萬 叢，李成陽

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西門子S120變頻器在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

萬 叢，李成陽

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

變頻器作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其選型和配置非常重要，本文詳細(xì)介紹了西門子SINAMICS S120變頻器在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)研究了其硬件模塊和軟件功能設(shè)計(jì)，表明S120變頻器具有廣泛的適應(yīng)性，本文具有一定的工程實(shí)踐指導(dǎo)作用。

西門子SINAMICS S120 變頻器 電力推進(jìn)

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是指采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳來推動(dòng)船舶運(yùn)行的系統(tǒng)，一般由以下幾個(gè)部分組成：原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電板、變壓器、變頻器、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳及控制系統(tǒng)[1]，其基本組成如圖1所示。

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，大功率交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)日趨成熟，使電力推進(jìn)船舶在機(jī)動(dòng)性、可靠性、布置的靈活性、機(jī)槳匹配、運(yùn)行效率等方面都有了極大的提高，從而使船舶電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。變頻器作為船舶關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能直接決定了電力推進(jìn)系統(tǒng)的總體性能。

當(dāng)前船用變頻器市場(chǎng)快速發(fā)展，有豐富的產(chǎn)品可供選擇，西門子公司推出的SINAMICS S120系列低壓變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，使用靈活，可以針對(duì)不同船舶進(jìn)行量身定制，能夠進(jìn)行高效組態(tài)與快速調(diào)試，特別適合用于提供高性能的船用電力推進(jìn)系統(tǒng)。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成示意圖

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)介紹

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，諧波電流會(huì)降低發(fā)電機(jī)的效率，造成電機(jī)額外的發(fā)熱和振動(dòng)，引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。根據(jù)諧波抑制的原理不同，電力推進(jìn)系統(tǒng)可以分為DFE（Diode Front End）和AFE（Active Front End）方案，SINAMICS S120變頻器對(duì)上述兩種方案均可以提供良好的支持。

1.1 DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)

DFE是當(dāng)前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)方案，其前端采用不控整流器件，如圖2所示為采用DFE方案的某電力推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化單線圖。

圖2 DFE方案電力推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化單線圖

如上圖所示，推進(jìn)變壓器副邊的兩個(gè)繞組相差30°電角度，則變壓器原邊將不存在6k±1（k=1，2…）次諧波電流，只存在最低12k±1（k=1，2…）次諧波電流，即所謂的12脈波整流。左右舷推進(jìn)變壓器T1、T2原邊相差15°電角度，當(dāng)左右推進(jìn)功率相當(dāng)時(shí)，發(fā)電機(jī)側(cè)的12k±1（k=1，2…）次諧波電流將會(huì)抵消，只存在最低24k±1（k=1，2…）次諧波電流，但如果左右推進(jìn)功率不一致，將只能抵消部分12k±1（k=1，2…）次諧波電流，即虛擬24脈波整流。

1.2 AFE電力推進(jìn)系統(tǒng)

AFE電力推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)的不同之處在于前者推進(jìn)變頻器采用了全控型電力電子器件IGBT代替了二極管整流，構(gòu)成PWM整流器，可以實(shí)現(xiàn)完美無諧波。其直流母線電壓可控，無需配置前端移相變壓器，變頻器輸出電壓可以適當(dāng)調(diào)高，減小了電機(jī)電流及線路壓降。能量可以雙向流動(dòng)，因此省去了制動(dòng)單元。功率因數(shù)可等于1，提高了系統(tǒng)效率[2]。

AFE方案是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

2 S120變頻器硬件模塊研究

SINAMICS S120系列變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，主要組成部分如下[3]：

控制單元：整個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制部分；

電源模塊：將交流轉(zhuǎn)換為直流；

電機(jī)模塊：將直流轉(zhuǎn)換為交流，為電機(jī)提供交流變頻電源；

直流母線組件：在DFE系統(tǒng)中用于加快制動(dòng)過程及限制短暫制動(dòng)時(shí)的直流母線電壓，包括制動(dòng)模塊和制動(dòng)電阻；

