陽(yáng)開生

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艦船推進(jìn)變頻器過(guò)電壓抑制技術(shù)研究

陽(yáng)開生

（海軍駐成都中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院軍代室，成都 610200）

推進(jìn)變頻器是電力推進(jìn)艦船的動(dòng)力關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行可靠性關(guān)系著船舶運(yùn)行的安全性。過(guò)電壓是導(dǎo)致推進(jìn)變頻器損壞的重要原因之一，本文根據(jù)推進(jìn)變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析了其過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理，提出了基于壓敏電阻的過(guò)電壓抑制方法，分析了壓敏電阻的接入位置，對(duì)其抑制效果進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了抑制方法的有效性。

推進(jìn)變頻器 過(guò)電壓 壓敏電阻 抑制方法

0 引言

推進(jìn)變頻器是電力推進(jìn)艦船的核心控制設(shè)備之一，其運(yùn)行性能和可靠性直接關(guān)系著艦船的操控性和運(yùn)行安全性。因此對(duì)推進(jìn)變頻器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的可靠性進(jìn)行深入分析并提出相應(yīng)的防護(hù)措施是十分必要的。

造成電力電子器件損壞的主要原因是變頻器內(nèi)部運(yùn)行或外部供電導(dǎo)致的過(guò)電壓或者過(guò)電流。某個(gè)電力電子器件一旦損壞，很可能造成連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致變頻器損毀而無(wú)法運(yùn)行。過(guò)電流造成的器件損壞是通過(guò)熱效應(yīng)體現(xiàn)的，一般需要一段過(guò)程，對(duì)其防護(hù)可以通過(guò)緩沖電路結(jié)合電流反饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是過(guò)電壓可以瞬時(shí)擊穿電力電子器件的PN節(jié)，因此是推進(jìn)變頻器防護(hù)的重點(diǎn)。本文主要針對(duì)推進(jìn)變頻器過(guò)電壓原因及其防護(hù)措施進(jìn)行分析。

導(dǎo)致變頻器過(guò)電壓有外部因素和內(nèi)部因素。內(nèi)部因素是變頻器在運(yùn)行過(guò)程中由于某些運(yùn)行狀態(tài)引起的過(guò)電壓反應(yīng)，如器件換相或者逆變端支撐電容不平衡引起的過(guò)電壓等。外部因素是由變頻器的輸入端或輸出端電壓異常升高引起的，例如變頻器輸入斷路器操作導(dǎo)致電流的瞬態(tài)變化引起了過(guò)電壓，電力系統(tǒng)本身異常運(yùn)行引起了輸入過(guò)電壓，推進(jìn)電機(jī)在制動(dòng)運(yùn)行時(shí)能量反饋導(dǎo)致母線電容電壓泵升引起了過(guò)電壓等[1]。

對(duì)于變頻器內(nèi)部過(guò)電壓的防護(hù)保護(hù)，一般在變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制時(shí)進(jìn)行考慮，目前已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)。例如，對(duì)于電力電子器件工作狀態(tài)變化引起的尖峰過(guò)電壓，通常采用RCD吸收電路來(lái)進(jìn)行抑制。對(duì)于三電平逆變器中性點(diǎn)漂移引起的過(guò)電壓，一般采用改進(jìn)的具有中性點(diǎn)電壓平衡功能的SVPWM控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行抑制。對(duì)于控制脈沖誤發(fā)導(dǎo)致直通引起的過(guò)電壓可以通過(guò)PWM脈沖死區(qū)設(shè)置、提高信號(hào)控制精度等手段加以避免。

由于引起高壓變頻器外部過(guò)電壓的因素通常具有較大的隨機(jī)性，比如雷擊過(guò)電壓、電力系統(tǒng)異常運(yùn)行過(guò)電壓等，一般難以預(yù)測(cè)，因此也很難預(yù)防，一旦發(fā)生將會(huì)造成較大的危害。因此，本文針對(duì)推進(jìn)變頻器的外部過(guò)電壓進(jìn)行研究，分析外部過(guò)電壓的表現(xiàn)形式和防護(hù)方法。

