變頻調(diào)速系統(tǒng)電機背壓啟動適應(yīng)性研究

楊文鐵，耿 攀，徐 林，徐正喜

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

0 引言

潛艇上存在大量的旋轉(zhuǎn)類電機及其拖動的泵類負(fù)載，電機和泵類負(fù)載的起動過程和運行是全船的主要振動噪聲源之一，對此類設(shè)備應(yīng)根據(jù)使用工況進(jìn)行變頻調(diào)速，可有效減少電機負(fù)載起動過程對電網(wǎng)的電流沖擊，降低電機工作狀態(tài)下的振動噪聲水平[1,2]。潛艇上部分電機的泵類負(fù)載為通海泵，深潛狀態(tài)其出口承受的海水壓力巨大，要求變頻電源能在電機“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)下強行啟動電機，并能承受額定電流數(shù)倍的啟動電流沖擊，而陸上電機“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)時要求供電電源能夠快速保護(hù)。背壓啟動是潛艇變頻調(diào)速系統(tǒng)的一個新問題，本文主要針對某型裝艇變頻電源設(shè)備帶電機背壓啟動的過程進(jìn)行了分析，給出適應(yīng)性改進(jìn)措施，并在實驗室條件下，通過模擬背壓啟動條件，驗證了改進(jìn)措施的有效性。

1 變頻電源帶電機背壓啟動過程分析

某型裝艇變頻電源設(shè)備所帶負(fù)載為通海泵，如圖1所示，為變頻電源帶電機正常啟動時的波形，圖中曲線1、曲線2分別為變頻電源輸出電流、電壓波形，變頻電源輸出電壓、電流均緩慢增加至額定值。

在試驗室對變頻電源帶電機背壓啟動過程進(jìn)行模擬試驗。在深潛狀態(tài)時，等效為電機負(fù)載泵的出口承受了數(shù)MPa壓力，此時相當(dāng)于電機嚴(yán)重過載，電機處于“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)。電機的啟動轉(zhuǎn)矩與電流成正比，此時變頻電源帶電機背壓啟動，啟動沖擊電流為額定電流的8～10倍。

如圖2所示為變頻電源輸出電流波形，根據(jù)波形圖可知，變頻電源帶電機啟動時，采用軟啟動控制方法，頻率逐漸增加，對應(yīng)著輸出電壓逐漸增加，電機定子側(cè)電流逐漸增大，啟動轉(zhuǎn)矩也逐漸增大，但是由于泵承受壓力，電機處于“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)，電流迅速增大，超過限流保護(hù)值后，系統(tǒng)開始降頻限流，頻率值減為0后重新開始逐漸增加，但電機依舊被“堵轉(zhuǎn)”，電流又迅速增加，系統(tǒng)又進(jìn)入降頻限流，如此循環(huán)，電機無法啟動，將影響整個系統(tǒng)正常運行，并且反復(fù)多次的電流沖擊將嚴(yán)重影響變頻電源內(nèi)部IGBT等開關(guān)器件的使用壽命。

圖1 變頻電源帶電機正常啟動電壓、電流波形

2 變頻電源適應(yīng)性改進(jìn)

通過以上分析，針對變頻電源帶電機背壓啟動的過程，主要從啟動控制算法和電流保護(hù)算法等方面進(jìn)行背壓啟動適應(yīng)性改進(jìn)：

1）為了防止啟動電流沖擊，變頻調(diào)速系統(tǒng)均設(shè)有降頻限流控制環(huán)節(jié)，當(dāng)檢測到電流過大時，通過降低頻率、減小電壓來控制電流大小。現(xiàn)啟動控制算法中對降頻限流保護(hù)算法進(jìn)行修正，當(dāng)進(jìn)入限流環(huán)節(jié)時，頻率維持不變，不進(jìn)行降頻或歸零處理，保證電機連續(xù)運行，以實現(xiàn)正常啟動[3]；

2）增大啟動轉(zhuǎn)矩，在某個頻率范圍以內(nèi)，電壓給定為某個恒定值，而非按恒壓頻比方式由小至大增加，避免電機因負(fù)載太重，啟動轉(zhuǎn)矩不夠而不能啟動。在頻率增加到一定值后，按照正常的恒壓頻比方式運行[4]；

3）改善電流軟件保護(hù)算法，為了防止因啟動電流超過電流保護(hù)閾值而誤動作，從而影響啟動過程，對電流保護(hù)算法可做如下改進(jìn)：提高輸入、輸出電流保護(hù)閾值，并且對于啟動過程和正常工作中出現(xiàn)過流的狀態(tài)分別采取不同方式處理，即在過流判斷條件中加入頻率和過流時間的限制，避免啟動大電流導(dǎo)致誤保護(hù)停機。

3 試驗驗證

某型變頻電源基本性能參數(shù)如下：輸入電壓：三相AC 380 V、50 Hz；額定輸出電壓：采用恒壓頻比調(diào)制方式，輸出50 Hz時對應(yīng)的交流電壓為380 V；輸出頻率范圍：30 Hz～50 Hz；輸出額定功率：7.5 kW。按照上述方法對變頻電源進(jìn)行背壓啟動控制算法適應(yīng)性改進(jìn)：

1）修改降頻限流保護(hù)算法，當(dāng)進(jìn)入限流環(huán)節(jié)時，頻率維持不變，保證電機連續(xù)運行；

2）增大啟動轉(zhuǎn)矩，在頻率為2 Hz～6.5 Hz時，電壓給定為恒定值50 V，在頻率大于6.5 Hz后，按照正常的恒壓頻比方式運行；

3）改善電流軟件保護(hù)算法，電源正常工作時，頻率限定在30 Hz～52 Hz范圍內(nèi)變化，當(dāng)在頻率小于30 Hz時，認(rèn)為此時處于啟動狀態(tài)，此時出現(xiàn)過流并且過流時間超過設(shè)定值，才進(jìn)入保護(hù)，這樣不會因為啟動電流大，導(dǎo)致過載保護(hù)，電機難以啟動。

對變頻電源的控制算法進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)后，在試驗室對變頻電源帶電機背壓啟動過程進(jìn)行模擬試驗，變頻電源帶電機拖動泵運行，泵口通過壓力罐施加壓力，模擬深潛狀態(tài)啟動電機，變頻電源輸出電壓、電流波形如圖3所示。曲線1為電壓波形，啟動過程電壓波形呈喇叭形緩慢增加至額定電壓；曲線2為電流波形，由于電機處于嚴(yán)重過載狀態(tài)，啟動電流最大為56 A，電流值處于 IGBT模塊工作在安全范圍內(nèi)，啟動時間為12s，正常工作后電流降為額定電流。電機可正常啟動，保證系統(tǒng)運行正常。

4 結(jié)論

本文結(jié)合艇用變頻調(diào)速系統(tǒng)實際使用時遇到的電機背壓啟動問題，詳細(xì)分析了變頻電源帶電機背壓啟動過程，找出電機無法正常啟動的原因，根據(jù)此提出了相應(yīng)的解決辦法，并通過試驗驗證其適應(yīng)性改進(jìn)措施的有效性。

圖2 變頻電源帶電機背壓啟動電流波形

圖3 變頻電源帶電機背壓啟動波形

[1]陳堅.電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）.高等教育出版社,2004.

[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社,2003.

[3]王毅.基于DSP的三相感應(yīng)電機軟起動系統(tǒng)的研究[博士論文].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

[4]Lorenz,R.D.Advances in electric drive control,Electric Machines and Drives.1999.