傳感器模塊：編碼器模塊、電壓傳感模塊等；

端子模塊和選件板：根據(jù)需要可連接或插入I/O板和通訊板。

SINAMICS S120變頻器船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 S120變頻器船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示為DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)，電源模塊為BLM（Basic Line Module）型，直流母線一般需要配備制動(dòng)模塊及制動(dòng)電阻。若為AFE電力推進(jìn)系統(tǒng)，則電源模塊需為ALM（Active Line Module）型，可以省去直流母線組件。

SINAMICS S120變頻器功率覆蓋范圍0.12~4500 kW，功率模塊散熱可選風(fēng)冷或水冷，可以滿足絕大多數(shù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)需求及船規(guī)要求。創(chuàng)新的DRIVE-CLiQ器件級(jí)智能網(wǎng)絡(luò)連接允許SINAMICS S120各模塊之間快速組態(tài)及可靠通訊，簡(jiǎn)化了成柜內(nèi)部布線，加快了工程調(diào)試進(jìn)度。

3 S120變頻器軟件功能設(shè)計(jì)

SINAMICS S120變頻器提供了配套的調(diào)試軟件STARTER，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)控、修改參數(shù)、故障檢測(cè)和復(fù)位、數(shù)據(jù)跟蹤記錄、電機(jī)辨識(shí)和自動(dòng)優(yōu)化等強(qiáng)大功能。

SINAMICS S120變頻器采用BICO技術(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及編程，BICO技術(shù)是一種很靈活的把輸入和輸出功能聯(lián)系在一起的設(shè)置方法，可以方便用戶根據(jù)實(shí)際工藝需求來靈活定義端口。

SINAMICS S120變頻器提供了基于BICO技術(shù)的邏輯運(yùn)算塊、算數(shù)運(yùn)算塊等自由功能塊，可以使用戶實(shí)現(xiàn)自定義的功能。

此外SINAMICS S120變頻器還具有DCC（Drive Control Chart）自由編程功能，DCC是西門子專為SINAMICS變頻器/SIMOTION控制器提供的一種可編程環(huán)境，用圖形化的編程語言CFC（Continuous Function Chart）來實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)功能工具包，允許用戶通過編寫程序來完成特定工藝需求，更加拓寬了其應(yīng)用范圍[4]。

下面詳細(xì)介紹基于SINAMICS S120變頻器的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)常用功能軟件設(shè)計(jì)。

3.1 遠(yuǎn)程/就地操控切換

船舶操控地點(diǎn)一般為駕控室、機(jī)旁，有的還增加了集控室。當(dāng)駕控室遠(yuǎn)程操控失效時(shí)，則需要保證集控室或機(jī)旁就地操控有效，通過應(yīng)急車鐘傳遞指令，確保船舶動(dòng)力處于受控狀態(tài)，避免發(fā)生海上安全事故。

SINAMICS S120變頻器可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/就地操控切換。其采用CDS（Command Data Set）切換來實(shí)現(xiàn)操控地點(diǎn)的切換，1套CDS包括控制指令（起/停、使能等）及設(shè)定值（轉(zhuǎn)速給定等），其切換原理如圖4所示[5]。

如圖所示，其通過p0170設(shè)置CDS數(shù)量，最多可設(shè)置4套CDS，通過p0810及p0811來選擇不同CDS，實(shí)現(xiàn)在不同操控地點(diǎn)之間的切換。

3.2 轉(zhuǎn)速模式/功率模式切換

SINAMICS S120變頻器可以提供高性能的矢量控制，可進(jìn)行高精度的有/無編碼器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在良好海況條件下，螺旋槳負(fù)載平穩(wěn)，采用轉(zhuǎn)速控制模式可以獲得很好的船舶操控性能。當(dāng)海況條件惡劣時(shí)，螺旋槳負(fù)載波動(dòng)大、隨機(jī)性強(qiáng)，甚至可能發(fā)生螺旋槳躍出水面，此時(shí)若依然采用轉(zhuǎn)速控制模式，則會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)輸出功率劇烈變化，引起船舶電網(wǎng)穩(wěn)定性下降，帶來全船失電的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要采用功率控制模式。采用DCC實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速模式/功率模式切換功能框圖5所示[6]。

