劉秀峰 朝澤云

（1. 海軍駐七O一所軍事代表室，武漢 430064；2. 華中科技大學(xué) 電氣學(xué)院，武漢 430074）

1 引言

艦船電站發(fā)電機(jī)組的滑油系統(tǒng)配備有交流電動滑油泵為機(jī)組提供潤滑油，在機(jī)組備車、緊急停機(jī)或者艦電突然失電時，需要立即啟動交流電動滑油泵為機(jī)組的軸承等轉(zhuǎn)動部分建立油膜，避免軸承因過熱而損壞。因此，交流電動滑油泵是艦船重要的輔助裝置，一旦不能正常啟動，將影響整個艦船動力系統(tǒng)的工作[1,5,6,9]。由于通常采樣交流異步電動機(jī)拖動滑油泵工作，因此，根據(jù)啟動指令可靠快速的啟動滑油泵用交流電動機(jī)至關(guān)重要。

本文根據(jù)艦船實際需要，設(shè)計了一種基于DSP的全數(shù)字化控制逆變啟動電源，電路中的開關(guān)器件選用全控型器件 IGBT。該裝置具有直接啟動1.5 kW的380 V/50 Hz交流異步電動機(jī)和快速軟啟動3 kW的380 V/50 Hz交流異步電動機(jī)兩種啟動模式，并在交流市電和220 V蓄電池組供電切換時不間斷地為電動機(jī)供電。因此，逆變啟動電源需要具有能夠承受直接起動電動機(jī)時較大的起動電流的沖擊、實現(xiàn)快速軟起動3 kW交流電動機(jī)的高性能控制、在交直流供電的寬輸入電壓范圍內(nèi)均能輸出380 V/50 Hz交流電、在交直流供電切換時能夠不間斷的輸出等功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示為逆變啟動電源原理框圖。裝置主電路采用了AC/DC/DC/AC的變換結(jié)構(gòu)，其工作原理為當(dāng)市電正常時，含十二相自耦變壓器的十二脈波不控整流電路將經(jīng) EMI濾波后的交流市電變換為400 V直流電，從而有效減少市電輸入級AC/DC變換產(chǎn)生的諧波含量，提高功率因數(shù)，降低輸入變壓器的容量。若市電發(fā)生故障，立即轉(zhuǎn)換為 220 V蓄電池組不間斷的為后級電路供電。由于在交直流兩種輸入電壓等級下逆變啟動電源均需輸出 380 V/50 Hz交流電，因此采用Boost升壓變換電路將市電或蓄電池提供的直流電升至580 V，為后級三相逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓。通過控制三相逆變電路的工作方式，從而實現(xiàn)直接啟動電機(jī)和快速軟啟動電機(jī)的功能。

圖1 逆變啟動電源原理框圖

圖2 Boost電路控制原理框圖

控制系統(tǒng)采用將數(shù)字調(diào)節(jié)、硬件和軟件保護(hù)相結(jié)合的控制方案[2]?？刂齐娐分饕擅绹鳷I公司生產(chǎn)的高速數(shù)字信號處理（DSP）芯片F(xiàn)240及其外圍電路組成。主要完成對電壓、電流反饋信號的采樣檢測處理、Boost變換、壓頻協(xié)調(diào)控制、優(yōu)化的電壓空間矢量控制（SVPWM）、驅(qū)動信號產(chǎn)生、顯示數(shù)據(jù)發(fā)送、以及整機(jī)控制等功能。并實現(xiàn)對各種故障進(jìn)行檢測和保護(hù)處理。同時發(fā)送裝置的狀態(tài)信息至電力系統(tǒng)監(jiān)控中心進(jìn)行通訊。顯示電路對逆變啟動電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時顯示。面板控制電路用于接收操作人員發(fā)出的控制信號，經(jīng)處理后送到中控芯片F(xiàn)240，實現(xiàn)對逆變啟動電源的控制。

