一种基于永磁同步电机的螺旋桨特性模拟实验装置制造方法及图纸

一种基于永磁同步电机的螺旋桨特性模拟实验装置，无需依赖于转矩传感器且不需要预先建立复杂的螺旋桨特性模型库，可以实现在实验室环境下对螺旋桨惯量特性及转矩特性较为精确的模拟。基于该螺旋桨特性模拟实验装置，可以完成对航行器电力推进系统被测试推进电机的稳态、动态模拟加载及控制策略优化，从而缩短电力推进系统的台架试验及实航验证时间，降低航行器电力推进系统的研发周期和研发成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于永磁同步电机的螺旋桨特性模拟实验装置
本专利技术涉及一种螺旋桨特性模拟实验装置。
技术介绍
随着大功率电力电子技术的日益成熟以及大功率变频调速技术的迅猛发展，以全电力推进为特征的“全电船舶”、“全电飞机”等新一代航行器的不断涌现，通过将传统航行器中相互独立的动力和电力两大系统合二为一，在简化动力系统结构的同时具有更高的功率密度和配置灵活性，代表着船舶、飞机等航行器未来的发展方向。电力推进系统是全电飞机、舰船动力系统的核心组件，对电力推进系统进行带螺旋桨功率考核是验证推进系统动静态性能指标最为有效的技术手段。通过搭建螺旋桨负载模拟装置，模拟螺旋桨的转矩并加载到电力推进系统上，使其与实际航行器的推进工况相似，可以在实验室真实地模拟航行器的实际的加载特性，进而验证作为电力推进系统核心组件的被测试推进电机的关键技术指标，达到降低电力推进系统研发技术风险的目的。以电机为负载进行螺旋桨负载特性模拟是一种较为常用的方式。其中，基于直流发电机的螺旋桨特性模拟装置是在被测试推进电机输出轴上对接一个直流发电机，直流发电机的定子端直接接阻性负载或可控负载，通过调节直流发电机励磁电压或通过定子侧的控制装置来调节它的输出转矩，进而实现对实际螺旋桨动静态特性的模拟。由于直流发电机转矩控制方式较为简单，现阶段国内的大部分小功率螺旋桨模拟装置多采用这种方式。但由大功率直流电机制造成本高，电机体积重量大，因此，该方案无法应用到大功率的螺旋桨负载模拟装置中。随着交流电机控制技术的发展，使得交流电机的控制性能能够和直流电机相媲美，由于交流电机的可靠性和经济性，交流电机也越来越多的被用于作为负载电机，应用于各种功率等级的螺旋桨特性模拟装置中。现有的基于交流电机负载的螺旋桨模拟装置的工作原理如下：预先从存储于上位机内的多组螺旋桨特性曲线中选取与被模拟的螺旋桨特性相近的曲线，并将选取的螺旋桨特性曲线、以及用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息发送给模拟螺旋桨特性的电机控制器中，当不能从曲线存储模块内找到与被模拟的螺旋桨特性曲线相近的曲线时，需要通过线性拟合产生新的螺旋桨特性曲线。模拟螺旋桨特性的电机控制器根据来自上位机的信息，以及在轴系上安装的转矩、转速传感器对负载模拟器的电机施加闭环控制，实现对螺旋桨特性的模拟。基于上述工作原理，可以构建交流电机模拟螺旋桨特性的模拟装置，虽然上述模拟装置可以模拟螺旋桨基本的负载特性，但是在实际应用中存在如下问题。首先，螺旋桨特性模拟装置的控制上位机中需要预先建立螺旋桨特性曲线库，螺旋桨桨型的不同会引起其转矩/转速特性较大的差别，模拟器为了实现对不同桨型螺旋桨负载特性的模拟，需要进行大量的螺旋桨特性曲线收集及验证的工作。对于未包含在特性曲线库中的螺旋桨，为实现对其负载特性的模拟，需要在上位机中通过线性拟合的方式生成新的螺旋桨特性曲线，拟合出的新特性曲线与实际螺旋桨特性的吻合程度如何检验是一个实际存在的问题；其次，对于螺旋桨而言，除转矩特性外，其转动惯量是影响螺旋桨输出特性的一个重要参数，对于模拟螺旋桨特性的电机而言，其转动惯量相对较小，因此不能与螺旋桨的转动惯量完全匹配，现有的螺旋桨模拟器并未考虑上述转动惯量不匹配对于模拟器模拟精度的影响；螺旋桨模拟器需要实时测量模拟电机的转矩信息，为实现转矩的测量一般需要在轴系中接入转矩传感器，对于大功率的螺旋桨特性模拟装置而言，存在传感器安装及购置成本等方面的一系列问题。设计一种易于实现且不依赖于螺旋桨特性库、无需转矩传感器的螺旋桨模拟实验装置，用于真实的模拟螺旋桨转动惯量及转矩特性的需求随之产生。