一种船用异步风机变频启动器的设计

施 鹏

一种船用异步风机变频启动器的设计

施 鹏

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍了一种船用三相异步风机启动器的设计，基于成熟的两电平三相逆变桥设计方案，主开关器件为IGBT模块，采用基于恒压频比的控制方式，同时，考虑到输入直流母线电压的波动以及输出三相交流电压谐波对负载振动加速度的影响，增加对直流母线电压和交流输出端的滤波环节，取得了良好的应用效果。

三相逆变桥 异步风机 IGBT模块

0 引言

冷却风机在电机控制系统中占据重要地位，它能够实时有效地将电机运行中的热量及时散发出去，保证电机在最适宜的温度下工作。某船用直流电机的冷却风机为三相异步电动机，设计异步电机的启动装置，除了保障风机的正常启动之外，对振动噪声的控制和抗电磁干扰的要求也非常重要。

1 风机启动器的基本原理

由于船用交流电源无法提供大功率标准380V的三相交流电给风机电动机供电，只能采用将船用直流逆变为三相交流电给风机供电，变频器输入侧的直流电压为350～640V，变频器输出三相220V的电压作为三相交流风机的工作电源。

设备主回路技术方案选用较为成熟的逆变器拓扑结构，如图1所示。主回路单元主要包括输入滤波器、逆变单元、输出滤波器等，控制单元主要包括控制电源、控制电路板，负责信号的采集、处理，生成PWM控制信号，与上位显示屏通信。

图1 风机启动器原理图

变频器由蓄电池组提供DC350～640 V的主电源，为避免设备对船上直流电网造成电磁干扰，在设备直流输入侧设置了共模、差模滤波器。变频器输出为PWM电压波形，为了保护负载电机，在考虑系统简单、可靠及体积等因素下功率逆变单元输出端设置了输出滤波单元[1]。

图1中R1-预充电电阻；SCR-预充电晶闸管；L1-共模电抗器；L2-差模电抗器；C1、C2-共模滤波电容；C3-直流母线支撑电容；R2-放电电阻；C4-直流母线缓冲电容；VT1、VT2、VT3-IGBT模块；L3-输出dv/dt电抗器；C5、C6、C7-输出滤波电容。

2 技术方案

2.1 控制技术方案

变频器为风机电动机供电，因此可以采用目前工业领域使用较多的恒压频比控制。此种控制方式属于转速开环控制，无需转速传感器，控制电路及算法比较简单。控制电路采用DSP控制芯片，使用无速度传感器的矢量控制方式，可以得到更好的转速、转矩控制性能[2]。

图2 控制系统框图

控制系统采用直-交电压型电路，主控部分以TMS320F2812DSP控制器芯片为核心，负责A/D转换，坐标变换、电机转速计算、最后经过SVPWM调制算法得到脉冲信号输出，再经过电光转换后，驱动功率开关器件。DSP控制器还负责系统的故障检测及保护，当系统出现过压、过流、过温等故障时，DSP将封锁PWM输出信号，保护功率器件模块不被损坏。

2.2 控制电路功能设计

控制系统的电源从主回路的直流主电引出，通过DC-DC模块将直流主电源转化为控制电路所需的+24VDC直流电压。

控制电路部分由DSP(TMS320F2812)控制核心以及模拟量采样、数字量输入输出、驱动信号放大等外围扩展电路组成，可以实现矢量控制和直接转矩控制复杂的控制算法运算、产生PWM信号、实现系统保护、与上位机通讯等功能，其中，模拟量采样电路完成电压、电流、温度等信号的检测及故障判断报警功能，并将调理后的信号、故障信息送至DSP，数字量输入输出电路完成开关量状态信号的检测和风扇、蜂鸣器、指示灯的控制，驱动信号放大电路可以实现PWM信号的功率放大与隔离、IGBT反馈信号的检测与判断等功能。

2.3 控制系统软件设计

本设备的传动控制属于对调速性能要求不高的不可逆传动，根据系统要求，控制部分采取VVVF控制策略。在调速过程中保持电压和频率的比值不变，即在改变输出基波频率的同时，保证电机的定子磁通恒定。为了实现电压-频率协调控制，控制方式上采用转速开环恒压频比，并在带低频段补偿定子漏阻抗压降[3]。

图3 DSP软件流程图

流程控制程序实现DSP底层软件的工作流程、逻辑判断等功能，包括：软件初始化、定时循环、故障检测与处理、工作模式判断处理、待机模式、运行模式、停机模式、故障模式。同时还接受外部启、停控制信号，发送状态指示信号。

调速控制程序实现信号采样、V/f运行控制算法。包括：信号采样处理、信号滤波变换、转速电流调节、PWM调制、定时器中断、外部中断、CAN通讯中断、功率器件故障中断等。

控制器软件按功能分类进行模块化设计，包括流程控制程序和电机调速控程序。软件流程图见图3。

2.4 输入和输出滤波处理

由于船用直流电压为350～640 V，输入电压偏高使得IPM模块中IGBT关断时尖峰电压更高，如果不加入滤波电路抑制尖峰电压，容易造成IGBT的击穿或损坏。通过试验验证，在IPM模块的三个桥臂的正负输入端并接1.5 µF无感电容抑制尖峰电压；采用60 µH输出滤波电感的条件下，在输出端按星形接法并接三相滤波电容（容值100 μF）构成LC输出滤波器[4]。

试验证明，经过LC滤波后的标准正弦波输出电压，能够有效降低风机的振动加速度，对比数据见图4、图5。

图4 SPWM波输出电压时振动加速度测试结果

3 结束语

风机启动器选用成熟的技术方案，经过多方案比较，技术成熟，方案可行，有成功的案例可以借鉴，采用IGBT构成的两电平三相逆变桥拓扑结构和基于DSP芯片的控制方案，通过方案设计及论证，证明本方案是合理可行的，可满足船用电源技术要求的各项指标。平均故障间隔时间MTBF≥8000 h，平均维修时间MTTR≤0.5 h，通过理论与试验验证，证明此方法是可行的。

图5 正弦波输出电压时振动加速度测试结果

[1] 刘德成, 李传伟. 变频器谐波产生原因及其抑制方法的探讨. 船电技术, 2006(6).

[2] 陈旭武. 电压型正弦波脉宽调制逆变器研究. 船电技术, 2006(2).

[3] 陈颖, 张俊洪.SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略. 船电技术, 2005(1).

[4] 吕敬高.三相并联有源电力滤波器：考虑谐波和EMI标准时的输出滤波器的研究. 船电技术, 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

施鹏(1986-)，工程师。研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：nishuoxinyu@qq.com