柔性测试技术

柔性测试技术（精选七篇）

柔性测试技术 篇1

本文所述系统是一套基于柔性测试技术理念开发的平台式位置传感器标定与检测系统,能够完成对多种位置传感器的标定与检测。灵活的LabVIEW图形化编程语言与高效的TestStand测试流程管理软件相结合,集成模块化硬件平台以及多种通讯方式,使系统可以对直线位置传感器、角度位置传感器以及旋转位置传感器进行标定和检测,既能满足高精度的测试要求,又大大提高了系统的灵活性和扩展性,充分体现了柔性测试技术的优势。

1 系统原理

位置传感器是一种磁敏感传感器,针对不同强度的磁场会有不同的信号输出。本系统采用特定的磁极在传感器周围移动产生需要的磁场,来建立标定、校准和测试该类传感器所需的磁场环境。

经过组装的位置传感器输出的信号是不准确的,在使用前必须经过标定、校准和检测,只有标定后通过校准和测试的传感器才能在实际中使用。标定和测试过程都需要在高精度的磁场变换环境中进行,系统采用直线与旋转两个工作台实现对直线型、旋转型位置传感器的标定和检测。同时本系统集成了完善的温度控制功能,可以对传感器的测试环境进行恒温控制,并对需要的传感器进行必要的恒温环境下校准与检测,对传感器的输出信号进行温度补偿,以提高对温度影响敏感类传感器的输出精度。本系统可以建立0℃~125℃范围内任意温度点的恒温环境控制,并且可以达到较高的精度。

在完整的功能测试的模式下,系统会将测试箱内的传感器及测试夹具稳定在一个设定的温度,同时运动控制系统会控制磁极沿着传感器磁感应方向做步进式移动,同时采集传感器的反馈信号作为原始数据,并根据特定的算法计算出传感器的标定参数,然后根据不同的传感器通信协议将参数写入传感器的芯片,完成对传感器的标定。如果传感器标定需要考虑温度的影响,可以在低温和高温两个温度下进行相应的原始数据采集和标定处理,来进行温度的补偿校准,同时系统还可以对经过标定和校准的传感器进行全功能的检测,检查传感器是否符合生产要求,系统实现原理如图1所示。传感器的标定和检测流程都需要在高精度的位置控制环境下完成,本系统最高控制精度可以达到1μm。

2 硬件设计

系统在设计时选用了NI公司高精度、高速度的数字万用表卡完成数据采集。同时选用了NI公司数字I/O卡来完成对传感器、开关、按钮等状态信息的查询和继电器、电子锁等元器件的控制,并且将设备反馈信息及时反馈到上位机进行处理。

针对被测传感器的多样性,系统设计了“柔性”的硬件平台,即为不同种类的传感器配置了不同规格的测试夹具或测试台。对于直线位置传感器,分别配置了75 mm、150 mm和225 mm等多种规格的夹具,更换传感器时,只需要更换对应的夹具即可;对于角度位置传感器和旋转位置传感器,只需要更换测试台即可,灵活的硬件配置,使系统具有良好的适应性和扩展性。

系统中使用的主要硬件及其功能如表1所示。

除此以外,系统还设计了RS-232、CAN总线、AS-I、Device-Net、ProfiBus等5种通讯方式,可以满足不同通讯协议的传感器的测试需求。

3 软件设计

3.1 测试流程

系统测试软件包括两部分内容,一部分是系统正常运行的基本操作系统,选用目前应用最广泛的Windows操作系统;另一部分是测试软件的开发平台,选用NI公司的图形化编程语言LabVIEW结合测试流程执行管理软件TestStand,开发出一套多功能的平台式测试系统。

本系统使用LabVIEW搭建人机交互界面,使用TestStand搭建测试流程执行序列,针对不同种类的传感器,可以在TestStand中配置不同的测试流程,每个测试流程都有对应的Sequence文件,通过在LabVIEW中调用TestStand运行引擎,加载Sequence来完成测试功能,更换传感器类型时,只需要加载不同的Sequence文件即可以完成对不同类型传感器的测试,真正实现了平台式测试系统。

测试流程如图2所示。

软件启动后,首先对系统硬件进行初始化,确保设备处于正常状态。初始化之后,操作员要将传感器放置到测试夹具上,在传感器底部设置了光纤传感器用来检测被测件有无。按下开始测试按钮后,快速加热器首先对传感器及其所处的环境进行加热,待传感器温度稳定后,开始对传感器进行标定,只有标定成功的传感器才能进行测试,如果标定不成功,则测试失败,记录测试数据和失败原因,完成本次测试。标定成功后,继续对被测件进行校准和测试,读取被测件的测试结果,将测试值与标准值进行比较,如果测试值在标准值范围内,则判定该产品为合格品,否则为不合格品,最后对测试数据和测试结果进行记录,输出报表,并且将测试数据存储到数据库中。

3.2 功能模块

系统软件在功能实现上采用模块化的实现方式,即特定模块实现特定功能,主要包括订单管理模块、数据查看模块、调试工具模块、参数配置模块、操作窗口切换模块、用户管理模块以及系统帮助模块,每个模块又包含不同功能的子模块。系统软件功能模块如图3所示。

智能位置传感器标定与检测系统平台是中科泛华公司在原有其他传感器测试系统基础上研制的。该系统以柔性测试技术为设计思想,采用LabVIEW结合TestStand作为软件平台,配合高性能的模块化硬件平台,实现了对多种位置传感器进行标定和检测的功能,是一套名副其实的平台式测试系统。该系统在温度控制、电气控制和机械结构控制方面均达到了高精度的测试要求,满足测试结果的精确性和准确性。系统通过了GR&R测试,是一套高精度的自动化测试系统。目前该系统已经成功应用于某知名传感器生产厂商的生产线上。

摘要：介绍了一种基于柔性测试技术的磁感应式位置传感器标定与检测系统平台。系统以LabVIEW和TestStand为开发平台,采用高性能的硬件设备,在温度控制、电气控制、运动控制等方面均达到了高精度的测试要求,可满足多种位置传感器的标定和检测要求,具备良好的测试性能和较高的可扩展性。

关键词：LabVIEW,TestStand,位置传感器,柔性测试技术

参考文献

柔性测试技术 篇2

关键词：液位阻值测试,C-RIO测试系统,分布式采集,LabVIEW

前言

XLM2线功能测试台主要承担对油泵支架总成各项性能的检测。主要针对通用公司以及福特公司的12种配套车型的油泵支架系统进行测试。其主要测试参数包括:油体浮子液位阻值 (TSG电阻) 、油泵启动电流、CO接地电阻、DRV接地电阻、油泵转动极性以及产品条码扫描等一系列关键参数。其测试结果直接关系到油泵支架系统的出厂指标以及产品质量, 其功能测试台处于整条生产线最终检测环节而显得异常重要。