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服已有基于交流电机的螺旋桨特性模拟装置需要提前建立螺旋桨特性曲线库、依赖于转矩传感器且未充分考虑电机与实际螺旋桨在转动惯量方面的差异对模拟精度影响等问题，提出一种螺旋桨特性模拟实验装置，本专利技术无需依赖于转矩传感器、不需要预先建立复杂的螺旋桨特性模型库，可以在实验室环境下较为精确的实现对螺旋桨惯量特性及转矩特性的模拟：本专利技术对航行器电力推进系统推进电机的稳态、动态模拟加载及控制策略优化，从而缩短电力推进系统的台架试验及实航验证时间，降低航行器电力系统的研发周期和研发成本。本专利技术基于永磁同步电机的螺旋桨特性模拟实验装置包括：模拟控制上位机、永磁同步负载电机、用于控制永磁同步负载电机的通用变频器、连轴装置、惯量补偿飞轮、用于支撑惯量补偿飞轮的中间侧支撑轴承、模拟装置输出轴、被测试电机安装支架、公共安装底座、被测试电机，以及与永磁同步负载电机转子同轴安装的测速旋转变压器。所述的模拟控制上位机与通用变频器及被测试推进电机通过CAN总线连接；通用变频器分别通过动力电缆与交流电网和永磁同步负载电机连接；永磁同步负载电机的壳体固定在公共安装底座上，永磁同步负载电机的输出转动轴通过连轴装置、中间侧支撑轴承与惯量补偿飞轮进行机械轴对中；惯量补偿飞轮通过模拟装置输出轴与被测试推进电机进行机械轴对中；被测试推进电机通过安装支架固定在公共安装底座上；测速旋转变压器安装在永磁同步负载电机转子轴上，测速旋转变压器的信号输出端与通用变频器的测速信号输入端连接，通用变频器将采集到的转速信号通过CAN总线上传给模拟控制上位机。本专利技术螺旋桨特性模拟实验装置的工作原理如下。忽略摩擦力，并且不考虑传动轴两端速度的动态差异，根据牛顿力学第二定理，分别建立被测试推进电机、真实螺旋桨、永磁同步负载电机三者之间的机械方程：中间侧支撑轴承的输入及输出两端转矩相等，即，T1＝T2。可以得到被测试推进电机-真实螺旋桨之间的机械平衡方程为：被测试推进电机-螺旋桨特性模拟实验装置之间的机械平衡方程为：为实现螺旋桨特性模拟实验装置对真实螺旋桨特性的模拟，须满足：通过调整惯量补偿飞轮的惯量ΔJi，使得下式成立：JS+ΔJi＝JP得到负载电机的转矩和真实螺旋桨的负载转矩须满足的关系式：TS＝M上述式中，JM为被测试推进电机的转动惯量，JP为真实螺旋桨的转动惯量，JS为永磁同步负载电机的转动惯量，ΔJi为惯量补偿飞轮的转动惯量，转动惯量的单位为kg·m2；TM为被测试推进电机的电磁转矩、TS为负载电机的电磁转矩；T1为传动轴系的输入转矩、T2为传动轴系的输出转矩，T1＝T2；M为螺旋桨的负载转矩，上述转矩的单位均为Nm；Np为螺旋桨转速，单位为转/分；螺旋桨的典型转矩特性由如下三次多项式描述：根据上面分析，若永磁同步负载电机的转矩、转速满足如下关系，则永磁同步负载电机可以模拟螺旋桨的转矩特性：其中，A,B,C,D分别为螺旋桨转矩特性三次多项式的三次系数、二次系数、一次系数及零次系数，对于特定的螺旋桨而言，A,B,C,D均为常数。根据上述原理，本专利技术螺旋桨特性模拟实验装置的模拟控制上位机根据被测试推进电机的实时转速，实时计算出永磁同步负载电机需要输出的负载转矩，并根据转矩指令值计算出电流指令值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于永磁同步电机的螺旋桨特性模拟实验装置，其特征在于：所述的螺旋桨特性模拟实验装置包括：模拟控制上位机(1)、永磁同步负载电机(3)、用于控制负载电机的通用变频器(2)、连轴装置(4)、用于补偿负载电机与螺旋桨转动惯量差异的惯量补偿飞轮(6)、用于支撑惯量补偿飞轮的中间侧支撑轴承(5)、模拟装置输出轴(7)、被测试电机安装支架(8)、公共安装底座(9)、被测试推进电机(10)，以及与永磁同步负载电机(3)的转子同轴安装的测速旋转变压器(11)；所述的模拟控制上位机(1)与通用变频器(2)及被测试推进电机(10)通过CAN总线连接；通用变频器(2)分别通过动力电缆与交流电网和永磁同步负载电机(3)连接；永磁同步负载电机(3)的壳体固定在公共安装底座(9)上，永磁同步负载电机(3)的输出转动轴通过模拟装置输出轴(7)、中间侧支撑轴承(5)与惯量补偿飞轮(6)进行