双馈调速在舰用中频机组中的应用

杨秀芹，邹开凤，张晓杰

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛 266041）

0 引言

随着飞机电子设备的增加，飞机电源系统向着大功率、高度集成化的方向发展，相应的电源保障要求也越来越高[1]，岸基或舰面电源保障装备应能满足各型飞机电源的需求，电源性能指标应符合国军标的性能指标要求，所以舰面航空电源系统也面临着更大的挑战[2]。国军标对频率指标的要求是400±4 Hz[3]，在以柴油发电机组为主电源的电源车中是通过电子调速器来调节柴油机转速从而来调节输出电源的频率。某型舰上交流电源系统是通过旋转变流中频机组输出中频交流电源，对其频率的调节则是通过调节电动机的转速来实现的，而对电动机转速的调节则采用了双馈调速的方法，双馈调速既提高了调速的特性，又节约了能源，提高了中频机组运行的可靠性，满足了舰载机对电源频率的要求[4]。

图1 双馈调速的基本结构

1 双馈调速的原理

所谓双馈调速就是把电动机的定子绕组和转子绕组分别与交流电网或其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递，双馈调速的基本结构如图1所示。在双馈调速工作时，除了电动机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。即把三相电动机的定子绕组和转子绕组分别与电网和附加电动势相连接，在转子电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，通过调节转子侧附加电动势，来达到调节电机转速的目的[5]。

2 调速系统组成及功能

某型舰舰面中频机组调速系统是由机旁控制箱、电阻箱和调速装置三个独立设备构成。机旁控制箱的功能是对机组实时控制和监测；电阻箱功能为启动电机；调速装置功能为对机组转速进行调节[6]。

机旁控制箱对机组实时控制和监测，一台机旁控制箱可用来实时控制、检测两套中频机组。机旁控制箱是中频机组的主要操作与监控平台，面板上设有显示工频输入电源的电压表、电流表、频率表、功率表，以及显示中频机组中频输出的电压表和频率表，还有转换开关、控制按钮、指示灯等，机旁控制箱是中频机组的主要操作和监控平台。

电阻箱用于起动电机，一台电阻箱内有两套中频机组的起动电阻，起动电阻采用星型（Y型）连接方式，每一相电阻的阻值为5.8 Ω，采用4 Ω串联1.8 Ω的方式，如图2所示。双馈调速系统需要专门的起动电阻，这也限制了其调速范围只能在 3：1～2：1 范围内。

调速装置由一台滤波器、1台电抗器、6个IGBT模块、一块叠层母线、一块散热板、二块驱动板、4个电流霍尔、4个电压霍尔、一套控制器、一块电动电位器、一台交流接触器、一台开关电源、一台时间继电器及若干接线端子组成。在正常模式下，作为调速系统的控制中枢，监控系统的运行状态。调速装置安装于中频机组顶部（电动机侧），装置内部采用角钢焊接的壳架，滤波器、电抗器、IGBT及散热板、主控制器、接线端子等都安装在壳架上，壳架通过减震器安装在中频机组的顶部（电动机侧）。

3 调速控制

调速装置即变频器，它将380 V、50 Hz的工频电，经过整流逆变后，转化为某一电压和频率的交流电。将其接入电动机的转子，通过控制器控制变频器输出，就可以调节电机的转速。变频调速原理框图如图3所示。

3.1 变频调速原理

主回路工作电源由端子接口接入，接触器与限流电阻并联，串联输入滤波器和三相电抗器后与功率模块连接。三相整流和三相逆变回路均采用IGBT可控功率模块，主控制器发出的6路PWM脉冲信号通过光纤送到整流驱动板，由整流驱动板控制整流侧IGBT模块的通断，使得直流母线电压保持稳定，并且输入电流正弦化。同样，主控制器发出的6路PWM脉冲信号经光纤送到逆变驱动板，控制逆变测IGBT功率模块的导通和关断，来控制中频机组电动机的转子电流，使得转速保持在给定值。

图2 电阻箱图

图3 变频调速原理框

机旁控制箱按下起动按钮后，调速装置收到继电器的常开触点信号，发出信号闭合机旁控制器内的接触器使得调速装置主回路得电，通过限流电阻对直流母线电容进行充电，当电压达到460V时闭合该回路中的接触器切除限流电阻，则母线电压继续上升，5s后可控整流工作，发出控制IGBT的PWM脉冲。

在机旁控制箱将控制权交给调速装置后，调速装置输出经机旁控制箱内的电磁转换开关与转子直接连接。此时电机转子靠惯性继续转动，调速装置在电动机转子中逐渐通入满足幅值和相位要求的励磁电流，在电动机定子侧感应出与电网幅值、相位、频率完全相同的三相电压后，闭合机旁控制箱内的主接触器，使得电动机定子重新与电网连接。然后功率由电网进入定子，电机转速逐渐上升至额定转速。

3.2 矢量控制技术

控制器通过“基于双DSP的全数字化矢量控制策略”技术对双馈电机转子绕组进行励磁控制。具体的方案为采用定子磁链定向的矢量控制，通过引入坐标变换，将转子交流分量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制，从而实现对电机有功和无功的解耦控制。此外，采用转速闭环控制方式对双馈电动机转速进行控制，以实现电动机具有较好的转速特性。

调速装置可控整流也采用电压定向的矢量控制技术，通过坐标变换，将网侧电流分解成有功电流分量和无功电流分量，对其进行闭环控制，实现网侧电流的有功无功解耦控制。同时，电压外环控制保证直流母线电压的恒定。

舰用中频机组作为舰载机的交流电源供给，采用双馈调速的方式，可满足舰载机对大功率及短时过载容量的要求。

4 结束语

舰面中频机组采用双馈调速的方法来调节中频机组的转速，即稳定舰面中频电源的频率。利用双馈调速技术可调节转子侧的无功功率，无论负载大小、转速高低，都可以使功率因数最优，而且还可实现动态补偿的功能，满足了舰载机对于频率指标的要求。另外，双馈调速不需调节全部传动功率，变频器功率只是传动功率的一部分，能量损失小，效率高，实现了节约能源的思想。双馈调速技术，可靠性高，提高了某型舰舰面电源系统抵御各类扰动的能力以维持系统的安全稳定运行。

[1] 陈友龙，杨秀芹.航空地面电源[M].海军航空工程学院青岛分院出版社，2009.

[2] 张伟.静变供电模式在舰面航空供电中应用的可行性分析与总体设计[D].烟台：海军航空工程学院,2011.

[3] GJB572-88.飞机地面电源供电特性及一般要求[S].

[4] 周玲华,秦晓平.异步电动机的双馈调速—一种中压电动机经济可靠的节能调速方式[J].电力电子，2004,2（2）:40-43.

[5] 阮毅.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6] 上海电机厂有限公司.JZ-1型中频发电机组[M].上海：上海电气集团，2010.