针对以上测试要求, 若采用传统的基于P C I数据采集的测试系统进行开发, 受到上位机操作系统以及测试环境的影响较大。而基于PLC进行开发又会受到采集速度等条件的限制。本文采用美国国家仪器 (NI) 公司近年来最新推出的C-RIO测试技术进行开发, 它是一种基于底层FPAG进行编程的技术, 包含一个实时控制器与可重新配置的FPGA芯片, 底层硬件资源对用户开放, 避免了受到软件操作系统以及固有采集模式的限制, 具备良好的灵活性与可靠性。

测试系统功能及硬件构架

测试系统如图1所示, 测试功能可以分为3个基本部分。

设备仪器控制:包括TSG电阻测试驱动伺服电机控制、扫码仪控制以及极性探测器控制。其中TSG电阻测试要求控制测试电机处在恒速条件下。整个过程分为三个阶段, 如图2。

模拟信号采集:包括对TSG电阻、CO电阻以及DRV值的测量。

I/O控制:包括对负压吸紧气缸、CO探针气缸、DRV上推气缸, DRV探针气缸以及多个继电器进行信号输出控制, 同时对工件识别光电开关、高度上下限接近开关, 零位接近开关、安全继电器以及双手控制器进行输入信号捕捉。

测试系统的构架:由于本系统功能测试类型较多, 单一的数据采集设备或I/O控制设备都难以满足要求。经过多次比较与选型, 本测试系统采用NI公司最新推出的C-RIO测试技术, 基于低层FPGA编程的C-RIO9074进行系统构架。该系统接线实物电气图如图3所示。

测试系统软件组成

系统的软件界面如图4所示, 其操作功能如图5所示。

自动测试功能:系统具备自动测试功能, 其详细测试工艺后文详述。

手动测试功能:系统具备对测试运动控制部件进行手动控制功能, 可进行所有运动控制的手动调整, 方便系统调试。

校验功能:由于本测试系统长期运行于生产线, 测试的稳定性与准确性非常重要。本测试系统软件设计了光电开关校验, 高度校验, TSG阻值校验, DRV阻值校验, CO阻值校验, 启动电流校验, 极性校验。通过相应操作界面定期对系统进行校验, 可保证系统长期测试的可靠性。

测试工件参数选型:本系统内部设置各种生产线测试工件类型, 通过测试工件选型, 测试参数将自动加载入测试界面。

测试数据记录:在工件测试结束后, 测试过程中的数据将自动记录并保存。

系统自动测试工艺过程

过程如图6所示。

(1) 工件识别。当工件被正常装入测试夹具后, 系统将对工件进行自动识别并判断是否合格, 如果工件识别正确, 则进行下一个工序测试。如果没有工件放入, 或工件放置位置错误, 则系统自动提示工件识别错误报警并停止测试。需手动复位, 并重新开始测试。

(2) 扫描条码识别。当工件被识别后, 扫描条码器自动打开对测试工件进行条码扫描。如果扫描编码与预设扫描客户编码一致, 系统自动判断扫描条码合格, 关闭扫描条码器, 并进行下一道工序测试。如果扫描编码与预设扫描客户编码不一致, 则系统自动提示扫描条码错误报警并停止测试。需手动复位, 并重新开始测试。

(3) TSG电阻值测试。当工件条码扫描合格后, 系统将根据型号选择, 确定是否进行TSG电阻测试。如果TSG电阻测试被选中, 系统将自动进行TSG电阻测试。否则, 系统将跳过本道测试工序, 进行下一道工序的测试。在此过程中, 系统将控制电机测试丝杆带动被测工件的浮子进行TSG电阻测试, 并将整个测试过程以高度为横坐标, 以测试阻值为纵坐标的测试特性曲线记录下来, 同预先设置好的检验范围进行对比。如果测试点测试结果均在检验范围内, 则判定TSG电阻测试合格, 进行下一道工序测试。如果其中一个或多个测试数据超过检验范围, 则系统自动提示TSG电阻测试错误报警并停止测试。需手动复位, 并重新开始测试。

(4) 启动电流测试。TSG电阻测试合格后 (如果系统选择进行TSG电阻测试) , 系统将自动开启测试电源, 进行工件启动电流测试, 并求取启动电流的最大值与预先设置的允许最大启动电流进行对比。如果测试结果小于预设值, 则判定启动电流测试合格, 系统自动进行下一工序测试, 否则系统自动提示启动电流错误报警。需手动复位, 并重新开始测试。

(5) 极性测试。当启动电流测试合格后系统将打开极性传感器, 在工件加电工作条件下进行极性测试。如果工件工作正常, 则极性测试合格, 系统自动进行下一工序测试, 否则系统自动提示极性错误报警。需手动复位, 并重新开始测试。

(6) DRV电阻测试。当极性测试合格后, 系统将根据型号选择, 确定是否进行DRV电阻测试。如果DRV电阻测试被选中, 系统将自动进行DRV电阻测试。否则, 系统将跳过本道测试工序, 进行下一道工序的测试。

在进行DRV电阻测试过程中, 系统将控制DRV上推气缸前进至DRV电阻待测位置, 并推动DRV测试气针接触到DRV电阻测试位置。然后自动测试工件DRV电阻, 并同预先设置好的检测范围进行对比, 如果测试结果在预设的检测范围以内, 则判定DRV电阻测试合格, 系统自动进行下一工序测试, 否则系统自动提示DRV电阻测试错误报警。需手动复位, 并重新开始测试。

(7) CO电阻测试。CO电阻的测试工艺与DRV电阻的测试工艺基本相似。即当DRV电阻测试合格后, 系统将根据型号选择, 确定是否进行CO电阻测试。如果CO电阻测试被选中, 系统将自动进行CO电阻测试, 否则系统将结束测试。并提示操作人员工件所有测试参数合格, 请取走工件, 并开始下一工件的参数测试。

在进行CO电阻测试过程中, 系统将CO测试气针接触到CO电阻测试位置后, 自动测试工件CO电阻。在测试完成后, 自动同预先设置好的检测范围进行对比。如果测试结果在预设的检测范围以内, 则CO电阻测试合格, 并结束整个测试。否则系统自动提示CO电阻测试错误报警。需手动复位, 并重新开始测试。

本油泵支架测试台是联合汽车电子有限公司西安厂针对油泵支架专门开发的参数测试系统。该系统采用NI公司C-RIO测试系统进行开发, 目前已经投入生产线运行, 测试结果稳定, 达到预期的设计功能。

参考文献

[1]He Yun.Signal acquisition system of engine base on labview[J].Manufacturing&Automation, 2010, 9 (s) :192-194.

[2]腾福林.胡育文.基于FPGA的模块化伺服驱动器[J].电气活动, 2010, 11:57-59.