1 推進(jìn)變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖1 推進(jìn)變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，由于推進(jìn)功率非常大（一般為數(shù)兆瓦以上），因此推進(jìn)變頻器需要采用中壓結(jié)構(gòu)，而多電平結(jié)構(gòu)是最好的選擇之一，圖1是一種采用二極管鉗位式三電平逆變器的推進(jìn)變頻器結(jié)構(gòu)[2]。其輸入端整流單元采用了十二脈波不控整流器結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)需要也可采用二十四脈波整流以減小輸入諧波，提高輸出電壓質(zhì)量。逆變單元采用了二極管鉗位式三電平逆變器，可以在提高逆變器輸出電壓幅值的同時(shí)降低輸出電壓諧波。如果要進(jìn)一步提高逆變器的功率，可以采用多個(gè)逆變器模塊并聯(lián)的形式，也可以采用更多的電平或者多個(gè)器件串聯(lián)[3]。逆變單元的輸出端設(shè)置了LC正弦濾波器，可以進(jìn)一步降低推進(jìn)變頻器的輸出諧波。

2 推進(jìn)變頻器的過(guò)電壓機(jī)理分析

推進(jìn)變頻器的外部過(guò)電壓是從輸入端或者輸出端對(duì)變頻器進(jìn)行影響的。對(duì)于輸入端而言，無(wú)論是操作引起的瞬時(shí)過(guò)電壓還是電力系統(tǒng)本身運(yùn)行引起的輸入過(guò)電壓，都會(huì)通過(guò)推進(jìn)變壓器傳導(dǎo)至整流器，進(jìn)而造成整流器輸出端，即直流母線電壓升高，導(dǎo)致后端逆變器中的電力電子器件承受過(guò)電壓而被擊穿損壞。

對(duì)于輸出端而言，其過(guò)電壓是由推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)引起的，例如當(dāng)停車或倒車工況要求推進(jìn)電機(jī)做制動(dòng)或者反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，由于推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于推進(jìn)變頻器的電氣慣性時(shí)間常數(shù)，使得推進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速在工況指令下達(dá)后的一段時(shí)間內(nèi)要大于變頻器輸出頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。因此推進(jìn)電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出的電將通過(guò)逆變器的反并聯(lián)二極管形成的整流器對(duì)推進(jìn)變頻器的直流母線電容充電，從而導(dǎo)致推進(jìn)變頻器的直流母線電壓升高，造成過(guò)電壓。

此外，推進(jìn)變頻器的外部短路故障也會(huì)引起變頻器逆變部分的過(guò)電壓。下面對(duì)這種外部短路引起的過(guò)電壓進(jìn)行詳細(xì)分析。

短路的形式有多種，如單相接地短路、三相接地短路、三相對(duì)稱短路以及相間短路等。

對(duì)于推進(jìn)變頻器輸出端單相接地短路這種情況，在短路的時(shí)候，發(fā)生對(duì)地短路故障的這一相的短路電流會(huì)迅速增大，并流經(jīng)輸出LC濾波器。短路電流的迅速增大意味著電流變化率d/d也增大，由于推進(jìn)變頻器線路中本身存在著電感，這樣電感元件感應(yīng)出來(lái)的電壓d/d隨之增大，從而在直流母線上形成過(guò)電壓，對(duì)逆變器中的電力電子器件造成損害。

對(duì)于逆變器輸出端發(fā)生相間短路這種情況，需要根據(jù)逆變器的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

三電平逆變器每個(gè)橋臂共有三種工作狀態(tài)，以A相橋臂為例：

工作狀態(tài)2：每個(gè)橋臂的上面兩個(gè)開關(guān)Ta1、Ta2導(dǎo)通，下面兩個(gè)開關(guān)Ta3、Ta4關(guān)斷，此時(shí)逆變器輸出極電壓AO=d/2。

工作狀態(tài)1：每個(gè)橋臂的中間兩個(gè)開關(guān)Ta2、Ta3以及鉗位二極管Da1、DA2導(dǎo)通，開關(guān)Ta1、Ta4關(guān)斷，此時(shí)逆變器輸出極電壓AO=0。

工作狀態(tài)0：每個(gè)橋臂的上面兩個(gè)開關(guān)Ta1、Ta2關(guān)斷，下面兩個(gè)開關(guān)Ta3、Ta4導(dǎo)通，此時(shí)逆變器輸出極電壓AO=-d/2。

