng)的方向，對(duì)整流單元和電能反饋單元的工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的切換。

4 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)電加載方案應(yīng)用

4.1 總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)是在地面臺(tái)架上模擬機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝和工作狀態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)至試驗(yàn)件的輸入轉(zhuǎn)速，通過(guò)加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件采用液壓加載或電加載方式實(shí)現(xiàn)扭矩考核，通過(guò)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，通過(guò)視頻監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行情況，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示，據(jù)此判斷整體機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定。典型的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)原理如圖1 所示。

圖1 典型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)原理

4.2 電加載方案設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)多為單輸入多輸出結(jié)構(gòu)，各輸出端布局分散，功率及轉(zhuǎn)速范圍參差不齊，要求加載精度高且連續(xù)可調(diào)[4]。因此，在進(jìn)行電功率加載方案設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用交-直-交型變頻調(diào)速的形式。同時(shí)，考慮能源的回收再利用，多采用共直流母線(xiàn)形式的雙向電力變換系統(tǒng)，主要包括電力拖動(dòng)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(jìn)行整流和斬波，逆變輸出單元實(shí)現(xiàn)逆變和濾波，輸出符合國(guó)家供電標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電，將電能反饋到電網(wǎng)中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮整個(gè)系統(tǒng)的緊湊性，將電力拖動(dòng)電路和電能反饋電路合并，使電力變換系統(tǒng)既可以起動(dòng)主拖動(dòng)電機(jī)，又可以變換電加載電機(jī)的輸出電源。以西門(mén)子S120 變頻器為例，介紹機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)電加載設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用。

4.2.1 西門(mén)子S120 多傳動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)

S120 基于不同的應(yīng)用控制方式，設(shè)計(jì)了3 種不同類(lèi)型的進(jìn)線(xiàn)整流方式，即兩象限運(yùn)行、四象限運(yùn)行和有源整流進(jìn)線(xiàn)。其中，四象限運(yùn)行的回饋整流裝置作為一種創(chuàng)新型設(shè)計(jì)方式被廣泛用于共直流母線(xiàn)方案設(shè)計(jì)。

S120 帶動(dòng)的電機(jī)等在零速時(shí)能夠獲得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，而無(wú)須光碼盤(pán)反饋，這個(gè)特性在冶金系統(tǒng)應(yīng)用中非常重要。但是，如果長(zhǎng)期運(yùn)行在零速且有更高要求時(shí)，仍然需要光碼盤(pán)反饋。S120 的自動(dòng)起動(dòng)特性超出一般變頻器的提升起動(dòng)和積分起動(dòng)的性能，能夠在幾毫秒內(nèi)測(cè)出電機(jī)的狀態(tài)，在任何條件下都能迅速起動(dòng)。

4.2.2 電能反饋系統(tǒng)的控制策略

在電力變換系統(tǒng)中，常規(guī)方法是使用三角函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，但是由于計(jì)算量很大，會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)提出更高的要求，造成控制系統(tǒng)性能下降[5]。而空間矢量電壓SVPWM 控制算法無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較和普通運(yùn)算，就可以完成扇區(qū)判斷和矢量作用時(shí)間的計(jì)算。這種方法將電機(jī)雙反應(yīng)理論與SVPWM 控制策略結(jié)合起來(lái)，數(shù)學(xué)模型分析簡(jiǎn)單，便于控制。SVPWM 控制策略是依據(jù)變流器空間電壓矢量的切換來(lái)控制變流器的一種控制方法。

4.2.3 電加載方案設(shè)計(jì)應(yīng)用

某型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)為單輸入四輸出結(jié)構(gòu)，輸入總功率不低于1 500 kW，所帶輸出端其中的兩個(gè)負(fù)載分別為160 kW 和15 kW。由于電機(jī)功率跨度較大，將變頻控制系統(tǒng)分為690 V 與380 V 兩組。690 V 變頻器直流母線(xiàn)輸出恒定970 V 電壓，電機(jī)模塊為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)1 和負(fù)載電機(jī)2 逆變單元供電。380 V 變頻器直流母線(xiàn)輸出恒定510 V 電壓，電機(jī)模塊為負(fù)載電機(jī)3和負(fù)載電機(jī)4 供電。各加載電機(jī)將產(chǎn)生的電能回饋到直流母線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)電功率封閉系統(tǒng)，達(dá)到能量自治和較好的節(jié)能效果。

4.3 電加載方式的相關(guān)建議

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)電加載方式試驗(yàn)臺(tái)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與加載電機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行電功率封閉，通過(guò)整流、逆變單元以及可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和加載功率的無(wú)級(jí)控制及加載精度要求，并與潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)互鎖，保證運(yùn)行穩(wěn)定可靠。對(duì)于多軸系傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷提取，電功率封閉形式采用閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各輸出端的靈活控制，精度更高且擴(kuò)展性更強(qiáng)。應(yīng)盡量提高交流電機(jī)模擬附件加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速，建議將逆變系統(tǒng)布置在同一公共直流母線(xiàn)下，同時(shí)要充分考慮系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛性，保證試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

將三相異步電機(jī)SVPWM 空間電壓矢量控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的電加載系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行工作原理、方案設(shè)計(jì)和控制策略的分析。通過(guò)研究控制算法，成功將三相異步電機(jī)的矢量控制方法應(yīng)用在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)器上。