[3]陈锡辉, 张银鸿.Labview8.20程序设计从入门到精通[M], 2008, 5:

柔性测试助力国防工业 篇3

泛华测控从1997年就开始为国防单位提供产品的测试测量解决方案, 包括技术服务、开发、销售、集成以及咨询等。现在, 泛华测控将“柔性测试技术”的理念应用到了国防工业的支持和服务上, 以满足国防工业对产品准确度和扩展性等方面日益发展的需求。

泛华测控北方区销售经理钟燕宁从测控行业的角度介绍了当前国防工业测试需求所面临的一些挑战, 例如测试设备单一性与测试要求多样性的挑战;长时间的工作需求与设备可靠性的挑战;有限投入与测试设备准确性的挑战;更加灵活的机动性要求与测试、模拟的不可重复性的挑战等。同时, 提出泛华测控的应对解决技术—“柔性测试技术”, 其是以测试测量系统的整体功能和性能为关注对象, 来对满足测试测量系统需求的这些方法和手段进行研究和开发, 并对柔性测试技术进行了深入、详细的剖析。

柔性测试技术 篇4

1 导电布的制备

新型导电布采用涤纶材料作为基布。在进行工艺处理之前, 须对基布表面进行预处理, 包括清理、剪切、烘干、除湿等几个步骤。

1.1 传统导电布制备工艺

传统导电布的制备工艺主要有电镀、化学镀、金属丝混纺、磁控溅射和真空蒸镀等几种工艺, 几种工艺的优缺点见表1。

其中使用最广泛的是化学镀工艺, 尽管化学镀的技术成熟、效率很高, 但存在产品性能不稳定, 产品含有磷、镉等有害元素, 并且化学镀还有废液难以处理, 污染严重的致命缺点。随着世界环保意识的不断提高, 磁控溅射、真空蒸镀等工艺得到更多的应用, 并随着人们对可靠、清洁、污染小的制备工艺的需求, 传统工艺的融合得到开发应用。

1.2 新型导电布采用的制备工艺

新型柔性毫米波材料导电布制备过程是将经过预处理的涤纶基布放入已抽成真空的真空室内, 向真空室内注入少量氩气, 正负极之间产生辉光放电, 使氩气电离, 受磁场影响, 氩气正离子与阴极上的金属镍靶碰撞, 靶材在碰撞能量作用下, 使镍靶表面的原子或分子溅镀附着在涤纶基布表面上。经过溅射的基布通过复合镀膜技术分别电镀金属铜和金属镍, 制成Ni/Cu/Ni膜层结构的导电布[4]。

新型柔性毫米波材料导电布的制备所采用的磁控溅射与电镀复合镀膜技术是将两种传统的导电布制备工艺有机地结合起来。即采用磁控溅射工艺对基布进行导电化处理, 生成附着力好的金属过渡层, 再利用电镀在此基础上加厚镀层, 生成与基布结合强度高且均匀稳定的金属膜。这种新型工艺方法既能克服其他传统工艺存在的一些缺陷, 又能将磁控溅射附着力良好与电镀高效低成本的优势相结合。

2 导电布性能分析

2.1 导电布的导电性能

材料的导电性能与其毫米波辐射性能有直接的关系, 导电性越强, 其毫米波辐射性能越接近金属材料。将制备的导电布裁剪成50 mm×25 mm试样, 用ZY9987型微欧仪测量表面电阻, 取6个试样的平均值, 测量结果为≤0.02Ω。由此可见, 导电布的导电性接近金属。

2.2 导电布的镀层附着性能

采用胶粘法测定镀层附着力, 将附着强度大于10 N/25 mm, 长度约为90 mm的胶带粘附在制备的导电布镀层表面, 用3 kg的橡皮辊滚压15次, 再用垂直镀层的拉力迅速剥离胶带, 目视粘胶带, 仅有少量金属颗粒被剥离, 说明镀层与基材之间结合良好, 附着力合格。

3 导电布测试

3.1 测试原理

物体本身的毫米波辐射信号, 取决于物体的几何特性和介电特性。亮度温度描述的是物体自身的辐射温度, 而辐射计接收到的辐射, 除了物体自身的辐射, 还有物体散射周围环境及天空的辐射, 以及传播路径上大气的辐射, 这些辐射之和称为物体的视在温度, 它其实就是天线口面附近的亮度表征。在实际应用中, 视在温度也即通常意义上的辐射温度[5]。

采用一个简单的二维模式来分析计算辐射温度。当辐射计天线扫描到地面时, 则天线口面附近的辐射温度可表示为[6]

式中, θ为入射角;ϕ为方位角 (可认为它的变化不影响探测) ;pi为极化 (i既表示水平极化也表示垂直极化) ;Δf为接收机的带宽;ρg为地面的反射系数;εg、εat为地面和大气的发射率;Ts、Tg、Tat为天空、地面和大气的真实温度。

当天线扫描到地面金属目标时, 天线附近的温度为

式中, ρT为地面金属目标的反射系数。

地面和地面金属目标的对比度为

于是可得

假设天空无云, 即Tat=0, 则由辐射方程知目标与背景之间的毫米波发射温度对比度为

无论金属目标处于高温还是低温, 由于其毫米波发射率为零, 故ρT≈1。它主要反射天空的毫米波辐射温度[7]。

3.2 测试设备和方法

用3 mm毫米波辐射计测试系统 (口径300 mm, 波束宽度0.8°, 灵敏度<0.5 K) 进行制备导电布及金属铝板的毫米波辐射性能测试 (导电布以及3 mm厚金属铝板分别制成1 m×1 m的试样, 调整毫米波辐射计接收天线, 分别取天线轴向与地面垂线夹角为20°、30°和40°进行测试) 。测试场景如图1、图2所示。

3.3 测试结果

制备的导电布、金属铝板、背景的3 mm波段毫米波辐射测试数据见表2, 测试条件:高度1.4 m, 温度0.2℃~0.4℃, 湿度10%, 表2中角度为毫米波辐射计天线轴向与地面垂线的夹角。

从表2可看出, 制备的导电布在3 mm波段的毫米波辐射特性与金属铝板比较接近。分析导电布的辐射温度略高于同等条件下的金属板的原因是:导电布的导电性和平整度稍逊于金属板。但都与背景存在巨大的温度差, 因此制备的导电布具有金属材料的毫米波辐射特性, 据国内文献报导, 碳纤维导电布在3 mm波段的RCS实测值, 与同尺寸的碳纤维布相比, 其在3 mm波段的RCS值增幅为351%[8], 而经银金属表面改性后, 碳纤维导电布的毫米波散射能力显著增强[9]。

4 结论

新型柔性毫米波材料导电布的制备是在涤纶基布上采用真空磁控溅射结合电镀复合镀膜工艺, 与传统工艺相比, 新型导电布制备工艺先进, 制得的导电布镀覆均匀, 质地柔软结实, 有良好的镀层结合强度及较强的导电性能。通过3 mm毫米波辐射计测试系统测试数据的分析, 新型导电布与同尺寸的金属板相比, 其在3 mm波段的毫米波辐射特性相当。

摘要：提出一种新型柔性毫米波材料导电布的制备方法, 采用真空磁控溅射复合镀膜技术在涤纶基布表面沉积金属镀层。检验导电布的导电性能和镀层附着力, 并应用毫米波辐射计测试系统测试导电布与金属铝板的3 mm波段毫米波辐射特性。结果表明, 导电布镀覆均匀, 质地柔软轻薄, 有良好的镀层结合强度及较强的导电性能。导电布在3 mm波段的毫米波辐射与金属板的性能相当。

关键词：导电布,真空磁控溅射,复合镀膜,3mm波段,毫米波辐射

参考文献

[1]奚文骏, 冯玉光.导电衬垫在电磁屏蔽中的应用[J].电子元器件应用, 2005 (4) :24-32.

