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

本文根據(jù)艦船實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的全數(shù)字化控制逆變啟動(dòng)電源，電路中的開(kāi)關(guān)器件選用全控型器件 IGBT。該裝置具有直接啟動(dòng)1.5 kW的380 V/50 Hz交流異步電動(dòng)機(jī)和快速軟啟動(dòng)3 kW的380 V/50 Hz交流異步電動(dòng)機(jī)兩種啟動(dòng)模式，并在交流市電和220 V蓄電池組供電切換時(shí)不間斷地為電動(dòng)機(jī)供電。因此，逆變啟動(dòng)電源需要具有能夠承受直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)較大的起動(dòng)電流的沖擊、實(shí)現(xiàn)快速軟起動(dòng)3 kW交流電動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，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(jí)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(jí)電路供電。由于在交直流兩種輸入電壓等級(jí)下逆變啟動(dòng)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(jí)三相逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓。通過(guò)控制三相逆變電路的工作方式，從而實(shí)現(xiàn)直接啟動(dòng)電機(jī)和快速軟啟動(dòng)電機(jī)的功能。

圖1 逆變啟動(dòng)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?guó)TI公司生產(chǎn)的高速數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片F(xiàn)240及其外圍電路組成。主要完成對(duì)電壓、電流反饋信號(hào)的采樣檢測(cè)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、顯示數(shù)據(jù)發(fā)送、以及整機(jī)控制等功能。并實(shí)現(xiàn)對(duì)各種故障進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)處理。同時(shí)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(duì)逆變啟動(dòng)電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。面板控制電路用于接收操作人員發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)處理后送到中控芯片F(xiàn)240，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變啟動(dòng)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(dòng)態(tài)過(guò)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(jiǎn)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(huì)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(kāi)關(guān)器件的電應(yīng)力。尤其在高壓切低壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)較高的電流尖峰，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞開(kāi)關(guān)器件。

而傳統(tǒng) PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)在控制過(guò)程中為常數(shù)，難以滿足系統(tǒng)實(shí)際要求。因此，需根據(jù)實(shí)際實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(shí)，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(guò)渡時(shí)間，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)還具有較好的快速跟蹤性能。

(2)當(dāng)|e|較大且 UF＞UG時(shí)，低壓切高壓或電機(jī)停機(jī)時(shí)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(shí)間，使瞬態(tài)響應(yīng)加快。

(3)當(dāng)|e|較大且 UF＜UG、IF較小時(shí)，軟啟動(dòng)電機(jī)時(shí)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(shí)，高壓切低壓或直接啟動(dòng)電機(jī)時(shí)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(guò)快，從而減小電流尖峰。

如圖2所示，對(duì)Boost升壓電感電流IF和輸出電壓UF進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)變參數(shù)的PI計(jì)算，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)Boost升壓電路中開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(duì)Boost電路的沖擊，當(dāng)IF＞Imax（Imax為允許的最大電流尖峰值）時(shí)，只允許Boost電路開(kāi)關(guān)器件的PWM脈寬減小，不允許增加。

4 逆變啟動(dòng)電路控制策略

逆變啟動(dòng)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(dòng)方式[8,10]，快速起動(dòng)3 kW電動(dòng)機(jī)，從而在得到足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，還能有效減少啟動(dòng)電流，穩(wěn)態(tài)時(shí)為電機(jī)提供三相380 V/50 Hz的電壓；一種是逆變起動(dòng)電源始終輸出三相380 V/50 Hz交流電，隨時(shí)準(zhǔn)備直接起動(dòng)1.5 kW電機(jī)，承受啟動(dòng)電流的沖擊。

圖3 逆變啟動(dòng)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(duì)調(diào)速性能(特別是動(dòng)態(tài)性能)要求不高，因此，采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)即可滿足系統(tǒng)要求。考慮到輸入電壓切換和直接啟停電機(jī)會(huì)引起逆變輸出電壓的波動(dòng)，因此逆變啟動(dòng)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(dòng)電源啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)電機(jī)時(shí)的瞬時(shí)電壓跌落以及補(bǔ)償開(kāi)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(shí)有效降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗、并提高直流母線電壓的利用率[4,7]。

5 試驗(yàn)結(jié)果

圖4所示為逆變啟動(dòng)電源在不同工況下的實(shí)驗(yàn)波形。圖4(a)和(b)分別為逆變啟動(dòng)電源拖動(dòng)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(shí)和直流切換至交流供電時(shí)Boost電路輸出電壓UF和電感電流IF波形；圖4(c)為逆變啟動(dòng)電源軟啟動(dòng)3 kW電機(jī)時(shí)的定子電流波形；圖4(d)為逆變啟動(dòng)電源直接啟動(dòng)1.5 kW電機(jī)時(shí)的輸出電壓uf和電機(jī)定子電流is波形。

圖4 實(shí)驗(yàn)波形

圖4(a)和(b)所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輸入在交流供電和直流供電之間切換時(shí)，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(dòng)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(shuō)明Boost電路具有較好的抗擾動(dòng)能力。從而能夠?yàn)楹罄m(xù)逆變電路提供可靠的直流母線電壓。圖 4(c)所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明逆變啟動(dòng)電源能夠?qū)崿F(xiàn)快速軟啟動(dòng)3 kW電機(jī)的功能，從圖中可以看出，啟動(dòng)時(shí)間不大于2 s，且啟動(dòng)時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明逆變啟動(dòng)電源能夠承受直接啟動(dòng)1.5 kW電機(jī)的沖擊，從圖中可以看出，逆變啟動(dòng)電源的輸出電壓在直接啟動(dòng)時(shí)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(dòng)方式要求，設(shè)計(jì)了一種基于DSP全數(shù)字化控制的逆變啟動(dòng)電源裝置，該電源兩種工作模式：快速軟啟動(dòng)3 kW電機(jī)和直接啟動(dòng)1.5 kW電機(jī)，可以在交直流兩種供電電壓等級(jí)下安全可靠的工作。

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

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