直升機傳動主減試驗器電功率封閉結(jié)構(gòu)分析

喻 杰，李 林，邱云鵬，郭值中

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

1 引 言

主減速器是直升機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，直接影響直升機的性能和品質(zhì)，其壽命、可靠性關(guān)系直升機的安危。研制過程中，主減速器必需開展一系列的試驗考核與驗證。

根據(jù)設(shè)備建設(shè)技術(shù)要求，試驗器需要適用于兩種功率相近、額定轉(zhuǎn)速和構(gòu)型不同的主減速器，其中一種為雙發(fā)輸入，另外一種為單發(fā)輸入。由于試驗功率較大，若采用功率流開放式形式，長時間試驗時能耗將很大。為節(jié)省能源，需采用功率封閉形式。

2 試驗器方案

2.1 功率流封閉

功率封閉形式建設(shè)試驗器有3種方案：機械功率封閉、電功率封閉及液壓功率封閉[1]。機械功率封閉的優(yōu)點是能耗低、造價適中，缺點是機械連接點多、加載裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期為滿足其它型號需求的適應(yīng)性改造難度大[2]；電功率封閉結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能源利用好、效率高，傳動結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、安裝方便[3]，缺點是造價相對較高；液壓功率封閉的優(yōu)點是傳遞功率大、能耗低，缺點是設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，需多臺馬達(dá)泵組合后同時工作，建設(shè)費用高且泵和馬達(dá)數(shù)量增加后系統(tǒng)的可靠性較低，系統(tǒng)密封易損件多，維護工作量大。

經(jīng)綜合研判，為降低研制風(fēng)險，提高試驗設(shè)備的通用性和試驗狀態(tài)切換的便利性，宜采用技術(shù)成熟的電功率封閉結(jié)構(gòu)形式建設(shè)試驗器。

2.2 試驗器總體布置

本文以雙發(fā)輸入主減試驗器為例，對電功率封閉結(jié)構(gòu)進行分析，其總體布置如圖1所示。

圖1 雙發(fā)輸入主減試驗器總體布置

交流電網(wǎng)經(jīng)過整流變壓后給直流母線提供電能，整流器和各逆變器共用直流母線[4]，4臺逆變器通過變頻電纜與相應(yīng)交流變頻電機連接，其中整流器和各逆變器均采用瑞士ABB公司的ACS880系列產(chǎn)品。主減試驗器雙發(fā)輸入側(cè)包括左右兩臺驅(qū)動電機、兩個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、兩臺增速齒輪箱以及兩個高速膜盤聯(lián)軸器；負(fù)載側(cè)為兩路輸出，其中主旋翼輸出側(cè)包括換向齒輪箱和主旋翼加載電機，尾傳輸出側(cè)包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、尾傳減速箱和尾傳加載電機。

整流器具有四象限運行能力，允許以電動模式和發(fā)電模式進行整個功率范圍的能量轉(zhuǎn)換。兩種模式之間的轉(zhuǎn)換非?？?，從電動功率模式轉(zhuǎn)換到發(fā)電功率模式僅需要幾毫秒，且轉(zhuǎn)換過程無滯后。其能量回饋功率因數(shù)接近1，不需要功率因數(shù)補償。系統(tǒng)運行時，左右輸入驅(qū)動電機做電動運行，主旋翼加載電機和尾傳加載電機做發(fā)電運行并通過直流母線給驅(qū)動電機反饋電能。驅(qū)動部分與加載部分通過直流母線組成功率閉環(huán)，實現(xiàn)能量循環(huán)。系統(tǒng)制動時，多余的能量可通過整流器回饋給電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)約能量的效果?？紤]逆變器損耗及傳動鏈上各部件的傳動效率，一般情況下，試驗器的功率消耗約為試驗功率的15%～30%。

2.3 技術(shù)需求

試驗器各電機均選用交流變頻電機，其中驅(qū)動電機給試驗回路提供動力，其技術(shù)需求如下：兩臺驅(qū)動電機可實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)或單獨運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速變化率可調(diào)，各自的輸出扭矩可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為10%～100%，扭矩變化率可調(diào)；兩臺驅(qū)動電機中的任意一臺可在運行過程中動態(tài)脫開以及動態(tài)結(jié)合，要求能模擬雙發(fā)至單發(fā)以及單發(fā)至雙發(fā)的切換過程，而且切換過程中轉(zhuǎn)速變化率可調(diào)。