[2]王春齐, 曾竟成, 张长安.电磁屏蔽复合材料包装箱的研究[J].纤维复合材料, 2006 (2) :28-30.

[3]王鸿博, 魏取福, 高卫东.PET基纳米Ag薄膜导电及电磁屏蔽性能研究[J].真空科学与技术学报, 2008, 28 (1) :37-41.

[4]许凤凤, 魏取福, 孟灵灵.非织造基磁控溅射纳米银薄膜导电性能的研究[J].化工新型材料, 2012, 40 (6) :105-107.

[5]聂建英, 李兴国, 娄国伟, 等.变温目标毫米波被动探测辐射特性分析[J].光电工程, 2010, 37 (7) :1-7.

[6]李兴国, 李跃华.毫米波近感技术基础[M].北京:北京理工大学出版社, 2009.

[7]雷伟敏.毫米波辐射特性分析与研究[J].丽水学院学报, 2008, 30 (5) :16-18.

[8]侯伟, 潘功配, 关华, 等.镀铜碳纤维布的制备及性能研究[J].电镀与涂饰, 2008, 27 (7) :15-20.

板材加工柔性工具技术研究 篇5

三维曲面零件成形后,需要进行测量、划线、裁边、钻孔等后续加工过程,在此过程中如何支撑、定位这些工件就成为一个新的问题。大型薄板类覆盖件在自重作用下常常会产生较大变形,尤其在飞机制造中,钣金类零件尺寸大,后续加工工序多,而加工、装配的精度要求非常高。为此,对于每种工件,都需要制作专用工装进行支撑、定位。制作辅助工具费时、费力,而且需要大量的存储空间。飞机装配过程尤为突出,三维曲面零件需要通过一系列的辅助工具联接在一起,包括专用工装和夹具。工装将部件支撑并固定,而夹具则定位两个或多个部件进行加工或联接操作。为了解决上述问题,满足制造业的快速发展,近年来,出现了可用于不同操作过程的计算机控制柔性工具。工具的形状可以根据计算机数据快速被调整到所需要的形状。柔性工具技术具有快速、通用及节省成本的特点。

2 柔性工具技术

能够实现柔性工具的技术很多,其中,基于离散冲头的多点技术是用于板类零件柔性制造和装配的一种新技术。多点技术的核心是拥有高度可由计算机调整的数控冲头单元(Numerical Controlled Punch Element,NCPE)[1],如果多个NCPE紧密排列成冲头矩阵,它们可以作为可重构多点模具,用于钣金零件多点冲压成形或多点拉形(Multi-Point Forming Tooling,MPFT)。其型面可以根据计算机数据快速调整,因此,一套装置可以用于多种不同形状的零件成形。如果NCPE按照一定间隔及方式排列(图1),它就可以作为支撑成形后工件的可调整多点柔性工装使用(MultiPoint Positioning Tooling,MPFT)。作为一种柔性制造辅助工具,它可以定位、支撑成形后的三维曲面覆盖件,完成后续的测量、划线、裁边、钻孔等加工过程和焊接、铆接等联接工艺过程。

基于离散冲头的定位工装系统已经出现了30多年,美国科研人员申请了专利[2,3],他们以手动、机械、液压等方式使每个冲头伸出到固定位置,冲头到达所需位置后通过锁定机构锁定冲头,所有冲头形成的型面用来定位、支撑、夹持工件用于后续加工。另外,美国CAN Manufacturing Systems公司开发了商业化的离散冲头产品POGO Flexible Tooling Systems,用在波音等飞机制造企业的飞机零件生产及装备中[4]。西班牙的Mtorres公司也生产了商业化的TORRESTOOL产品,用在飞机钣金零件的检测、划线及加工中(见图2)[5]。近年来,吉林大学在多点成形技术研究及设备开发的基础上,结合欧盟第六框架协议项目的运行,进行了多点柔性工具技术的研发[6]。

3 柔性工具性能分析

在飞机、汽车等制造行业,有很多大型金属薄板类零件。当将其放置在多点柔性工具上面进行测量、划线等操作时,如果冲头点布置距离过大的话,工件会在自身重量的作用下产生变形,影响产品的最终质量。如果冲头单元排列紧密,虽然能够解决这个问题,但是会显著提高多点柔性工具的制造成本,而且使得系统复杂,难以推广使用。因此,数控冲头单元NCPE的排列形式以及排列间距问题就成为一个柔性工具性能与制造成本的优化问题。为解决这个问题,分析冲头的排列与工件在自重下变形的规律,显得十分重要,为此,本文作了仿真研究。

3.1 有限元模型建立

板材的变形过程是一个复杂的过程,它既要考虑材料的非线性,又要考虑几何非线性;既有弹性变形,又有塑性变形,同时又要分析预测弯曲成形过程中可能出现的各种成形缺陷。计算时所采用的材料应力应变的增量关系式为:

式中:dσij———应力增量;

dεkl———应变增量;

Dijklep=Dijkle-Dijklp,Dijkle———弹性矩阵;

Dijklp———塑性矩阵。在模拟分析中,假设板

在模拟分析中,假设板材与支架之间的摩擦力服从库仑摩擦定律,由于成形过程中板材与支架的接触点的状态是变化的,如果采用理想的库仑摩擦定律,摩擦力出现阶跃,计算将不稳定。为此,采用修正的库仑摩擦定律,即摩擦力成为相对滑动速度的连续函数:

式中:Ft和Fn———分别为接触点处的摩擦力和正压力;

△u觶t———板材与支架接触点的相对滑动速度;

μ———摩擦系数;

Φ(△u觶t)———可取如下形式:当△u觶t

其中d为一个不大的正数。

模拟中材料选择2024铝板,O状态。

3.2 有限元分析

为了简化计算过程,分析中假设NCPE排列成方形矩阵形式,且x,y方向等间隔,都等于m。分析工件尺寸1600mm×1200mm,板材厚度分别取0.5mm、1mm、2mm、4mm。冲头间距m分别取200mm、300mm、400mm,也就是说在工件尺寸不变的情况下,模拟分析中,多点柔性工具中冲头的个数分别为:63、30和20。另外,设每个冲头端部为半球形,工件与冲头接触为点接触。

