變頻調速系統電機背壓啟動適應性研究

楊文鐵，耿 攀，徐 林，徐正喜

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

0 引言

潛艇上存在大量的旋轉類電機及其拖動的泵類負載，電機和泵類負載的起動過程和運行是全船的主要振動噪聲源之一，對此類設備應根據使用工況進行變頻調速，可有效減少電機負載起動過程對電網的電流沖擊，降低電機工作狀態下的振動噪聲水平[1,2]。潛艇上部分電機的泵類負載為通海泵，深潛狀態其出口承受的海水壓力巨大，要求變頻電源能在電機“堵轉”狀態下強行啟動電機，并能承受額定電流數倍的啟動電流沖擊，而陸上電機“堵轉”狀態時要求供電電源能夠快速保護。背壓啟動是潛艇變頻調速系統的一個新問題，本文主要針對某型裝艇變頻電源設備帶電機背壓啟動的過程進行了分析，給出適應性改進措施，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備所帶負載為通海泵，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行模擬試驗。在深潛狀態時，等效為電機負載泵的出口承受了數MPa壓力，此時相當于電機嚴重過載，電機處于“堵轉”狀態。電機的啟動轉矩與電流成正比，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，對應著輸出電壓逐漸增加，電機定子側電流逐漸增大，啟動轉矩也逐漸增大，但是由于泵承受壓力，電機處于“堵轉”狀態，電流迅速增大，超過限流保護值后，系統開始降頻限流，頻率值減為0后重新開始逐漸增加，但電機依舊被“堵轉”，電流又迅速增加，系統又進入降頻限流，如此循環，電機無法啟動，將影響整個系統正常運行，并且反復多次的電流沖擊將嚴重影響變頻電源內部IGBT等開關器件的使用壽命。

圖1 變頻電源帶電機正常啟動電壓、電流波形

2 變頻電源適應性改進

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算法等方面進行背壓啟動適應性改進：

1）為了防止啟動電流沖擊，變頻調速系統均設有降頻限流控制環節，當檢測到電流過大時，通過降低頻率、減小電壓來控制電流大小。現啟動控制算法中對降頻限流保護算法進行修正，當進入限流環節時，頻率維持不變，不進行降頻或歸零處理，保證電機連續運行，以實現正常啟動[3]；

2）增大啟動轉矩，在某個頻率范圍以內，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，避免電機因負載太重，啟動轉矩不夠而不能啟動。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）改善電流軟件保護算法，為了防止因啟動電流超過電流保護閾值而誤動作，從而影響啟動過程，對電流保護算法可做如下改進：提高輸入、輸出電流保護閾值，并且對于啟動過程和正常工作中出現過流的狀態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，避免啟動大電流導致誤保護停機。

3 試驗驗證

某型變頻電源基本性能參數如下：輸入電壓：三相AC 380 V、50 Hz；額定輸出電壓：采用恒壓頻比調制方式，輸出50 Hz時對應的交流電壓為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行背壓啟動控制算法適應性改進：

1）修改降頻限流保護算法，當進入限流環節時，頻率維持不變，保證電機連續運行；

2）增大啟動轉矩，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）改善電流軟件保護算法，電源正常工作時，頻率限定在30 Hz～52 Hz范圍內變化，當在頻率小于30 Hz時，認為此時處于啟動狀態，此時出現過流并且過流時間超過設定值，才進入保護，這樣不會因為啟動電流大，導致過載保護，電機難以啟動。

對變頻電源的控制算法進行適應性改進后，在試驗室對變頻電源帶電機背壓啟動過程進行模擬試驗，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，由于電機處于嚴重過載狀態，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，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，保證系統運行正常。

4 結論

本文結合艇用變頻調速系統實際使用時遇到的電機背壓啟動問題，詳細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，根據此提出了相應的解決辦法，并通過試驗驗證其適應性改進措施的有效性。

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—電力電子變換和控制技術（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.北京：機械工業出版社,2003.

[3]王毅.基于DSP的三相感應電機軟起動系統的研究[博士論文].哈爾濱工業大學,2002.

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