下面分析幾種典型工作狀態(tài)時(shí)的母線過(guò)電壓情況。

如果發(fā)生A、B相間短路時(shí)，A相處于工作狀態(tài)2，B相處于工作狀態(tài)0，設(shè)為工況一（見圖2）。此時(shí)如果短路電流為正向，那么電流將經(jīng)過(guò)Ta1、Ta2、Tb3、Tb4和直流母線電容C1、C2形成回路。如果短路電流反向，那么短路電流將經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管Da1、Da2、Db3、Db4和直流母線電容C1、C2形成回路。回路的線路電阻非常小，因此短路電流非常大，同樣由于推進(jìn)變頻器線路中本身存在著電感，這樣電感元件感應(yīng)出來(lái)的電壓d/d隨之增大，從而在直流母線上形成過(guò)電壓，對(duì)逆變器中的電力電子器件造成損害。

如果發(fā)生A、B相間短路時(shí)，A相處于工作狀態(tài)2，B相處于工作狀態(tài)1，設(shè)為工況二（見圖3）。此時(shí)如果短路電流為正向，那么電流將經(jīng)過(guò)開關(guān)管Ta1、Ta2、Tb3、鉗位二極管Db6和直流母線電容C1形成回路。如果短路電流反向，那么短路電流將經(jīng)過(guò)鉗位二極管Db5、開關(guān)管Tb2、續(xù)流二極管Da1、Da2和直流母線電容C1形成回路，同樣會(huì)導(dǎo)致直流母線過(guò)電壓。

如果發(fā)生A、B相間短路時(shí)，A相處于工作狀態(tài)1，B相處于工作狀態(tài)0，設(shè)為工況三（見圖4）。此時(shí)如果短路電流為正向，那么電流將經(jīng)過(guò)鉗位二極管Da5、開關(guān)管Ta2、Tb3、Tb4和直流母線電容C2形成回路。如果短路電流反向，那么短路電流將經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管Db3、Db4、開關(guān)管Ta3、鉗位二極管Da6和直流母線電容C2形成回路，同樣會(huì)導(dǎo)致直流母線過(guò)電壓。

其它的一些工況，如A相處于工作狀態(tài)1，B相處于工作狀態(tài)0；A相處于工作狀態(tài)0，B相處于工作狀態(tài)2等情況也會(huì)造成推進(jìn)變頻器直流母線過(guò)電壓。而如果A相處于工作狀態(tài)2，B相也處于工作狀態(tài)2；A相處于工作狀態(tài)0，B相也處于工作狀態(tài)0等情況，則短路電流不會(huì)經(jīng)過(guò)直流母線支撐電容，因此不會(huì)造成推進(jìn)變頻器直流母線過(guò)電壓。

上述各種相間短路情況對(duì)直流母線電壓的影響情況總結(jié)如表1所示。

對(duì)于其它的推進(jìn)變頻器輸出端短路情況，如三相對(duì)稱短路和三相對(duì)地短路等，其分析方法和過(guò)程基本相同，結(jié)論也類似。短路電流通過(guò)推進(jìn)變頻器的直流環(huán)節(jié)支撐電容形成回路，由于存在著線路電感和工作電感，導(dǎo)致感應(yīng)電壓異常增大，從而在直流母線上形成過(guò)電壓，對(duì)后級(jí)的逆變電路器件造成影響。

表1 不同情況下相間短路對(duì)直流母線過(guò)電壓的影響

從上面分析的各種情況可以看出，各種情況的外部過(guò)電壓最終都表現(xiàn)為直流母線支持電容電壓的異常增高，從而對(duì)后級(jí)的逆變器器件造成過(guò)電壓。所以抑制推進(jìn)變頻器外部過(guò)電壓的關(guān)鍵之處在于抑制變頻器中間直流母線環(huán)節(jié)的過(guò)電壓。