有限元模型建立后,首先对平板在自重下的变形进行了模拟分析。图3为柔性工具冲头间距m为400mm,板厚1.0mm时,工件垂直方向y的变形情况。从图中看出,工件在自重作用下,未被冲头支撑的地方产生向下变形。由于是平板,板上各处变形比较均匀,y向最大位移达到了0.9mm。这个数值已经对测量、划线等操作产生影响。因此,如果对于1.0mm厚度的2024-O铝板,要使用多点支撑工具,其间距必须减小,或者其布置方式要改变。为进一步研究其变形规律,对不同间距m值,不同厚度的铝板在自重作用下的变形规律进行了模拟实验,其中y向最大变形量与板厚及冲头间距m的关系如图4所示。

从图4可以看出,对于固定的多点支撑工具,被支撑铝板在自重下的变形量随着板厚的增加而减小。以m值为400mm的柔性工具为例,0.5mm厚平板的最大变形量达到3.4mm,而同样情况下,4mm厚平板的最大变形量只有0.06mm。前者的变形已经不能接受,而后者在一定情况下则可以使用。也就是说,每一种固定结构的多点柔性工具都有一定的使用范围。

另一方面,在板厚固定的情况下,工件在自重下的变形量随着m值的增大而增大。对于1mm厚的平板来说,m为200mm时,其最大变形量只有0.05mm,而当m为400mm时,其最大变形量为0.9mm。其间距增加了一倍,而最大变形量则是18倍。因此,对于多点柔性工具,m值的选择十分关键。

在分析了平板的最大变形与板厚及m值的关系后,进一步研究变形后工件在多点工具上的变形规律。首先研究二维形状工件,选取尺寸为1600mm×1200mm的柱面工件,柱面半径1200mm,材料铝2024-O。仿真中将多点柔性工具调整到目标型面,然后将柱面放置在支架上呈自由状态,研究其在自重下各点的变形量。仿真结果显示,y向变形沿长边方向呈现规律变化,横向变形量则较小,这是因为横向在变形过程中产生了加工硬化,使得在该方向抵抗变形的能力增强。

图5是柱面最大变形量与板厚及m值的关系。由图可见,其最大变形量与板厚变化的规律与平板相同,也是随着板厚的增加,变形量逐步减小。同样在m值为400mm的柔性工具上,板厚0.5mm工件的最大变形量是2.1mm,板厚4mm的最大变形量为0.05mm。与平板比较,工件的最大变形量明显减小,尤其是薄工件。对于板厚4mm的工件,单向变形后变形量也减小,但差距不是很明显。最大变形量同样也随着m值的增大而增大,1mm厚工件m为200mm时为0.04mm,400mm时为0.6mm。相对平板来说都有所减小。

最后对双向都有变形的三维形状工件的变形进行仿真分析。图6为1600mm×1200mm,半径为2000mm的球形工件在m值为400mm的多点柔性工具上的y向变形量分布图,其最大变形量出现在边缘位置。

图7是柱面工件最大变形量与板厚及m值的关系。最大变形量亦随着工件板厚的增加而减小,随着m的增大而增大。但是变形量与只有一个方向变形的柱面件相比较有明显的减小。同样对于m为400mm的多点柔性工具,0.5mm厚的球面变形量只有0.8mm,4mm厚时更是减小到0.04mm。这是因为对于球形工件,在两个方向成形后都产生加工硬化现象,工件抵抗因自重而变形的能力得到加强。球面件最大变形量与m值的变化趋势与平板及柱面相同。

从图4、5、7的比较可以看出,对于相同的多点柔性工具、相同的板厚、不同几何形状的工件其在自重下的变形量各不相同。对于1mm厚工件,在m为300mm的多点柔性工具上,平板的最大变形量为0.3mm,柱面为0.2mm,球面为0.1mm。由此可见,几何形状越复杂的工件放置在多点工具上时其变形量越小。

4 结束语

多点柔性工具技术是一种机电一体化的柔性工装,在计算机的控制下,能够根据需要改变自己的型面,以支撑、定位成形后的三维曲面零件。有限元模拟分析结果显示,在使用多点柔性工具支撑薄板类工件时,工件在自重下的最大变形量随着板厚的增加而减小,随着冲头间距m的增大而增大。这一结论,对多点柔性工具的设计与开发具有理论指导意义。当然,这里只研究了冲头间隔对变形的影响,没有详细分析冲头的不同排列形式对工件变形的影响。

摘要：针对成形后金属三维曲面零件的测量、装配等后续加工的支撑问题,提出了多点柔性工具技术。该柔性工具由按矩阵排列的数控调整冲头单元组成,可以根据CAD数据任意改变型面。本文对由多点柔性工具支撑的工件在自重下的变形规律进行了有限元分析,得到了工件最大变形量与板材厚度及冲头单元间距之间的关系,为多点柔性工具的设计开发提供了理论依据。

关键词：机械制造,柔性工装,三维曲面加工,有限元分析

参考文献

[1]Chunguo Liu,Mingzhe Li,Wenzhi Fu.Principles and apparatus of multi-point forming for sheet metal.International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,Volume35(Numbers 11-12):1227-1233.

[2]Flexible tooling apparatus.US patent.5,722,646(filed29August1995).

[3]Universal holding fixture.US Patent.4,684,113(filed28September1984).

[4]http://www.cnaflextool.com.

[5]http://www.mtorres.com.

浅谈飞机柔性装配技术 篇6

关键词：数字化,柔性化装配,技术

0背景

飞机装配是将大量零件按图纸进行定位与连接的过程, 是飞机制造的重要环节之一, 其工作量约占整个飞机制造劳动工作量的一半左右。在传统的飞机装配过程中, 需要用特定的工装型架来保证装配精度, 由于飞机气动外形的差异, 导致型架是唯一的。

伴随用户需求的不断变化与丰富, 飞机装配生产线也将越来越“丰富”。传统的“硬性”装配生产线在未来将受到挑战, 这种“一对一”的装配模式, 其配套专用型架的设计、生产和调试周期很长, 且体积大、成本高、占地面积大, 不利于产品的研制与快速布局生产。

随着近年来飞机设计行业内数字化、信息化的推进, 越来越多的零件将抛开传统的基于模线样板的模拟量传递走向数字化信息传递之路。而采用传统的型架进行人工装配的方式, 自动化和柔性化水平低, 已无法满足精确化制造装配的要求。

1 国内外研究现状

飞机的数字化装配技术于20世纪90年代在欧美等航空制造业发达国家开始使用, 柔性装配技术是近几年才逐渐在航空制造业开始研究和部分应用于生产。国外飞机制造技术表明, 采用柔性能够装配是缩短生产周期, 降低生产成本的有效措施。它能克服传统飞机制造业模线-样板法在模拟量协调体系下需要大量实物工装且应用单一, 制造周期长, 费用高, 厂房利用率低等缺点, 它通过与柔性工装、自动化制孔设备、数控钻铆或自动铆接等设备的集成可组成自动化, 数字化的柔性装配系统, 能明显缩短装配周期, 提高和稳定装配质量。