3 Boost電路控制策略

Boost電路主要功能是在寬輸入電壓范圍和在電壓切換的動態(tài)過程中均能為三相逆變電路提供穩(wěn)定可靠的直流電。

圖2所示為Boost電路控制原理框圖。由于PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，具有一定的魯棒性，在工程控制領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。因此，選用PI調(diào)節(jié)器控制Boost變換電路輸出電壓。傳統(tǒng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型為[3]：

其增量表達(dá)式為：

其中 e ( k)、 e ( k-1)分別為第k和 k -1次采樣誤差值，Kp為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)。

由于Boost電路輸入電壓變化范圍大，特別是高低電壓切換的瞬間會引起輸出電壓 UF和升壓電感電流IF振蕩和尖峰，從而增加開關(guān)器件的電應(yīng)力。尤其在高壓切低壓時會出現(xiàn)較高的電流尖峰，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞開關(guān)器件。

而傳統(tǒng) PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)在控制過程中為常數(shù)，難以滿足系統(tǒng)實際要求。因此，需根據(jù)實際實際經(jīng)驗對PI參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在不同的電感電流IF和電壓誤差e下，PI參數(shù)的自調(diào)整需滿足如下的原則：

(1)當(dāng)|e|較小時，為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，應(yīng)取較小的 Kp和 KI，以便減小超調(diào)量和過渡時間，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時還具有較好的快速跟蹤性能。

(2)當(dāng)|e|較大且 UF＞UG時，低壓切高壓或電機(jī)停機(jī)時往往出現(xiàn)這種情況。應(yīng)取較大的 Kp和KI，加快系統(tǒng)收斂速度，減少偏差和收斂時間，使瞬態(tài)響應(yīng)加快。

(3)當(dāng)|e|較大且 UF＜UG、IF較小時，軟啟動電機(jī)時往往出現(xiàn)這種情況。為了加快系統(tǒng)收斂速度，應(yīng)取較大的Kp和KI。

(4)當(dāng)|e|較大且 UF＜UG、IF較大時，高壓切低壓或直接啟動電機(jī)時往往出現(xiàn)這種情況。適當(dāng)減小 Kp和 KI，避免系統(tǒng)收斂速度過快，從而減小電流尖峰。

如圖2所示，對Boost升壓電感電流IF和輸出電壓UF進(jìn)行采樣，經(jīng)過變參數(shù)的PI計算，調(diào)節(jié)驅(qū)動Boost升壓電路中開關(guān)管的驅(qū)動信號，從而調(diào)節(jié)輸出電壓保持恒定。

為了進(jìn)一步有效減小電流尖峰對Boost電路的沖擊，當(dāng)IF＞Imax（Imax為允許的最大電流尖峰值）時，只允許Boost電路開關(guān)器件的PWM脈寬減小，不允許增加。

4 逆變啟動電路控制策略

逆變啟動電路需要具備兩種工作模式，一種是采用恒壓頻比控制的快速軟起動方式[8,10]，快速起動3 kW電動機(jī)，從而在得到足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，還能有效減少啟動電流，穩(wěn)態(tài)時為電機(jī)提供三相380 V/50 Hz的電壓；一種是逆變起動電源始終輸出三相380 V/50 Hz交流電，隨時準(zhǔn)備直接起動1.5 kW電機(jī)，承受啟動電流的沖擊。

圖3 逆變啟動電路控制原理框圖

由于交流電機(jī)的負(fù)載均為滑油泵，對調(diào)速性能(特別是動態(tài)性能)要求不高，因此，采用轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)即可滿足系統(tǒng)要求?？紤]到輸入電壓切換和直接啟停電機(jī)會引起逆變輸出電壓的波動，因此逆變啟動電源的控制策略為恒壓頻比控制結(jié)合輸出電壓反饋控制，原理框圖如圖3所示。