加載電機作為試驗回路的負(fù)載，其技術(shù)要求如下：主旋翼加載電機可選擇是否投入，不投入時，主減速器處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，投入時主旋翼加載扭矩通過傳動鏈速比折合到主減速器輸入側(cè)；尾傳加載電機可選擇是否投入，加載扭矩及扭矩變化率可調(diào)。

3 控制技術(shù)及方式

3.1 控制技術(shù)原理

左右兩臺驅(qū)動電機結(jié)合后，二者通過試驗器各傳動單元及主減速器的各級齒輪耦合在一起，屬于剛性連接，因此兩臺驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速嚴(yán)格保持一致。這種情況下通常會采用主從控制方式，即主電機采用速度模式，從電機采用轉(zhuǎn)矩模式，且從電機轉(zhuǎn)矩跟隨主電機的實轉(zhuǎn)矩[5]。但由于技術(shù)需求兩臺驅(qū)動電機的速度單獨可調(diào)，故需要兩個獨立的速度環(huán)對兩臺驅(qū)動電機分別控制，因此主從控制方式不再合適。同時，由于兩臺驅(qū)動電機在結(jié)合后轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格一致，因此也不能采用調(diào)整速度差進行負(fù)荷平衡的方法[6]。

為解決以上技術(shù)難題，引入速度環(huán)飽和及轉(zhuǎn)矩限幅控制技術(shù)。在雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中，速度環(huán)處于外環(huán)，電流環(huán)處于內(nèi)壞，內(nèi)環(huán)的輸入是外環(huán)的輸出。當(dāng)電機實際速度達(dá)到變頻器設(shè)置的速度偏置值時，外環(huán)積累至最大，速度環(huán)處于飽和狀態(tài)，其控制器輸出最大值，而內(nèi)環(huán)接收到最大值，變頻器控制電機輸出最大轉(zhuǎn)矩，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩限幅可以控制輸出轉(zhuǎn)矩的大小。下面對照各試驗階段對該控制技術(shù)進行說明。

啟動階段，左右驅(qū)動電機采用獨立速度環(huán)飽和及轉(zhuǎn)矩限幅方式，主旋翼加載電機，尾傳加載電機采用轉(zhuǎn)矩模式。將左驅(qū)動電機設(shè)置為主電機，轉(zhuǎn)矩限幅放開，右驅(qū)動電機設(shè)置為從電機，將主電機轉(zhuǎn)矩輸出作為其轉(zhuǎn)矩給定。主從電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值相同，從電機在此基礎(chǔ)上附加一定量的速度偏差，啟動后由于速度偏差的存在，從電機的速度環(huán)立即飽和，輸出的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)矩限幅限制，從而從電機轉(zhuǎn)矩跟隨主電機轉(zhuǎn)矩，而從電機速度受到各級齒輪耦合剛性連接，與主電機速度保持一致。此時，左右驅(qū)動電機控制模式類似于主從控制模式，主旋翼加載電機，尾傳加載電機采用的是轉(zhuǎn)矩模式，轉(zhuǎn)矩加載值設(shè)置為0且不控制速度，因此被左右驅(qū)動電機帶起的傳動鏈拖動起來。

雙發(fā)加載階段，各電機跟啟動階段的控制模式一樣，左驅(qū)動電機作為主電機，采用速度環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩限幅放開，右驅(qū)動電機采用附加速度給定及轉(zhuǎn)矩限幅控制方式，主旋翼電機實時采集左輸入回路轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)矩實際值進行反饋來控制左輸入加載扭矩，右驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩跟隨左驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩。

單發(fā)加載階段，分左發(fā)加載和右發(fā)加載。左發(fā)加載時，將右驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限幅設(shè)置為0，左驅(qū)動電機通過速度環(huán)控制傳動鏈速度恒定，主旋翼加載電機進行左輸入回路的扭矩加載；右發(fā)加載時，將左驅(qū)動電機限幅限為0，右驅(qū)動電機通過速度環(huán)控制傳動鏈速度恒定，主旋翼加載電機實時采集右輸入回路轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)矩實際值進行反饋來控制右輸入扭矩加載。雙發(fā)加載或單發(fā)加載時，均可進行尾傳輸出側(cè)的扭矩加載。尾傳加載電機通過實時采集尾傳輸出回路轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)矩值進行反饋來控制尾傳輸出扭矩。

