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高压变频器在轻型动力之压气机试验台上的应用
作者:房爱兵
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变频器展厅
矢量变频器, 变频调速设备, ...
摘要:轻型动力压气机试验台的成功研制,是保障我院××型发动机研发的基础,其中试验台拖动系统(兼备调速功能)是需要攻克的难点之一。经过与合康亿盛公司联合攻关,首次将国产高压变频器应用在压气机试验台上,同时实现了一套高压变频器(经高压电机)拖动两套压气机试验器的“一拖二”模式。本文从压气机负载特性出发,论证了选用高压变频调速系统拖动的可行性,简单介绍了合康亿盛高压变频器在该压气机试验台上应用的情况,为同类试验台拖动系统的研制开辟了一条新路。
关键词:轻型动力;压气机试验台;高压变频器;矢量控制

一、引言

轻型动力泛指推力小于1000kgf或功率小于1MWe的轻型燃气轮机,通常用于航空飞行器推进、移动电源或分布式供能中,在国防建设和国家能源战略中具有重要意义。轻型动力的研发是一个设计、制造、试验、修改、再制造、再试验……循环往复渐近完美的过程。其中,试验环节在轻型动力研制过程中起着关键性的作用,以航空发动机为例,在正式定型之前,须经历从地面到空中的大大小小诸多试验。

轻型动力的试验大致分为部件试验和整机试车,压气机、燃料室、涡轮等主要部件的试验在轻型动力研制中占有相当重要的位置。其中,压气机工作条件复杂(空气参数变化范围宽、功率变化大)、技术要求苛刻,是发动机试验中耗费最大、测试技术复杂的部件,其试验任务涉及较多:①测取压气机特性参数(空气流量、增压比、效率等),②确定稳定工作边界,③流动损失试验研究,④检查压气机调节系统的可靠性。

本文所研制的压气机试验平台(装备)正是进行上述压气机试验的物质基础。

二、压气机试验台概述

(一) 压气机试验台的组成

压气机试验台由进排气系统、拖动系统(动力装置)、增速器、试验器、滑油系统、测试系统和安全监测系统等组成(图1)。

1.进排气系统:包括流量管、进口节流装置、稳压箱、排气涡壳和排气阀、快速退喘阀、消声塔等。调整进口节流装置可改变压气机进口压力和压气机耗功功率等,调整排气阀可改变压气机空气流量;
2.拖动系统(动力装置):为试验台提供动力,并能实现精准的转速控制。例如,本试验台的拖动系统由合康亿盛公司研制;
3.增速器、试验器:为适应功率、转速不同的压气机试验,在拖动系统与试验器之间选配了增速器。例如,本试验台设计成“一拖二”的模式,即一套动力装置通过两套增速器拖动两套不同的试验器;
4.滑油系统:包括油箱、油滤、供回油泵、散热器、电加温和自控装置,用于试验机轴承与增速器的润滑;
5.测试系统:测取压气机的运行参数,包括压力、温度、流量、转速、振动等;
6.安全监测系统:监测试验压气机和其它装置在运行中发生的异常,判断故障并采取适当措施。

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(二) 压气机试验台的性能指标

试验台拖动系统的最大功率800kW,可以进行低速压气机和高速压气机试验,两试验器的具体性能参数见表1。

表1 压气机试验台设计性能参数
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本试验台主要针对轻型动力的压气机,从表1可以看出拖动系统的功率并不大,但转速控制精度较高(万分之二)。另外,试验台动态性能要求在压气机转矩突变10%时,拖动系统须在1秒内恢复到原设定转速,而且过渡状态的转速波动不大于±0.2%。因此,上述苛刻的技术要求使得拖动系统成为压气机试验台研制的难点之一。

三、压气机试验台拖动系统

(一) 压气机试验的功率(或转矩)

压气机试验时主要测取压气机不同相对换算转速的( 0.60、0.70、0.80、0.90和1.0)性能参数,得到压比与流量和转速关系式 ,确定喘振或失速点,获得压气机稳定工作边界,特性曲线如图2所示(加上划线变量经无量纲化)。

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压气机轴的转矩与压气机功率和转速的关系可以写成:

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(二)拖动系统类型

已建的压气机试验台可分为燃气轮机(或航空发动机)拖动和电机拖动。燃气轮机拖动适宜大型压气机试验,能够提供较大的功率,燃气轮机的动力涡轮转速较高,故增速器的增速比较小(或无增速器),但是燃气轮机拖动系统转速控制精度和动态性能较差。电机拖动又分为直流电机拖动和异步交流电机拖动。