圖4 CDS切換原理示意圖

圖5 轉(zhuǎn)速模式/功率模式切換功能原理框圖

如上圖所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速模式/功率模式切換信號(hào)為0時(shí)，變頻器轉(zhuǎn)速給定值來自就地或遠(yuǎn)程的模擬量給定，通過功率限制模塊來進(jìn)行變頻器功率限制，保護(hù)機(jī)組負(fù)載安全。當(dāng)轉(zhuǎn)速模式/功率模式切換信號(hào)為1時(shí)，變頻器功率限制值來自就地或遠(yuǎn)程的模擬量給定，轉(zhuǎn)速給定強(qiáng)制為100%，此時(shí)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速斜坡上升，當(dāng)變頻器功率達(dá)到功率限制值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到飽和。

3.3 功率限制

功率限制功能的主要作用是在轉(zhuǎn)速控制模式下，當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷過高，變頻器能夠逐步限制推進(jìn)功率，使機(jī)組負(fù)荷始終維持在安全水平，或者當(dāng)某臺(tái)機(jī)組發(fā)生重故障停機(jī)等其他嚴(yán)重故障時(shí)，變頻器能夠快速限制推進(jìn)功率，防止全船失電，即圖5所示功率限制模塊的功能。

SINAMICS S120變頻器可以通過端子模塊采集所有發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)狀態(tài)及負(fù)荷率，當(dāng)某臺(tái)機(jī)組負(fù)荷率過高時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率限制，當(dāng)某臺(tái)機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)等其他嚴(yán)重故障時(shí)，進(jìn)行快速功率限制，然后根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)功率限制或解除功率限制。SINAMICS S120變頻器還可以通過PROFIBUS-DP/PROFINET總線或硬線向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送功率限制狀態(tài)報(bào)警。

上述功能可以通過DCC自由編程功能實(shí)現(xiàn)。

3.4 外部報(bào)警/故障

對(duì)于某些變頻器外部報(bào)警/故障，其嚴(yán)重影響變頻器運(yùn)行安全，需要對(duì)其做連鎖等處理。S120變頻器可以自定義若干外部報(bào)警或者故障，通過外部信號(hào)觸發(fā)，如圖6所示。

圖6 外部報(bào)警/故障處理示意圖

如圖6所示，S120變頻器可以設(shè)置3路外部報(bào)警/故障，如果不夠用，還可以使用DCC自由編程功能，通過STM功能塊自定義更多外部報(bào)警/故障，如圖7所示。

圖7 DCC自由編程STM功能塊

如圖7所示，通過MN設(shè)置報(bào)警/故障號(hào)，通過MV設(shè)置報(bào)警/故障附加信息，通過S位上升沿觸發(fā)報(bào)警/故障，同時(shí)Q位變?yōu)?，表示報(bào)警/故障激活。

4 總結(jié)

本文對(duì)西門子SINAMICS S120系列低壓變頻器在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用做了詳細(xì)說明，通過對(duì)變頻器硬件模塊的介紹和軟件功能的研究，表明S120變頻器具有適應(yīng)性廣、調(diào)試便捷等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)的船舶提供性能優(yōu)良、可靠的電力推進(jìn)系統(tǒng)。

[1] 芮江, 由大偉. 艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2010, (04): 3-6.

[2] 孫玉良. 有源前端變頻器在船舶電力推進(jìn)中的應(yīng)用[J]. 上海造船, 2009, (02): 30-32.

[3] SIEMENS SINAMICS S120設(shè)備選型手冊(cè)[Z]. 2013.

[4] SIEMENS SINAMICS S120安裝調(diào)試手冊(cè)[Z]. 2013.

[5] 杜旭. 變頻器的工作原理和控制方式[J]. 科技資訊, 2006, (24): 32.

[6] 施坪, 程桯, 王軼, 劉家輝. 西門子S120變頻裝置的調(diào)試應(yīng)用[J]. 變頻器世界, 2014, (09): 91-94, 63.

The Application of SIEMENS S120 Inverter to Marine Electric Propulsion System

Wan Cong, Li Chengyang

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

TH311

A

1003-4862（2017）06-0069-04

2017-02-14

萬叢（1988-），男，工程師。研究方向：控制工程。E-mail: wan.cong@qq.com