3 基于壓敏電阻的過(guò)電壓抑制方法

壓敏電阻是一種金屬氧化物電阻，它的特性如圖5所示。正常工作時(shí)，壓敏電阻表現(xiàn)為高阻特性，只流過(guò)很小的漏電流。當(dāng)產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，壓敏電阻的阻值會(huì)迅速減小，把壓敏電阻兩端的電壓鉗位在它的殘壓，從而對(duì)與其并聯(lián)的設(shè)備起到保護(hù)作用。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，壓敏電阻又會(huì)恢復(fù)高阻狀態(tài)，不影響系統(tǒng)正常工作。

從壓敏電阻的工作特性來(lái)看，壓敏電阻要實(shí)現(xiàn)過(guò)壓抑制保護(hù)功能，需要與被保護(hù)對(duì)象并聯(lián)使用，才能把工作電壓鉗位在安全范圍內(nèi)。下面研究當(dāng)其應(yīng)用于電力推進(jìn)變頻器時(shí)應(yīng)當(dāng)接于什么位置，才能起到良好的過(guò)電壓抑制作用。

根據(jù)所提出的推進(jìn)變頻器的結(jié)構(gòu)，壓敏電阻的接入位置主要有四個(gè)地方，如圖6所示。分別是變頻器整流單元輸入端（位置1）、變頻器濾波單元輸出端（位置2）、變頻器中間直流母線（位置3）、變頻器逆變單元輸出端（位置4）。

位置1和位置2位于推進(jìn)變頻器的輸入端和輸出端，當(dāng)這兩處發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，雖然通過(guò)壓敏電阻的可以保證變頻器兩端發(fā)生的過(guò)電壓不會(huì)竄入變頻器，但是由于壓敏電阻的殘壓仍然要大于變頻器正常工作電壓，因此會(huì)導(dǎo)致輸入端的直流環(huán)節(jié)電感電流或者輸出端的濾波電感電流快速增大，產(chǎn)生較大的d/d尖峰電壓[4]，當(dāng)這個(gè)尖峰電壓和壓敏電阻的殘壓疊加在一起的時(shí)候，其總電壓峰值就會(huì)超過(guò)逆變單元器件工作的安全電壓，造成器件過(guò)壓損壞。

位置3位于推進(jìn)變頻器的中間直流母線位置，該位置所接的支撐電容本身起到電壓變化緩沖作用，如果所接的壓敏電阻保證在投入工作時(shí)的殘壓在逆變單元的安全工作電壓之下，那么就可保證推進(jìn)變頻器輸入端的過(guò)電壓得到有效抑制，保證電力電子器件安全工作，這就有效抑制了來(lái)自推進(jìn)變頻器的輸入端發(fā)生的過(guò)電壓。但是如果只在位置3一個(gè)位置接入壓敏電阻，對(duì)變頻器的輸出端短路造成的過(guò)電壓將不能得到很好的抑制。比如說(shuō)前面分析的變頻器輸出兩相之間發(fā)生短路，迅速增大的短路電流會(huì)通過(guò)濾波電感產(chǎn)生很大的過(guò)電壓d/d，該電壓直接竄入逆變器，造成逆變器器件遭受過(guò)電壓而損壞。如果在逆變單元之后、濾波單元之前，即位置4也接入一個(gè)壓敏電阻，則可以對(duì)這種短路造成的過(guò)電壓起到抑制作用。

綜上所述，要想對(duì)推進(jìn)變頻器的外部過(guò)電壓起到有效的抑制保護(hù)作用，比較簡(jiǎn)單可行的方式是在變頻器中接入壓敏電阻，壓敏電阻的接入位置應(yīng)該位于推進(jìn)變頻器中逆變單元的輸入側(cè)和輸出側(cè)。

4 壓敏電阻的過(guò)電壓抑制特性仿真

為了驗(yàn)證基于壓敏電阻的推進(jìn)變頻器過(guò)電壓抑制方案的有效性，按照?qǐng)D6的推進(jìn)變頻器結(jié)構(gòu)利用MATLAB/Power System建立推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)過(guò)電壓抑制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

壓敏電阻在推進(jìn)變頻器中的接入位置如圖6的位置3和位置4所示。仿真時(shí)，在變頻器正常運(yùn)行一段時(shí)間之后，突然增大變頻器輸入的交流電壓，用于模擬電力系統(tǒng)異常造成的推進(jìn)變頻器外部過(guò)電壓，這是推進(jìn)變頻器過(guò)電壓產(chǎn)生的典型情況[5]。

