一種船用異步風機變頻啟動器的設計

施 鵬

一種船用異步風機變頻啟動器的設計

施 鵬

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了一種船用三相異步風機啟動器的設計，基于成熟的兩電平三相逆變橋設計方案，主開關器件為IGBT模塊，采用基于恒壓頻比的控制方式，同時，考慮到輸入直流母線電壓的波動以及輸出三相交流電壓諧波對負載振動加速度的影響，增加對直流母線電壓和交流輸出端的濾波環節，取得了良好的應用效果。

三相逆變橋 異步風機 IGBT模塊

0 引言

冷卻風機在電機控制系統中占據重要地位，它能夠實時有效地將電機運行中的熱量及時散發出去，保證電機在最適宜的溫度下工作。某船用直流電機的冷卻風機為三相異步電動機，設計異步電機的啟動裝置，除了保障風機的正常啟動之外，對振動噪聲的控制和抗電磁干擾的要求也非常重要。

1 風機啟動器的基本原理

由于船用交流電源無法提供大功率標準380V的三相交流電給風機電動機供電，只能采用將船用直流逆變為三相交流電給風機供電，變頻器輸入側的直流電壓為350～640V，變頻器輸出三相220V的電壓作為三相交流風機的工作電源。

設備主回路技術方案選用較為成熟的逆變器拓撲結構，如圖1所示。主回路單元主要包括輸入濾波器、逆變單元、輸出濾波器等，控制單元主要包括控制電源、控制電路板，負責信號的采集、處理，生成PWM控制信號，與上位顯示屏通信。

圖1 風機啟動器原理圖

變頻器由蓄電池組提供DC350～640 V的主電源，為避免設備對船上直流電網造成電磁干擾，在設備直流輸入側設置了共模、差模濾波器。變頻器輸出為PWM電壓波形，為了保護負載電機，在考慮系統簡單、可靠及體積等因素下功率逆變單元輸出端設置了輸出濾波單元[1]。

圖1中R1-預充電電阻；SCR-預充電晶閘管；L1-共模電抗器；L2-差模電抗器；C1、C2-共模濾波電容；C3-直流母線支撐電容；R2-放電電阻；C4-直流母線緩沖電容；VT1、VT2、VT3-IGBT模塊；L3-輸出dv/dt電抗器；C5、C6、C7-輸出濾波電容。

2 技術方案

2.1 控制技術方案

變頻器為風機電動機供電，因此可以采用目前工業領域使用較多的恒壓頻比控制。此種控制方式屬于轉速開環控制，無需轉速傳感器，控制電路及算法比較簡單。控制電路采用DSP控制芯片，使用無速度傳感器的矢量控制方式，可以得到更好的轉速、轉矩控制性能[2]。

圖2 控制系統框圖

控制系統采用直-交電壓型電路，主控部分以TMS320F2812DSP控制器芯片為核心，負責A/D轉換，坐標變換、電機轉速計算、最后經過SVPWM調制算法得到脈沖信號輸出，再經過電光轉換后，驅動功率開關器件。DSP控制器還負責系統的故障檢測及保護，當系統出現過壓、過流、過溫等故障時，DSP將封鎖PWM輸出信號，保護功率器件模塊不被損壞。

2.2 控制電路功能設計

控制系統的電源從主回路的直流主電引出，通過DC-DC模塊將直流主電源轉化為控制電路所需的+24VDC直流電壓。

控制電路部分由DSP(TMS320F2812)控制核心以及模擬量采樣、數字量輸入輸出、驅動信號放大等外圍擴展電路組成，可以實現矢量控制和直接轉矩控制復雜的控制算法運算、產生PWM信號、實現系統保護、與上位機通訊等功能，其中，模擬量采樣電路完成電壓、電流、溫度等信號的檢測及故障判斷報警功能，并將調理后的信號、故障信息送至DSP，數字量輸入輸出電路完成開關量狀態信號的檢測和風扇、蜂鳴器、指示燈的控制，驅動信號放大電路可以實現PWM信號的功率放大與隔離、IGBT反饋信號的檢測與判斷等功能。

2.3 控制系統軟件設計

本設備的傳動控制屬于對調速性能要求不高的不可逆傳動，根據系統要求，控制部分采取VVVF控制策略。在調速過程中保持電壓和頻率的比值不變，即在改變輸出基波頻率的同時，保證電機的定子磁通恒定。為了實現電壓-頻率協調控制，控制方式上采用轉速開環恒壓頻比，并在帶低頻段補償定子漏阻抗壓降[3]。

圖3 DSP軟件流程圖

流程控制程序實現DSP底層軟件的工作流程、邏輯判斷等功能，包括：軟件初始化、定時循環、故障檢測與處理、工作模式判斷處理、待機模式、運行模式、停機模式、故障模式。同時還接受外部啟、停控制信號，發送狀態指示信號。

調速控制程序實現信號采樣、V/f運行控制算法。包括：信號采樣處理、信號濾波變換、轉速電流調節、PWM調制、定時器中斷、外部中斷、CAN通訊中斷、功率器件故障中斷等。

控制器軟件按功能分類進行模塊化設計，包括流程控制程序和電機調速控程序。軟件流程圖見圖3。

2.4 輸入和輸出濾波處理

由于船用直流電壓為350～640 V，輸入電壓偏高使得IPM模塊中IGBT關斷時尖峰電壓更高，如果不加入濾波電路抑制尖峰電壓，容易造成IGBT的擊穿或損壞。通過試驗驗證，在IPM模塊的三個橋臂的正負輸入端并接1.5 μF無感電容抑制尖峰電壓；采用60 μH輸出濾波電感的條件下，在輸出端按星形接法并接三相濾波電容（容值100 μF）構成LC輸出濾波器[4]。

試驗證明，經過LC濾波后的標準正弦波輸出電壓，能夠有效降低風機的振動加速度，對比數據見圖4、圖5。

圖4 SPWM波輸出電壓時振動加速度測試結果

3 結束語

風機啟動器選用成熟的技術方案，經過多方案比較，技術成熟，方案可行，有成功的案例可以借鑒，采用IGBT構成的兩電平三相逆變橋拓撲結構和基于DSP芯片的控制方案，通過方案設計及論證，證明本方案是合理可行的，可滿足船用電源技術要求的各項指標。平均故障間隔時間MTBF≥8000 h，平均維修時間MTTR≤0.5 h，通過理論與試驗驗證，證明此方法是可行的。

圖5 正弦波輸出電壓時振動加速度測試結果

[1] 劉德成, 李傳偉. 變頻器諧波產生原因及其抑制方法的探討. 船電技術, 2006(6).

[2] 陳旭武. 電壓型正弦波脈寬調制逆變器研究. 船電技術, 2006(2).

[3] 陳穎, 張俊洪.SPWM逆變電源的諧波分析及抑制策略. 船電技術, 2005(1).

[4] 呂敬高.三相并聯有源電力濾波器：考慮諧波和EMI標準時的輸出濾波器的研究. 船電技術, 2003(6).

A Design Scheme of Marine Asynchronous Motor Starter

Shi Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

with filtering circuits adopted in the input and output links. The verification tests show that the scheme is feasible and achieved

TM343

A

1003-4862（2021）06-0098-03

2021-04-12

施鵬(1986-)，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：nishuoxinyu@qq.com