过去,鉴于变频技术在转速控制方面的缺陷,凡是涉及精确控速的动力系统,人们首先想到直流调速拖动系统。因此,已建的压气机试验台,只要选择电磁拖动,几乎全部是直流调速电机。

随着高压变频技术的发展,以及矢量控制技术的应用,交流异步电机的转速和转矩控制精度也达到了直流调速电机的水平。与直流调速系统相比,可以实现大范围高效连续调速控制、可以进行高频度的起停运转、容易实现电机的正反转切换。此外,变频调速系统还具有成本低、结构简单、维护方便的优点。

(三) 高压变频拖动系统

本文所研制的压气机试验台,通过综合分析功率、转速、转速控制精度和工程造价等,选择了高压变频调速系统拖动。试验压气机作为拖动系统的负载,其转矩—转速特性在确定调速系统控制方式和控制方案时,是需要重点考虑的因素。

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将图3所示试验压气机的不同转速的最大转矩提取出来,绘制压气机的转速—转矩曲线,如图4所示。可以看出,该曲线具有类似风机、泵类的负载特性,即 2。当然,不同试验压气机其转速—转矩特性可能不同,但是最大转矩对应最大转速的特性不会改变。

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图4 拖动系统的转矩线

四、合康亿盛高压变频调速系统

(一)变频调速系统构成

合康亿盛的变频调速系统包括:高压开关、变压器柜、功率单元柜、控制柜、高压变频电机和轴编码器等。

变压器柜装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。变压器前面右侧和后面左侧是副边绕组接线区域,与相应的三相电抗器输入电缆连接。柜门上有干式变压器温度控制仪,为变压器提供温度告警和过热保护。柜前门内侧装有安全开关保护,当柜门打开时告警。

功率单元柜内安装的功率单元和三相输入电抗器分成三组,每组串联成一相,每相串联6个功率单元和6个电抗器,分前后排列。串联后A1、B1、C1三个功率单元星接,最后3个单元A6、B6、C6输出接高压输出室的接线铜排上,星接电缆上穿有霍尔电流传感器,检测输出电流。

控制柜从上到下依次为控制器、I/O接口板、控制电源系统和人机界面系统。控制器由三块光纤板,一块信号板,一块主控板和一块电源板组成,各板之间通过母线底板连接。I/O接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理,增强了变频器现场应用的灵活性。控制电源系统为控制系统提供直流电源。人机界面为用户提供友好的中文操作界面,负责信息处理和外部的通讯联系,可选上位监控实现变频器的网络化控制。

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合康亿盛系列高压变频器采用“交—直—交”直接高压方式,主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限,无法直接逆变输出6kV或10kV,而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。该高压变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。图6为变频器的主电路框图。

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(二)矢量控制

根据压气机试验台对变频调速系统性能指标的要求,合康亿盛决定选择矢量控制方式,直接控制电机转矩,使转速响应迅速无超调,具系统加减速性能、起动性能都可以得到保证。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电机转矩的目的。矢量控制又有基于转差频频率控制的矢量控制方式、无速度传感器控制方式和有速度传感器的控制方式。

合康亿盛HIVERT-TVF系列变频器通过矢量控制系统的解耦,速度给定(频率给定) 与速度反馈相减得出速度误差,速度误差经PID调节后输出转矩电流给定 ,励磁电流给定 是根据系统的动态需要进行调整,根据不同的电机和负载得出的经验值,电机三相电流反馈 、 、 (为 与 之和求反)经传感器采样,然后再根据转子位置电气角度 进行Clarke变换,变换后输出 、 ,再经Park变换输出 、 ,将 、 值与给定值 、 求误差,进行PID调节后输出 、 , 将 、 和转子位置电气角度 经Park逆变换输出 、 ,再将 、 经过Clarke逆变换输出电机定子三相电压 、 、 值,三相电压 、 、 值作为PWM(脉宽调制)的比较值比较输出PWM波形到逆变器然后驱动电机旋转。如图7所示。

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图7 带速度传感器的矢量控制框图

五、结论

压气机试验台采用高压变频调速系统拖动方案,经过空载调试和带载调试,试验台各项技术指标达到或超过了设计目标。主要成果如下:

(1) 首次将国产高压变频器作为压气机试验台的调速设备,取得了成功;

(2) 电机轴编码器作为高压变频调速系统的转速给定,确保了试验台转速控制精度优于±0.02%的目标;

(3) 基于高压变频调速系统的调速比较宽,确保能够进行较低转速(低工况)的性能试验。

参考文献
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