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        變頻調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)背壓啟動適應(yīng)性研究

        2015-01-04 06:23:56楊文鐵徐正喜
        船電技術(shù) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:背壓限流變頻

        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(jī)及其拖動的泵類負(fù)載,電機(jī)和泵類負(fù)載的起動過程和運(yùn)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(jī)負(fù)載起動過程對電網(wǎng)的電流沖擊,降低電機(jī)工作狀態(tài)下的振動噪聲水平[1,2]。潛艇上部分電機(jī)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(jī)“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)下強(qiáng)行啟動電機(jī),并能承受額定電流數(shù)倍的啟動電流沖擊,而陸上電機(jī)“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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)負(fù)載泵的出口承受了數(shù)MPa壓力,此時相當(dāng)于電機(jī)嚴(yán)重過載,電機(jī)處于“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)。電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩與電流成正比,此時變頻電源帶電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)無法啟動,將影響整個系統(tǒng)正常運(yùn)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(jī)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(jī)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?,F(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(jī)連續(xù)運(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)。

        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(jī)連續(xù)運(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)背壓啟動過程進(jìn)行模擬試驗,變頻電源帶電機(jī)拖動泵運(yùn)行,泵口通過壓力罐施加壓力,模擬深潛狀態(tài)啟動電機(jī),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(jī)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(jī)可正常啟動,保證系統(tǒng)運(yùn)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(jī)背壓啟動問題,詳細(xì)分析了變頻電源帶電機(jī)背壓啟動過程,找出電機(jī)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(jī)背壓啟動電流波形

        圖3 變頻電源帶電機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社,2003.

        [3]王毅.基于DSP的三相感應(yīng)電機(jī)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.

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