全数字航空电源拖动系统设计

张西虎,王 鑫

（南京航空航天大学无人机研究院，江苏南京,210016)

0 引言

1 系统组成

航空电源系统是飞机机载设备的重要组成部分，现代飞机正向多电、全电飞机方向发展，这将使飞机用电量急剧增加。为了保证机载用电设备在各种条件下能够正常工作，对飞机电源的可靠性及性能提出了更高的要求。所以航空电源试验台在功能、性能、测试速度和测试精度等方面就要不断增强，以满足测试要求。普通发电机试验在测试过程中无法实现对各项动态性能参数的测试，也无法对发电机的总体性能进行全方位的测评。随着电力电子技术的发展，交流传动在电气传动中得到了广泛的应用。交流电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用的特点，而且在高速、大容量传动方面有可与直流电动机相媲美的优点。在航空电源拖动系统中，采用交流变频电机与变频器组成的闭环调速系统；计算机对速度进行监测与控制，以满足航空电源试验对稳态和动态性能的要求。

图1 航空电源拖动系统框图

航空电源拖动系统由直流拖动台、控制系统、风冷系统、故障试验控制器及低压配电柜组成，如图1 所示。

2 工作原理

拖动系统操作方式为手动、自动两种方式，具有电机失磁、欠磁、超速、过压、过流、转速反馈丢失、电源缺相、电压过低、增速箱超温、润滑油过热和压力过低等报警保护功能。外油路冷却系统、循环冷却系统以及风冷系统中所有模拟量、开关量均进入控制系统，方便显示。

2.1 低压配电柜

为电源拖动系统供电，电压400V、额定电流200A，具有短路、过载和缺相保护、电压电流显示功能，如图2 所示。

2.2 控制系统

拖动调速装置选用西门子公司Sinorec DC Master 6RA70 系列全数字晶闸管变流器，采用三相全桥供电的六相整流方式，实现四象限控制。

图2 低压配电柜照片

全数字调速装置6RA70，采用带有调节角预控的电流调节回路，提高了系统的动态性能。控制系统采用典型双闭环控制，即电流内环、速度外环。使用增量式脉冲编码器作为速度检测元件，以提高速度的控制精度。逻辑无环流切换死时最短为2 ～3ms，采用数字触发脉冲控制，脉冲对称度好，可实现电流环和速度环的自动优化。

6RA70 全数字装置具有80 余种故障自诊断功能。系统参数不受温度、时间变化的影响，因而具有调试方便，参数宜于量化和保存等诸多优点。通过PROFIBUS-DP 或其它协议通讯与上一级自动化系统通讯，在网上实现速度设定以及速度、电压、电流实际值的采集。拖动系统主要有自动给定转速、加速度、电机起动、停止和正反转功能，并具有将转速、加减速度、油温、油压和操作状态在计算机显示、记录、打印，设置紧急停车按钮。

操作监控系统由一台西门子公司S7-300 可编程控制器（PLC）、上位机以及西门子公司Wincc 监控软件组成，完成整个拖动系统的操作、控制、联锁、加速度设定和运行状态监控，采用三相400V 市电经进线电抗器为拖动台电动机电枢回路供电。

2.3 直流拖动台

原动电机选用上海南洋电机厂生产的Z4-225-31 直流调速电动机，额定功率：67kW；转速范围：0～680～2250rpm；额定电压：400V；额定电流：197A，如图3、图4 所示。

a)增速箱

具有双轴、双向、同转向输出，低速轴0～12000rpm；高速轴0～24000rpm。

b)在两输出轴端装有测速齿轮及测速传感器检测输出轴实际转速。两输出轴配有四个带远传功能的轴承温度测量传感器，以实现对轴承温升的监控。

c)齿轮：齿轮材料选用高级合金渗碳钢，齿面硬度达到HRC58～62，齿轮为4 级精度，高、低齿轮轴转动部件整体进行动静平衡校验。为了改善齿轮的啮合性能，提高承载能力和传动平稳性，采用齿顶修缘和齿形齿向的鼓形修形方法。

图3 拖动台示意图

图4 拖动台照片

d)轴承选用：考虑使用精度、转速性能、承载能力以及使用寿命等因素，所有轴承均选用进口高精度轴承，特别输出轴端轴承选用进口超精密轴承，以保证寿命、精度、噪音等技术指标。

e)高、低齿轮轴转动部件整体进行动静平衡校验；使得齿轮轴运转稳定可靠，振幅小，轴承使用寿命长。 输出轴采取迷宫组合多层式密封措施，有效阻止输出轴漏油。

f)齿轮箱体采用铸造成型，结构坚固刚性强，外型流畅，减震性好，箱体经过多次人工时效处理，变形小，结构稳定，上下箱体结合面采用刮研处理，保证结合面具有良好密封不渗油。

g)增速箱采用强迫润滑方式，可以确保满载连续正常工作8小时，并确保证承温度<70°C 正常运行。润滑系统由供油（电机和油泵）、过滤（油滤）、热交换器、油温传感器、压力控制及压力显示等部件组成。

2.4 风冷系统

风冷系统采用透浦式鼓风机为发电机强迫通风冷却，风量通过进风口风门进行调整，配备风压检测传感器，与控制系统连接实施远距离控制，并且按照发电机的通风安装接口配套电机风管接口。透浦式鼓风机性能参数：

a)型号：TB-5；

b)功率：5HP；

c)转速：2800r/min；

d)电源：3P/50Hz、380V；

e)最大静压：500mmAQ（4.9kPa）；

f)最大风量：Q=3000m3/h；

g)外形尺寸：668 mm ×678 mm ×643 mm。

技术指标：

a)功率：4KW

b)风压：≥4Kpa

c)风量：≥700m3/h

d)变频调速配压力、流量测量传感器

e)近程手动控制，带4 ～20mA 信号或RS-485 接口。

鼓风机底部设置推动小车，小车底部装有转向轮，转向轮及可调节固定支承，以方便移动和调节风管中心高度，如图5 所示。

图5 风冷系统照片

2.5 故障试验控制器

故障试验控制器可以模拟供配电网络的接地和用电设备短路故障等，检测供配电网络的保护动作情况，以及故障对供电性能的影响，以评估被测对象的性能是否满足产品设计规范要求，如图6 所示。

图6 故障试验控制器照片

3 软件

图7 测试界面

a）程序软件

西门子WinCC监控软件，STEP7 S7-300 编 程 软 件，PROFIBUS 连接网络软件，有关工业以太网的网络软件。

b）应用软件

PLC 监控应用软件，在WindowsXP 操作系统上采用WinCC 监控软件编写的系统操作控制与显示以及用于在线调试和维护传动的应用程序。

4 实验

将QF-6 起动发电机安装在电源拖动台上，完成了以下性能测试：转速试验、加速度试验、加/卸载试验和短路试验，测试界面如图7 所示。

测试界面主要分为以下几个显示部分：

a)显示拖动台的转速（或转速曲线）、电压、电流。

b)显示齿轮箱润滑系统处在工作/停止状态。

c)显示齿轮箱轴承的温度，直流电动机温度。

d)拖动台失磁、超速、过加速度、过压、过流、超温、转速反馈丢失和缺相等报警、显示和保护。

e)风冷系统风机、压力。

5 结论

本文针对航空发电机的性能测试要求，研制了一种全数字航空电源拖动系统，解决了过去试验中人工检测强度大、试验数据量少以及测试安全性差的问题，对发电机的性能测试起到积极作用。

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