据悉, 在装配中使用了体现柔性工装特点的龙门钻削系统技术的X-35战机, 其制造周期缩短了三分之二, 工装由350件减少至19件, 制造成本降低了一半。其采用的激光定位, 电磁驱动能实现精密制孔, 不仅能降低钻孔出错率, 而且大大降低了工具和工装。

目前, 北航与沈飞合作, 在国内研制出首个针对壁板类组件的柔性装配工艺装备—数控柔性多点装配型架。哈飞也引进了能柔性夹持的复合材料铣切设备, 并得到应用。国内关于柔性装配的研究与应用还不是很广泛。

2 飞机柔性装配技术的应用

柔性装配技术范畴很广, 涵盖了柔性装配工装, 柔性制孔, 装配系统、装配设计, 虚拟装配, 装配集成管理, 数字化检测, 面向柔性装配的设计技术等领域。本文仅从柔性装配工装, 柔性制孔等几个方面做出简要介绍。

2.1 柔性装配技术

柔性装配技术是基于产品数字量尺寸协调体系的可重组的模块化、自动化装配工装技术, 其目的是免除设计和制造各种零件装配的专用固定型架、夹具, 可降低工装制造成本, 缩短工装准备周期、减少生产用地, 同时大幅度提高装配生产率。

柔性工装技术在国外飞机各级装配中都得到广泛应用, 无论是壁板类组件的装配还是机身机翼等大部件的装配, 直至最后部件级别的对接, 都应用了大量的柔性装配工装。柔性装配工装的类型包括用于壁板类组件装配的多点阵真空吸盘式柔性装配工装、用于机翼翼梁和机翼壁板装配的确定性装配工装, 用于机身部件装配的分散式柔性装配工装, 以及大部件对接的自动化对接平台等几类。

现代飞机蒙皮主要以铝制钣金件为主, 典型结构是由蒙皮和框缘、补偿片装配而成的壁板。壁板外形虽然复杂, 但多数可有贝赛尔曲线拟合得出。若壁板为刚体, 则可采用三点定位便可以满足装配要求, 但是飞机钣金件刚性查, 若要满足装配要求, 必须采用更多定位点。当定位点足够多时, 原则上壁板外形是可控的。多点阵成型真空吸附式万能吸盘柔性工装系统就是用这种原理制造的, 它带有一组真空吸盘立柱阵列, 模块化的立柱可由程序控制三维移动到任意空间位置定位, 形成与装配曲面完全符合并均匀分布的吸附点阵, 能精确夹持和固定壁板以便完成钻孔、铆接和铣切等工作。当壁板外形发生变化时, 柔性工装的外形和布局能自动进行调整。通过改变定位和夹紧位置, 可以适应不同零部件结构和定位夹紧要求, 从而降低综合成本, 缩短工装准备时候和产品研制周期。

框梁类的零件, 通常刚度比较大, 可借助零件上的自我特征, 比如孔、面等, 进行自我定位, 进而能简化工装的需求。这便是确定性装配 (Determinant Assembly) 确定性装配式一中无工装夹具飞机装配技术, 也属于柔性工装范畴。为减少和减少工装, 确定性装配使用零件自我特征来定位, 免去了垫片、装配后的返修。零件刚度从某种意义上来讲决定了零件精度, 要借助零件特征进行定位, 就必须有足够刚度的精密零件的支持骨架, 理论上讲零件有了符合精密尺寸的关键特征就可以用来互相配合。按照波音公司的定义, 确定性装配有一下特征: (1) 利用零件或组件关键特征之间的空间关系; (2) 关键特征在数字化设计时进行定义; (3) 关键特征借助于精确的数控机床在适当的时间用于零件的制造和装配过程; (4) 装配件不是工装, 而是依照工程设计来进行制造; (5) 取消了复杂的工装。

部件类零件的装配, 通常选取主要的结构交点、重要部位外形, 测量点对部件进行姿态控制, 传统的对接平台可以被由计算机控制的自动化千斤顶、激光定位跟踪系统, 激光垂直定位系统等组成的柔性对接平台取代。这项技术能大幅提高装配质量, 节省对接时间。

2.2 柔性制孔技术

目前国内外采用的自动化柔性制孔设备有:自动钻铆机器、机器人制孔系统、柔性制孔系统等。

现代飞机对气动外形要求非常严格, 在技术条件中甚至对埋头铆钉突出蒙皮的高度都有要求。采用人工钻铆, 工艺顺序为:画线→钻孔→粗绞→精绞→分离清理等, 此过程耗时, 孔位精度差, 铆接质量不能稳定保持。而柔性化自动钻孔技术可以实现孔位, 进给量的精确控制, 自动钻铆机能一次性的完成夹紧、钻孔、锪窝、注胶、放铆和铣平等工序, 一次进能钻出0.005mm内的高精度孔, 又能将埋头窝和深度控制在0.01mm内。由于钻孔时铆接件处于高夹紧力下, 层间不会产生毛刺和孔壁划伤, 能有效减少疲劳源。但是由于自身结构限制, 自动钻铆机多数用于壁板类零件。

机器人制孔系统国外多有应用, 如C-130飞机梁腹板用机器人自动钻孔, 波音的F-18后沿襟翼机器人制孔系统。

3 未来展望

柔性装配技术的应用时当前国内外飞机制造业数字化制造的大趋势, 可以预见, 柔性装配技术的推广将大大提高我国航空制造业水平, 将强力的推进我国迈向航空强国的步伐。

参考文献

[1]郭恩明.国外飞机柔性装配技术[J].航空制造技术, 2005 (9) .

柔性直流输电技术研究分析 篇7

柔性直流输电技术, 是采用电压源换流器 (VSC) 和脉宽调制技术 (PWM) 的直流输电技术, 在我国“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会” 中, 将此技术统一命名为“柔性直流输电” (VSC HVDC) 。柔性直流输电解决了传统方式向无交流电源的负荷点输电难的问题, 控制方式灵活, 有助于提高电网电能质量[1,2,3]。现有大城市电网存在结构薄弱、动态无功不足等问题, 需要新型的灵活、经济、环保的输电方式来解决。在国家智能电网发展纲要中, 提出要充分利用可再生能源, 提高供电效率, 因此需要合适的并网与输电方式。对于一些远距离负荷供电, 如向偏远地区、孤岛和海上钻井平台供电, 其输电距离和输电容量均不符合交流输电和传统高压直流输电的经济性要求[4,5]。目前, 我国对于柔性直流输电技术的研究和运行, 仍处于起步发展阶段。因此, 研究柔性直流输电技术, 对于我国实施智能电网发展规划以及高压大电网区域互联供电, 具有重要意义, 本文结合现状对其研究成果和发展方向进行了分析。

