雙饋調(diào)速在艦用中頻機(jī)組中的應(yīng)用

楊秀芹，鄒開鳳，張曉杰

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島 266041）

0 引言

隨著飛機(jī)電子設(shè)備的增加，飛機(jī)電源系統(tǒng)向著大功率、高度集成化的方向發(fā)展，相應(yīng)的電源保障要求也越來越高[1]，岸基或艦面電源保障裝備應(yīng)能滿足各型飛機(jī)電源的需求，電源性能指標(biāo)應(yīng)符合國軍標(biāo)的性能指標(biāo)要求，所以艦面航空電源系統(tǒng)也面臨著更大的挑戰(zhàn)[2]。國軍標(biāo)對頻率指標(biāo)的要求是400±4 Hz[3]，在以柴油發(fā)電機(jī)組為主電源的電源車中是通過電子調(diào)速器來調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從而來調(diào)節(jié)輸出電源的頻率。某型艦上交流電源系統(tǒng)是通過旋轉(zhuǎn)變流中頻機(jī)組輸出中頻交流電源，對其頻率的調(diào)節(jié)則是通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，而對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)則采用了雙饋調(diào)速的方法，雙饋調(diào)速既提高了調(diào)速的特性，又節(jié)約了能源，提高了中頻機(jī)組運行的可靠性，滿足了艦載機(jī)對電源頻率的要求[4]。

圖1 雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)

1 雙饋調(diào)速的原理

所謂雙饋調(diào)速就是把電動機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別與交流電網(wǎng)或其他含電動勢的電路相連接，使它們可以進(jìn)行電功率的相互傳遞，雙饋調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在雙饋調(diào)速工作時，除了電動機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外，轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng)或外接電動勢相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個交流電動勢。即把三相電動機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別與電網(wǎng)和附加電動勢相連接，在轉(zhuǎn)子電動機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)附加電動勢，來達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[5]。

2 調(diào)速系統(tǒng)組成及功能

某型艦艦面中頻機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)是由機(jī)旁控制箱、電阻箱和調(diào)速裝置三個獨立設(shè)備構(gòu)成。機(jī)旁控制箱的功能是對機(jī)組實時控制和監(jiān)測；電阻箱功能為啟動電機(jī)；調(diào)速裝置功能為對機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

機(jī)旁控制箱對機(jī)組實時控制和監(jiān)測，一臺機(jī)旁控制箱可用來實時控制、檢測兩套中頻機(jī)組。機(jī)旁控制箱是中頻機(jī)組的主要操作與監(jiān)控平臺，面板上設(shè)有顯示工頻輸入電源的電壓表、電流表、頻率表、功率表，以及顯示中頻機(jī)組中頻輸出的電壓表和頻率表，還有轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制按鈕、指示燈等，機(jī)旁控制箱是中頻機(jī)組的主要操作和監(jiān)控平臺。

電阻箱用于起動電機(jī)，一臺電阻箱內(nèi)有兩套中頻機(jī)組的起動電阻，起動電阻采用星型（Y型）連接方式，每一相電阻的阻值為5.8 Ω，采用4 Ω串聯(lián)1.8 Ω的方式，如圖2所示。雙饋調(diào)速系統(tǒng)需要專門的起動電阻，這也限制了其調(diào)速范圍只能在 3：1～2：1 范圍內(nèi)。

調(diào)速裝置由一臺濾波器、1臺電抗器、6個IGBT模塊、一塊疊層母線、一塊散熱板、二塊驅(qū)動板、4個電流霍爾、4個電壓霍爾、一套控制器、一塊電動電位器、一臺交流接觸器、一臺開關(guān)電源、一臺時間繼電器及若干接線端子組成。在正常模式下，作為調(diào)速系統(tǒng)的控制中樞，監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。調(diào)速裝置安裝于中頻機(jī)組頂部（電動機(jī)側(cè)），裝置內(nèi)部采用角鋼焊接的殼架，濾波器、電抗器、IGBT及散熱板、主控制器、接線端子等都安裝在殼架上，殼架通過減震器安裝在中頻機(jī)組的頂部（電動機(jī)側(cè)）。

3 調(diào)速控制

調(diào)速裝置即變頻器，它將380 V、50 Hz的工頻電，經(jīng)過整流逆變后，轉(zhuǎn)化為某一電壓和頻率的交流電。將其接入電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，通過控制器控制變頻器輸出，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速原理框圖如圖3所示。