電網(wǎng)電壓正常工作時(shí)是6600 V，發(fā)生過(guò)電壓后跳變至66000 V。圖7是發(fā)生過(guò)電壓后，變頻器逆變單元的輸入端直流母線電壓的變化情況。圖7(a)是不加壓敏電阻時(shí)的情況，圖7(b)是加了壓敏電阻之后的情況。圖8是發(fā)生過(guò)電壓后，逆變器輸出交流電壓的變化情況。圖8(a)是不加壓敏電阻時(shí)的情況，圖8(b)是加了壓敏電阻之后的情況。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：如果不加壓敏電阻，在輸入電壓異常增大后，逆變器輸入直流母線電壓迅速增大到40 kV以上，逆變器的輸出線電壓峰值達(dá)到30 kV以上。而加了壓敏電阻之后，在輸入端發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，壓敏電阻迅速產(chǎn)生作用，把直流母線電壓鉗位限制在5500 V，比正常工作時(shí)增大不到一半，考慮到電力電子器件本身在使用上都留有約2倍的電壓裕量，因此不會(huì)造成后面的逆變器電力電子器件過(guò)壓損壞。逆變器的輸出電壓峰值在使用壓敏電阻保護(hù)后，其峰值電壓被限制在約4700 V左右，比正常工作的電壓也增加不大，在推進(jìn)電機(jī)可承受的安全工作范圍之內(nèi)。

(a)不加壓敏電阻

(b)加壓敏電阻

圖7 輸入過(guò)電壓故障逆變部分輸入電壓

(a)不加壓敏電阻

(b)加壓敏電阻

圖8 輸入過(guò)電壓故障逆變部分輸出AB線電壓

由此可見，壓敏電阻的使用有效地對(duì)推進(jìn)變頻器的外部過(guò)電壓起到了抑制作用。同時(shí)由于壓敏的工作特性，其過(guò)電壓時(shí)流過(guò)的電流迅速增大，減少了流過(guò)逆變器的過(guò)電流，對(duì)過(guò)電壓產(chǎn)生的額外浪涌能量起到了吸收緩沖作用。

5 結(jié)論

推進(jìn)變頻器的過(guò)電壓分內(nèi)部過(guò)電壓和外部過(guò)電壓兩種形式，內(nèi)部過(guò)電壓是由變頻器自身運(yùn)行引起的過(guò)電壓，一般可以通過(guò)變頻器緩沖電路設(shè)計(jì)以及控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行限制。外部過(guò)電壓是由雷擊、電力系統(tǒng)故障和推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等引起的過(guò)電壓，具有隨機(jī)性，危害大，是過(guò)電壓防護(hù)的重點(diǎn)。

大功率推進(jìn)變頻器的逆變部分采用典型三電平結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下無(wú)論是交流電源輸入引起的過(guò)電壓，還是電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)引起的過(guò)電壓，或是各種短路情況引起的過(guò)電壓，最終都變現(xiàn)為直流母線電壓升高造成過(guò)電壓。通過(guò)接入壓敏電阻可以對(duì)推進(jìn)變頻器外部過(guò)電壓起到抑制作用，其接入位置應(yīng)該分別位于推進(jìn)變頻器逆變模塊的輸入端和輸出端。仿真分析表明，本文所提出的推進(jìn)變頻器外部過(guò)電壓抑制方案是簡(jiǎn)潔有效的，能夠把過(guò)電壓抑制在電力電子器件能夠承受的安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)作用。

[1] 藍(lán)元良, 印永華, 周孝信. 大功率電力電子裝置過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)綜述[J]. 電力電子技術(shù), 2009, 39(3): 123-125.

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Over-voltage Suppressing of the Ship’s Propulsion Converter

Yang Kaisheng

(Naval Representatives Office in Nuclear Power Institute of China ,Chengdu 610200, Sichuan, China)

TN77

A

1003-4862（2017）04-0038-05

2017-01-10

陽(yáng)開生（1974-），男，工程師。專業(yè)方向：艦船動(dòng)力工程。E-mail: gfnui999@163.com