1柔性直流输电技术原理

两端VSC-HVDC输电系统的原理如图1所示, 其两侧换流器VSC1和VSC2分别起整流和逆变作用, VS由全控换流桥、直流侧电容器、换流电抗器和交流滤波器组成[6,7]。VSC每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成, 换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带, 也可发挥滤波的作用, 直流侧电容则可以提供电压支撑, 缓冲桥臂关断时的冲击电流, 减小直流侧谐波, 而交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。其中, VSC的交流侧输出电压是由直流电压通过换流阀的通断形成, 不需要交流系统提供换相电压。

参考文献[8]和参考文献[9]对VSC-HVDC的技术特点进行了概括:

(1) VSC电流能够自关断, 可以工作在无源逆变方式, 受端系统可为无源网络, 能够向小容量系统和不含旋转电机的系统供电, 使得远距离的孤立直流负荷输电成为可能; (2) VSC可以同时且独立地控制有功和无功功率, 控制更加灵活方便, 不需要交流侧提供无功功率就能够起到静止同步补偿器STATCOM的作用, 提高了系统的功角和电压稳定性; (3) 潮流反转时, 柔性直流电流方向反转而直流电压极性不变, 与传统的高压直流输电恰好相反, 克服了常规直流输电系统并联运行时潮流控制不便的缺点; (4) VSC通常采用PWM技术, 开关频率相对较高, 使得所需滤波装置的容量大大减小, 相关设备采用模块化设计, 工程建设周期短, 维护工作量大为减少, 有效提高了生产效率。

经过上述分析, 说明VSC-HVDC的关键技术是换流器电路、控制及保护等系统的设计。换流器的电路拓扑、电压等级、电力电子器件数量、开关调制方式等因素对于整体的性能有着重要的影响。理想的VSC主回路拓扑结构应从能够降低电力电子器件直接串联数目及器件开关频率、简化系统电路拓扑、降低开关损耗等方面出发, 在确定合理控制系统的前提下, 有效抑制VSC装置的过电压和过电流问题, 保证系统在故障条件下不间断运行。

2柔性直流输电控制策略

对于柔性直流输电系统的控制策略, 目前多从稳定运行和故障时两种情况进行研究[10,11]。当VSC- HVDC稳定运行时, 又分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制通过对VSC交流侧基波电压的幅值和相位进行调整, 而直接控制则采用电流闭环方式, 因此比较而言, 间接控制结构简单易行, 但无法实现对电流的直接控制, 而直接电流控制具有快速的动态响应能力, 易于实现有功和无功分量的解耦控制, 鲁棒性能较好。参考文献[12]推导了在dq坐标系下VSC-HVDC的连续时间域状态空间模型, 针对向有源和无源系统供电设计了解耦控制器、电压控制器和功率控制器。参考文献[13]在dq坐标系下建立了十二脉冲三电平VSC结构的系统数学模型, 功率控制器采用PID调节, 直流电压、交流母线电压采用PI调节, 采用参数优化算法设计了不同运行方式下的控制器参数, 有效改善了动态品质。参考文献[14]研究了并网VSC的不同矢量控制器的小信号性能, 研究了非理想阀、开关死区和抗混叠滤波器对控制性能的影响。

在电力系统中参数不对称、系统短路等情况, 会造成VSC-HVDC交流接入点三相电压不平衡, 直流侧电压波动, 从而影响电能质量和控制稳定性。参考文献[15]推导了电网不平衡条件下VSC功率传输直角坐标方程, 消除了功率脉动时输出电压正序分量与负序分量之间的幅值及相位约束条件。参考文献[16]采用了正序、负序两套旋转坐标系下独立电流控制方案, 将正、负序电流分别变换为直流量, 利用PI控制器实现对电流的无静差跟踪控制。

可以看到, VSC-HVDC的控制方法多针对连续时域模型分析, 控制器也基于PI设计, 不符合实际工程中的离散化模型需求, 同时如何增强送端站与受端站之间的通信, 加强保护系统的研究, 也是VSC- HVDC控制策略必须要解决的问题。

3柔性直流输电研究现状

柔性直流输电技术涉及输配电工程、现代电力电子技术、控制理论、电力系统运行与控制、系统建模、仿真技术、数字信号处理等诸多领域, 由于其发展时间不长, 仍有许多关键问题值得探索, 为此也涌现出了不同的发展方向。ABB、西门子等公司均将VSC-HVDC技术纳入重点研究计划中。

3.1模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC

模块化多电平换流器型输电技术 (MMC-HVDC) 由西门子公司提出, MMC拓扑最早于2002年由德国学者R.Marquart和A.Lesnicar共同提出, 并于2004年研制成功了17电平的2 MW样机, 2009年, 国际大电网会议 (CIGRE) B4.48工作组将其正式命名为MMC, 在高压大功率场合有良好的应用前景。MMC拓扑结构如图2所示, 每个桥臂由多个子模块 (SM) 串联组合, 典型的SM结构多为全桥或者半桥结构, 通过合适的算法, 可以使得换流器工作于整流或者逆变状态, 实现四象限运行, 从而得到稳定的直流输出电压或畸变率小的交流输出电压[17]。

图3为双极MMC-HVDC系统接线图[18], 可以采用三绕组变压器的第3个绕组将交流系统电压引入后为辅助装置和控制保护系统等进行供电。另外, 可以在变压器的二次侧加装交流断路器来清除永久性直流故障下的电流。MMC-HVDC系统的接地支路与两电平VSC-HVDC系统有显著的区别, 由于直流侧省去了两电平拓扑中所必需的大容量高压电容器组, 所以MMC-HVDC系统接地支路的安装是一个难题, 通常将接地支路安装在变压器二次侧与换流器交流侧之间, 接地支路结构可以采用星型电抗器, 从而为所在站点提供接地参考点。为了使得换流器在不输送有功功率及直流线路开路的情况下, 两端换流器可以独立地发出或者吸收无功功率, 这时两端换流站应同时安装接地支路。

为提高MMC-HVDC输电系统的运行可靠性, 需要限制各个控制环节故障对整个系统造成的影响。MMC柔性直流输电系统主要分为三个层次, 从高层到低层分别为系统级控制、变流器控制和阀控制, 各层的主要功能不同:系统级控制为MMC柔性直流输电系统的最高控制层次, 主要完成电力通信、潮流控制的功能;变流器控制是MMC柔性直流输电系统的核心控制, 通常采用双环控制, 分别为外环功率控制和内环电流控制;阀控主要包括同步锁相技术、电流平衡控制和直流侧电容器电压平衡控制等。模块化多电平MMC的控制结构包括3个:监测单元、中央控制单元和换流阀单元, 如图4所示。

监测单元负责整个系统的反馈与监控, 根据设定点值, 反馈控制实时向中央控制单元提供数据;中央控制单元的调制器实现子模块电容电压的平衡和输出状态的控制;换流阀单元由结构相同的子模块串联而成, 各模块的测量量通过光纤与中央控制单元相连。