机械轴对中；惯量补偿飞轮(6)通过模拟装置输出轴(7)与被测试推进电机(10)进行机械轴对中；被测试推进电机(10)通过被测试电机安装支架(8)固定在公共安装底座(9)上；测速旋转变压器(11)安装在永磁同步负载电机(3)的转子轴上，测速旋转变压器(11)的信号输出端与通用变频器(2)的测速信号输入端连接，通用变频器(2)将采集到的转速信号通过CAN总线上传给模拟控制上位机(1)；所述的模拟控制上位机(1)根据被测试推进电机(10)的实时转速，实时计算出负载电机需要输出的负载转矩指令值，并根据负载转矩指令值计算出电流指令值，将计算出的电流指令值通过CAN总线传送给通用变频器(2)，利用通用变频器(2)所具备的电流闭环控制功能，控制永磁同步负载电机(3)输出与螺旋桨在当前转速下相同的转矩，将该转矩施加在被测试推进电机(10)上；所述螺旋桨特性模拟实验装置通过惯量补偿飞轮实现对永磁同步负载电机转动惯量与真实螺旋桨转动惯量差值的补偿，完成螺旋桨模拟装置转动惯量与真实螺旋桨惯量的匹配，实现对螺旋桨转动惯量的模拟；通过控制永磁同步负载电机的输出转矩与螺旋桨真实转矩相等，实现对螺旋桨的转矩负载特性的模拟。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于永磁同步电机的螺旋桨特性模拟实验装置，其特征在于：所述的螺旋桨特性模拟实验装置包括：模拟控制上位机(1)、永磁同步负载电机(3)、用于控制负载电机的通用变频器(2)、连轴装置(4)、用于补偿负载电机与螺旋桨转动惯量差异的惯量补偿飞轮(6)、用于支撑惯量补偿飞轮的中间侧支撑轴承(5)、模拟装置输出轴(7)、被测试电机安装支架(8)、公共安装底座(9)、被测试推进电机(10)，以及与永磁同步负载电机(3)的转子同轴安装的测速旋转变压器(11)；所述的模拟控制上位机(1)与通用变频器(2)及被测试推进电机(10)通过CAN总线连接；通用变频器(2)分别通过动力电缆与交流电网和永磁同步负载电机(3)连接；永磁同步负载电机(3)的壳体固定在公共安装底座(9)上，永磁同步负载电机(3)的输出转动轴通过模拟装置输出轴(7)、中间侧支撑轴承(5)与惯量补偿飞轮(6)进行机械轴对中；惯量补偿飞轮(6)通过模拟装置输出轴(7)与被测试推进电机(10)进行机械轴对中；被测试推进电机(10)通过被测试电机安装支架(8)固定在公共安装底座(9)上；测速旋转变压器(11)安装在永磁同步负载电机(3)的转子轴上，测速旋转变压器(11)的信号输出端与通用变频器(2)的测速信号输入端连接，通用变频器(2)将采集到的转速信号通过CAN总线上传给模拟控制上位机(1)；所述的模拟控制上位机(1)根据被测试推进电机(10)的实时转速，实时计算出负载电机需要输出的负载转矩指令值，并根据负载转矩指令值计算出电流指令值，将计算出的电流指令值通过CAN总线传送给通用变频器(2)，利用通用变频器(2)所具备的电流闭环控制功能，控制永磁同步负载电机(3)输出与螺旋桨在当前转速下相同的转矩，将该转矩施加在被测试推进电机(10)上；所述螺旋桨特性模拟实验装置通过惯量补偿飞轮实现对永磁同步负载电机转动惯量与真实螺旋桨转动惯量差值的补偿，完成螺旋桨模拟装置转动惯量与真实螺旋桨惯量的匹配，实现对螺旋桨转动惯量的模拟；通过控制永磁同步负载电机的输出转矩与螺旋桨真实转矩相等，实现对螺旋桨的转矩负载特性的模拟。


2.如权利要求1所述的螺旋桨特性模拟实验装置，其特征在于：所述的螺旋桨特性模拟实验装置对螺旋桨转动惯量特性的模拟过程如下：
确定所需的惯量补偿飞轮的惯量△Ji为：
△Ji＝JP-JS
其中，△Ji为惯量补偿飞轮的转动惯量，JP为螺旋桨的转动惯量，JS为负载电机的转动惯量，转动惯量的单位为kg·m2；
根据计算得到的惯量补偿飞轮的转动惯量，选择相应转动惯量的惯量补偿飞轮，并通过机械连接方式接入中间侧支撑轴承与模拟实验装置输出轴之间，实现对螺旋桨转动惯量的模拟。


3.如权利要求1所述的螺旋桨...

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑，温旭辉，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11