逆變啟動電源啟動時，其輸出電壓的頻率給定ωs和幅值給定us成比例的從0線性增大至50 Hz/380 V，隨后加入輸出電壓的數(shù)字閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而有效抑制直接啟動電機(jī)時的瞬時電壓跌落以及補(bǔ)償開關(guān)器件管壓降和濾波電路壓降，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。此外，還采用數(shù)字化電壓空間矢量控制（SVPWM），在改善輸出電壓波形的同時有效降低開關(guān)管的開關(guān)損耗、并提高直流母線電壓的利用率[4,7]。

5 試驗結(jié)果

圖4所示為逆變啟動電源在不同工況下的實驗波形。圖4(a)和(b)分別為逆變啟動電源拖動1.5 kW電機(jī)，交流供電（整流后的直流電壓為400 V）切換至直流供電（220 V）時和直流切換至交流供電時Boost電路輸出電壓UF和電感電流IF波形；圖4(c)為逆變啟動電源軟啟動3 kW電機(jī)時的定子電流波形；圖4(d)為逆變啟動電源直接啟動1.5 kW電機(jī)時的輸出電壓uf和電機(jī)定子電流is波形。

圖4 實驗波形

圖4(a)和(b)所示的實驗結(jié)果表明輸入在交流供電和直流供電之間切換時，Boost電路的輸出電壓能夠快速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)額定輸出，電壓波動范圍不大，升壓電感電流的峰值也被限制在安全范圍內(nèi)。說明Boost電路具有較好的抗擾動能力。從而能夠為后續(xù)逆變電路提供可靠的直流母線電壓。圖 4(c)所示的實驗結(jié)果表明逆變啟動電源能夠?qū)崿F(xiàn)快速軟啟動3 kW電機(jī)的功能，從圖中可以看出，啟動時間不大于2 s，且啟動時刻電機(jī)定子電流被有效限制在1.5倍額定電流以內(nèi)。圖4(d)所示的實驗結(jié)果表明逆變啟動電源能夠承受直接啟動1.5 kW電機(jī)的沖擊，從圖中可以看出，逆變啟動電源的輸出電壓在直接啟動時瞬態(tài)壓降不大，且能快速恢復(fù)至額定輸出。

6 結(jié)論

根據(jù)艦船滑油泵配套交流電機(jī)不同的啟動方式要求，設(shè)計了一種基于DSP全數(shù)字化控制的逆變啟動電源裝置，該電源兩種工作模式：快速軟啟動3 kW電機(jī)和直接啟動1.5 kW電機(jī)，可以在交直流兩種供電電壓等級下安全可靠的工作。

實驗結(jié)果表明，該裝置在交直流兩種供電電壓切換時具有較好的動態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)在不大于2 s的時間內(nèi)軟啟動3 kW電機(jī)，并能安全可靠的直接啟動1.5 kW電機(jī)。

[1]熊啟發(fā). 軸系滑油泵控制技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù),2005, (5)： 36-38.

[2]李永東. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng). 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3]Gene F.Franklin等. 動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字控制（Digital Control of Dynamic System）第3版. 北京： 清華大學(xué)出版社, 2001.

[4]陳堅. 電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù) 第二版. 北京： 高等教育出版社, 2002.

[5]王慶紅. 艦船綜合電力系統(tǒng)總體概念研究的思考[J].中國艦船研究, 2006,(3)： 25-29.

[6]Calfo. Generators for use in electric marine ship propulsion systems. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002, V1, p254-259

[7]Kumar. Direct torque control of open-end winding induction motor drive using the concept of imaginary switching times for marine propulsion systems.Industrial Electronics Society. IECON 2005.31st Annual Conference of IEEE, 2005, p1504-1509.

[8]Kubota. PWM parallel resonant inverter designed for marine diesel emission control system. IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2006, V2, P1341-1346.

[9]Apsley,J.M. Propulsion drive models for full electric marine propulsion systems. IEEE Electric Machines &Drives Conference, 2007, V1, P118 - 123.

[10]Leleu,E. Reduction of vibrations in an induction machine supplied by high power PWM inverter.European Conference on Power Electronics and Applications, 2005, P1-8.