3.2基于两电平级联结构的VSC-HVDC

ABB公司在多年两电平VSC-HVDC拓扑研究基础上, 于2010年提出了一种基于两电平级联结构的VSC-HVDC[18], 如图5所示, 每相拓扑分为两个桥臂, 分别与直流母线的正负极相连, 每个桥臂由多个两电平单元构成, 每个单元可独立控制, 以产生需要的交流基波电压, 实现对于有功功率和无功功率的输出控制, 其结构与MMC类似, 但区别在于每个子模块内部的电力电子器件均采用ABB公司的直接串联型压装式IGBT。

采用两电平或三电平换流器的电压源换流器型直流输电的一个缺点就是, 功率损耗比较大, 通常是传统直流输电的2~3倍, 而采用MMC和两电平级联结构, 则可以大大降低VSC-HVDC的损耗, 因此具有广阔的应用前景。鉴于上述两项技术的特点, AREVA公司提出了一种结合两电平拓扑和MMC拓扑的混合式电压源换流器拓扑, 其显著优势在于可以限制和清除直流侧故障带来的故障电流, 可以有效解决柔性直流输电中直流侧故障的问题。

3.3多端直流输电技术

由于VSC-HVDC控制的灵活性以及在潮流反转时直流电压极性不变的特点, 由多个VSC换流站构成多端直流网络, 可以实现多电源供电、多落点受电, 如图6所示, 其中REC、INV分别代表整流阀和逆变阀。

目前, 国际上关于多端柔性直流输电的研究中, 不同场合下的变流站设计是主要研究热点。多端柔性直流输电技术的研究可以参考双端输电系统, 在此基础上建立基于不同变流器技术下多端网络的等效数学模型, 对比分析不同控制策略下各换流站特性, 设计满足系统稳定运行的多端输电系统协调控制策略, 研究多端系统交直流侧故障特性, 选择合适的动作保护机制。我国对于多端柔性直流输电技术的研究, 主要集中在系统控制保护策略及其仿真验证等方面, 与国际先进水平差距较大, 对于柔性直流输电保护技术的研究一般限于双端系统, 以稳定运行时离散控制器为基础, 当直流侧发生故障时多端柔性直流系统的运行特性分析研究较少。

4柔性直流输电示范工程

基于VSC-HVDC技术的优越性, 国际上对该项技术进行了深入推广和运行, 目前建成和在建工程超过10个, 主要应用于系统互联、海上风电场输电、风电并网以及海上作业供电等, 具体如表1所示。

我国自主研制的一台20 MW、电压等级为±50 k V的柔性直流输电系统关键设备, 已经于2010年在上海南汇风电厂挂网运行。

5柔性直流输电在我国的发展前景

5.1有助于实现新能源并网

在全世界不断推进新能源改革的形势下, 风能、太阳能等可再生能源开发和利用的重要性日趋体现。我国具有丰富的风力资源和太阳能资源, 域内和沿海都具有较好的开发价值, 但必须要注意的是, 由于地理条件、发电规模的制约, 采取交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网相连, 技术难度较高, 而传统高压直流输电技术限于容量和距离满足不了经济性要求[19]。所以, 基于柔性直流输电联网, 对负荷中心进行供电具有明显的技术优势, 无需借助外部电源或者同步调相机即可实现电能传输, 而对于新能源存在的不稳定性问题, 柔性输电还可以起到改善电能质量的作用, 当主网发生短路时, 可有效隔离故障, 保障稳定运行, 并提供“黑启动”能力, 帮助系统恢复。

5.2有助于分布式电源开发

利用柔性直流输电技术搭建微网, 有利于分布式电源接入主网。分布式电源装机容量小, 供电质量不高, 若采取交流输电进行并网, 则投资较大, 而柔性直流输电接入, 在保证地区供电稳定的同时, 也可以充分利用这些资源。对于分布式电源不稳定性质, 柔性直流输电可以在分布式电源不足的情况下进行补充供电, 既实现了分布式电源的充分利用, 又保障电网兼容各类电源和用户接入退出的能力, 满足多元化需求。

5.3有助于提高偏远地区供电

我国一些偏远地区, 比如新疆戈壁、西藏高原等地, 负荷较轻, 日负荷波动较大, 输电距离较远, 对于这些地区供电采取交流输电和传统高压直流输电技术, 技术和经济实施难度较高[20]。采取柔性直流输电技术, 可以通过直流电缆将交流主网中高效电厂的能源传送到偏远地区和孤岛负荷, 在推动当地经济发展的同时, 也彻底消除了电厂自身的环境污染问题。

5.4有助于城市电网改造

随着我国现代化进程的加快, 城市发展日益迅速, 用电负荷与用电质量的需要不断提高, 这对于以交流输电为主的城市电网用电提出了新的挑战。目前, 大型城市供电多采取大量电力外地输入的方式, 这使得城市电网对于区域电网的依赖性较强, 电网稳定运行压力较大;由于环境保护和土地面积的压迫, 城市线路走廊日益紧张, 采取地下电缆等新型输电方式尤为迫切。地埋式直流电缆输电方式, 既可以避免输电线路走廊问题, 又能够有效控制短路容量, 提高输送效率[21]。利用柔性直流输电技术对城市电网进行改造, 在快速控制系统有功和无功、解决电压闪变、改善供电电能质量的同时, 可以灵活控制交流侧的电流, 解决城市电网短路电流超标的问题, 提高电网安全性能。

5.5有助于智能电网发展

伴随着科学技术和信息水平的提高, 电网智能化已经是现代电力工业的必然趋势。2009年5月, 在 “特高压输电技术国际会议”上, 国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略, 其中提出必须以特高压电网为骨干网架, 连接大型能源基地及主要负荷中心, 充分利用新能源等资源[22]。柔性直流输电, 有利于满足上述高压输电的要求, 直流输电的方式有利于解决目前推广的电动汽车充电能量损失问题, 减轻充电谐波对电网的不利影响。随着分布式电源的大量接入, 现有配电网结构和潮流分布都会引起改变, 对交流配电网的无功平滑、电压调节、控制技术等均有挑战。基于柔性直流输电技术灵活的潮流控制特点, 可推进智能电网建设。

6结语

柔性直流输电技术作为基于电压源换流器的新型输电技术, 在未来的发展中具有广阔前景。对于柔性直流输电技术的推广, 应根据实际情形合理选择, 确立在分布式电源、城市电网以及智能电网中的可行经济效益。通过建立示范工程的方法, 不断改进柔性直流输电的控制结构和控制策略, 并建立规范标准, 以促进该项技术在我国正式应用。

摘要：介绍了柔性直流输电的技术原理和控制策略, 指出当前控制方法研究成果中存在的问题, 比较了柔性直流输电技术几种发展方向的研究现状, 分析了基于模块化多电平换流器的输电方式, 根据目前国内外柔性直流输电示范工程, 说明了柔性直流输电技术在新能源、城市电网和智能电网中的应用前景。