雙發(fā)到單發(fā)切換，停左驅(qū)動電機時，左驅(qū)動電機按速度環(huán)預(yù)設(shè)斜率降到0，開始降速時，右驅(qū)動電機速度環(huán)起作用保持傳動鏈速度恒定；停右驅(qū)動電機時，右驅(qū)動電機按速度環(huán)預(yù)設(shè)斜率降到0，左驅(qū)動電機速度環(huán)保持速度恒定。單發(fā)到雙發(fā)切換，跟雙發(fā)到單發(fā)切換過程相反。

3.2 試驗臺控制方式

系統(tǒng)具有操縱臺手動和計算機自動兩種控制方式。操縱臺手動控制指旋轉(zhuǎn)操縱臺上的電位器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩；自動控制指由上位計算機完成轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。系統(tǒng)還具有快速停車和自由停車功能?？焖偻＼嚍橄到y(tǒng)提供電力制動，即按照預(yù)設(shè)定的時間，先卸載然后停車；自由停車為系統(tǒng)無電力制動，系統(tǒng)自動卸載然后自由停車。

試驗臺采用三級計算機總線控制系統(tǒng)。其中，第一級為變頻調(diào)速裝置組成的現(xiàn)場自動化級，第二級為PLC控制器及其I/O模塊組成的程序模式控制自動化級，第三級為上位機監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場層采用ABB公司的ACS880系列多傳動系統(tǒng)，根據(jù)各變頻電機的功率等級選擇相應(yīng)的逆變器?？刂茖又械腜LC控制器采用ABB公司的高性能AC800M系列控制器PM862，該CPU模塊配備有兩個以太網(wǎng)端口，以PLC控制器為主站，采用DriveBus光纖現(xiàn)場總線與變頻調(diào)速柜內(nèi)的整流器和各逆變器進行通信。

控制編程軟件采用ABB公司的Compact Control Builder AC800M組態(tài)軟件，程序編程主要采取FBD即邏輯功能塊的方式完成各調(diào)速器件的邏輯控制，數(shù)據(jù)讀寫及轉(zhuǎn)速、載荷的控制，PM862控制器與上位機之間采用高速以太網(wǎng)接口通信。監(jiān)控層上位機采用LabVIEW軟件完成人機接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控存儲等功能，并且具有故障報警及診斷功能。該系統(tǒng)擴展性和通用性較好，當(dāng)試驗臺要求做不同型號的試驗時，通過改變PLC程序可方便地滿足要求。

4 運行效果

對該電功率封閉結(jié)構(gòu)的雙發(fā)輸入主減試驗器設(shè)計完成后，進行試驗驗證如下：

(1)兩臺驅(qū)動電機均可動態(tài)切換單雙發(fā)狀態(tài)，切換過程中轉(zhuǎn)速變化率可調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，在投入主旋翼加載電機的情況下，兩臺驅(qū)動電機輸出扭矩以及扭矩變化率可穩(wěn)定調(diào)節(jié)。尾傳加載電機投入后，電機輸出扭矩以及扭矩變化率可穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

(2)某次雙發(fā)加載及尾傳加載動態(tài)調(diào)試中，各電機運行參數(shù)情況如表1中所示，電機參數(shù)值來源于各電機對應(yīng)的逆變器單元中的計算參考值。從表1可以看出，雙發(fā)加載時，左右兩臺驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速及扭矩基本一致。左右驅(qū)動電機總能耗為：297+300.4=597.4(kW)，主旋翼加載電機及尾傳加載電機回饋的電能為：361.8+119.7=481.5(kW)。該試驗狀態(tài)下，電功率封閉回路消耗了597.4-481.5=115.9(kW)電能，占試驗總功率的19.4%，節(jié)能效果較好。

表1 電機運行參數(shù)表

5 結(jié) 論

本文采用電功率封閉形式建設(shè)主減試驗器，有效地實現(xiàn)了能量的回饋利用。同時，由于該結(jié)構(gòu)靈活，方便試驗器進行適用性改造，節(jié)省改造費用。采用速度環(huán)飽和及轉(zhuǎn)矩限幅控制技術(shù)，滿足了雙發(fā)輸入主減速器的復(fù)雜工況需求。