摘要：輕型動力壓氣機試驗臺的成功研制，是保障我院××型發動機研發的基礎，其中試驗臺拖動系統（兼備調速功能）是需要攻克的難點之一。經過與合康億盛公司聯合攻關，首次將國產高壓變頻器應用在壓氣機試驗臺上，同時實現了一套高壓變頻器（經高壓電機）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，論證了選用高壓變頻調速系統拖動的可行性，簡單介紹了合康億盛高壓變頻器在該壓氣機試驗臺上應用的情況，為同類試驗臺拖動系統的研制開辟了一條新路。

      關鍵詞：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，在國防建設和國家能源戰略中具有重要意義。輕型動力的研發是一個設計、制造、試驗、修改、再制造、再試驗……循環往復漸近完美的過程。其中，試驗環節在輕型動力研制過程中起著關鍵性的作用，以航空發動機為例，在正式定型之前，須經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重要的位置。其中，壓氣機工作條件復雜（空氣參數變化范圍寬、功率變化大）、技術要求苛刻，是發動機試驗中耗費最大、測試技術復雜的部件，其試驗任務涉及較多：①測取壓氣機特性參數（空氣流量、增壓比、效率等），②確定穩定工作邊界，③流動損失試驗研究，④檢查壓氣機調節系統的可靠性。

      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基礎。

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、拖動系統（動力裝置）、增速器、試驗器、滑油系統、測試系統和安全監測系統等組成（圖1）。

1. 進排氣系統：包括流量管、進口節流裝置、穩壓箱、排氣渦殼和排氣閥、快速退喘閥、消聲塔等。調整進口節流裝置可改變壓氣機進口壓力和壓氣機耗功功率等，調整排氣閥可改變壓氣機空氣流量；
2. 拖動系統（動力裝置）：為試驗臺提供動力，并能實現精準的轉速控制。例如，本試驗臺的拖動系統由合康億盛公司研制；
3. 增速器、試驗器：為適應功率、轉速不同的壓氣機試驗，在拖動系統與試驗器之間選配了增速器。例如，本試驗臺設計成“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：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：測取壓氣機的運行參數，包括壓力、溫度、流量、轉速、振動等；
6. 安全監測系統：監測試驗壓氣機和其它裝置在運行中發生的異常，判斷故障并采取適當措施。

（二） 壓氣機試驗臺的性能指標

      試驗臺拖動系統的最大功率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 壓氣機試驗臺設計性能參數

能參數見表1。

      本試驗臺主要針對輕型動力的壓氣機，從表1可以看出拖動系統的功率并不大，但轉速控制精度較高（萬分之二）。另外，試驗臺動態性能要求在壓氣機轉矩突變10%時，拖動系統須在1秒內恢復到原設定轉速，而且過渡狀態的轉速波動不大于±0.2%。因此，上述苛刻的技術要求使得拖動系統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

（一） 壓氣機試驗的功率（或轉矩）

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

（二）拖動系統類型

      已建的壓氣機試驗臺可分為燃氣輪機（或航空發動機）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速較高，故增速器的增速比較小（或無增速器），但是燃氣輪機拖動系統轉速控制精度和動態性能較差。電機拖動又分為直流電機拖動和異步交流電機拖動。

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

      隨著高壓變頻技術的發展，以及矢量控制技術的應用，交流異步電機的轉速和轉矩控制精度也達到了直流調速電機的水平。與直流調速系統相比，可以實現大范圍高效連續調速控制、可以進行高頻度的起停運轉、容易實現電機的正反轉切換。此外，變頻調速系統還具有成本低、結構簡單、維護方便的優點。

（三） 高壓變頻拖動系統

      本文所研制的壓氣機試驗臺，通過綜合分析功率、轉速、轉速控制精度和工程造價等，選擇了高壓變頻調速系統拖動。試驗壓氣機作為拖動系統的負載，其轉矩—轉速特性在確定調速系統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速的最大轉矩提取出來，繪制壓氣機的轉速—轉矩曲線，如圖4所示?？梢钥闯觯撉€具有類似風機、泵類的負載特性，即 2。當然，不同試驗壓氣機其轉速—轉矩特性可能不同，但是最大轉矩對應最大轉速的特性不會改變。

      因此，變頻器和電機的負載特性在額定轉速附近保持恒功率特性、在低速區保持恒轉矩特性。恰當的控制方式和控制方案能夠提高系統的運行質量、減少成本，易于達到試驗臺的調速性能指標。

圖4 拖動系統的轉矩線 

四、合康億盛高壓變頻調速系統

      （一）變頻調速系統構成

      合康億盛的變頻調速系統包括：高壓開關、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。變壓器前面右側和后面左側是副邊繞組接線區域，與相應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。柜前門內側裝有安全開關保護，當柜門打開時告警。

      功率單元柜內安裝的功率單元和三相輸入電抗器分成三組，每組串聯成一相，每相串聯6個功率單元和6個電抗器，分前后排列。串聯后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、控制電源系統和人機界面系統?？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部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性?？刂齐娫聪到y為控制系統提供直流電源。人機界面為用戶提供友好的中文操作界面，負責信息處理和外部的通訊聯系，可選上位監控實現變頻器的網絡化控制。

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，而因開關頻率高、均壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。該高壓變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，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

      根據壓氣機試驗臺對變頻調速系統性能指標的要求，合康億盛決定選擇矢量控制方式，直接控制電機轉矩，使轉速響應迅速無超調，具系統加減速性能、起動性能都可以得到保證。矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電機轉矩的目的。矢量控制又有基于轉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PID調節后輸出轉矩電流給定 ，勵磁電流給定 是根據系統的動態需要進行調整，根據不同的電機和負載得出的經驗值，電機三相電流反饋 、 、 （為 與 之和求反）經傳感器采樣，然后再根據轉子位置電氣角度 進行Clarke變換，變換后輸出 、 ，再經Park變換輸出 、 ，將 、 值與給定值 、 求誤差，進行PID調節后輸出 、 , 將 、 和轉子位置電氣角度 經Park逆變換輸出 、 ，再將 、 經過Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓 、 、 值，三相電壓 、 、 值作為PWM（脈寬調制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器然后驅動電機旋轉。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

      變頻調速系統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的可靠性，其整體的電磁兼容性設計主要包括：布線、接地、屏蔽、濾波與裝置布局設計等。

      變頻調速系統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“電源系統地”和“測量系統地”，電機測速軸編碼器屏蔽電纜其屏蔽層在電機附件盒側接地。裝置布局設計，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的噪聲電流減至最小。

五、結論

      壓氣機試驗臺采用高壓變頻調速系統拖動方案，經過空載調試和帶載調試，試驗臺各項技術指標達到或超過了設計目標。主要成果如下：

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

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

      (3) 基于高壓變頻調速系統的調速比較寬，確保能夠進行較低轉速（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