3.1 變頻調(diào)速原理

主回路工作電源由端子接口接入，接觸器與限流電阻并聯(lián)，串聯(lián)輸入濾波器和三相電抗器后與功率模塊連接。三相整流和三相逆變回路均采用IGBT可控功率模塊，主控制器發(fā)出的6路PWM脈沖信號通過光纖送到整流驅(qū)動板，由整流驅(qū)動板控制整流側(cè)IGBT模塊的通斷，使得直流母線電壓保持穩(wěn)定，并且輸入電流正弦化。同樣，主控制器發(fā)出的6路PWM脈沖信號經(jīng)光纖送到逆變驅(qū)動板，控制逆變測IGBT功率模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷，來控制中頻機(jī)組電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，使得轉(zhuǎn)速保持在給定值。

圖2 電阻箱圖

圖3 變頻調(diào)速原理框

機(jī)旁控制箱按下起動按鈕后，調(diào)速裝置收到繼電器的常開觸點信號，發(fā)出信號閉合機(jī)旁控制器內(nèi)的接觸器使得調(diào)速裝置主回路得電，通過限流電阻對直流母線電容進(jìn)行充電，當(dāng)電壓達(dá)到460V時閉合該回路中的接觸器切除限流電阻，則母線電壓繼續(xù)上升，5s后可控整流工作，發(fā)出控制IGBT的PWM脈沖。

在機(jī)旁控制箱將控制權(quán)交給調(diào)速裝置后，調(diào)速裝置輸出經(jīng)機(jī)旁控制箱內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)換開關(guān)與轉(zhuǎn)子直接連接。此時電機(jī)轉(zhuǎn)子靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動，調(diào)速裝置在電動機(jī)轉(zhuǎn)子中逐漸通入滿足幅值和相位要求的勵磁電流，在電動機(jī)定子側(cè)感應(yīng)出與電網(wǎng)幅值、相位、頻率完全相同的三相電壓后，閉合機(jī)旁控制箱內(nèi)的主接觸器，使得電動機(jī)定子重新與電網(wǎng)連接。然后功率由電網(wǎng)進(jìn)入定子，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升至額定轉(zhuǎn)速。

3.2 矢量控制技術(shù)

控制器通過“基于雙DSP的全數(shù)字化矢量控制策略”技術(shù)對雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵磁控制。具體的方案為采用定子磁鏈定向的矢量控制，通過引入坐標(biāo)變換，將轉(zhuǎn)子交流分量分解成有功分量和無功分量，并對之進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對電機(jī)有功和無功的解耦控制。此外，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式對雙饋電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以實現(xiàn)電動機(jī)具有較好的轉(zhuǎn)速特性。

調(diào)速裝置可控整流也采用電壓定向的矢量控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，將網(wǎng)側(cè)電流分解成有功電流分量和無功電流分量，對其進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的有功無功解耦控制。同時，電壓外環(huán)控制保證直流母線電壓的恒定。

艦用中頻機(jī)組作為艦載機(jī)的交流電源供給，采用雙饋調(diào)速的方式，可滿足艦載機(jī)對大功率及短時過載容量的要求。

4 結(jié)束語

艦面中頻機(jī)組采用雙饋調(diào)速的方法來調(diào)節(jié)中頻機(jī)組的轉(zhuǎn)速，即穩(wěn)定艦面中頻電源的頻率。利用雙饋調(diào)速技術(shù)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)的無功功率，無論負(fù)載大小、轉(zhuǎn)速高低，都可以使功率因數(shù)最優(yōu)，而且還可實現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償?shù)墓δ埽瑵M足了艦載機(jī)對于頻率指標(biāo)的要求。另外，雙饋調(diào)速不需調(diào)節(jié)全部傳動功率，變頻器功率只是傳動功率的一部分，能量損失小，效率高，實現(xiàn)了節(jié)約能源的思想。雙饋調(diào)速技術(shù)，可靠性高，提高了某型艦艦面電源系統(tǒng)抵御各類擾動的能力以維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

[1] 陳友龍，楊秀芹.航空地面電源[M].海軍航空工程學(xué)院青島分院出版社，2009.

[2] 張偉.靜變供電模式在艦面航空供電中應(yīng)用的可行性分析與總體設(shè)計[D].煙臺：海軍航空工程學(xué)院,2011.

[3] GJB572-88.飛機(jī)地面電源供電特性及一般要求[S].

[4] 周玲華,秦曉平.異步電動機(jī)的雙饋調(diào)速—一種中壓電動機(jī)經(jīng)濟(jì)可靠的節(jié)能調(diào)速方式[J].電力電子，2004,2（2）:40-43.

[5] 阮毅.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6] 上海電機(jī)廠有限公司.JZ-1型中頻發(fā)電機(jī)組[M].上海：上海電氣集團(tuán)，2010.