李軍政，劉 佳

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船用低壓大功率AFE推進(jìn)變頻器的研究

李軍政，劉 佳

（海軍裝備部裝備采購(gòu)中心，北京100073）

本文通過(guò)主回路、硬件電路、軟件控制算法和水冷散熱幾個(gè)方面對(duì)船用低壓有源前端推進(jìn)變頻器進(jìn)行了較為詳細(xì)的理論介紹，針對(duì)船用設(shè)備對(duì)體積、重量和散熱等方面的特殊要求進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)的有效探索，最后通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性與工程化的可實(shí)現(xiàn)性。

有源前端 主回路 推進(jìn)變頻器

0 引言

船舶采用電力調(diào)速系統(tǒng)作為推進(jìn)動(dòng)力已有近百年歷史，隨著發(fā)電系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得交流調(diào)速技術(shù)已逐步應(yīng)用到各種船舶推進(jìn)系統(tǒng)及近海設(shè)備中[1]。本文將有源前端取代傳統(tǒng)不控整流單元，AFE整流單元和逆變單元均采用高開(kāi)關(guān)頻率的IGBT作為主功率器件，采用先進(jìn)的AFE整流技術(shù)及國(guó)外最新應(yīng)用在電力推進(jìn)上的有源前端（AFE）方案，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)可以寬范圍（-1～1）調(diào)整輸入的功率因數(shù)，降低對(duì)船用電網(wǎng)的諧波污染[2]。

考慮到船用設(shè)備對(duì)體積、重量和產(chǎn)品維護(hù)方面的要求，變頻器產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循：

1)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，以最少規(guī)格種類(lèi)的器件及材料選型、有限的基本組件為核心，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)柜組合實(shí)現(xiàn)要求的產(chǎn)品；

2)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)依次貫徹到“核心元件/模塊—>基本組件—>單元柜—>特定產(chǎn)品”四級(jí)之中；

3)基本組件應(yīng)按不同的功能分類(lèi)，包括整流組件、逆變組件、驅(qū)動(dòng)控制器組件、輔助配電組件、控制軟件；

4)在要求功率范圍內(nèi)能夠通過(guò)柜體組合實(shí)現(xiàn)不同的功率、功能。

基于以上考慮，通過(guò)主回路、硬件電路、軟件控制算法和水冷散熱的技術(shù)設(shè)計(jì)以及工程實(shí)現(xiàn)，將成熟的AFE變頻器產(chǎn)品應(yīng)用到船舶主/側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)。

1 AFE變頻器基本功能要求及構(gòu)成

船用低壓AFE變頻器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)變頻器）按電路功能可分為整流單元、逆變單元、輸入濾波單元、輸出濾波單元、控制及輔助電路單元、水冷單元。推進(jìn)變頻器主回路拓?fù)洳捎媒恢苯煌負(fù)浞桨福娏﹄娮又骰芈凡捎媚K化設(shè)計(jì)，力求達(dá)到較大的功率密度和高可靠性，滿(mǎn)足船用設(shè)備對(duì)體積和重量的要求。功率柜的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，便于變頻器維修，擴(kuò)容。

1.1可控整流單元

單臺(tái)變頻器的整流部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用與逆變部分相同的拓?fù)浼夹g(shù)。整流組件及逆變組件的驅(qū)動(dòng)脈沖由電機(jī)控制芯片分配給各逆變模塊。

在整流單元的輸入端加裝壓敏電阻，防止變頻器輸入浪涌電壓以及操作過(guò)電壓的產(chǎn)生損壞變頻器。同時(shí)根據(jù)變頻器電磁兼容的要求，在設(shè)備輸入端安裝高頻Y1級(jí)安規(guī)電容抑制電快速瞬變脈沖群。

1.2進(jìn)線(xiàn)濾波單元

進(jìn)線(xiàn)濾波單元采用LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要作用是抑制AFE到電網(wǎng)的諧波同時(shí)減小開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力。

LCL濾波柜內(nèi)的主要部件有交流輸入熔斷器、LCL濾波、信號(hào)采集模塊以及傳感器組成。

LCL濾波采用模塊化設(shè)計(jì)，冷卻方式采用水冷為主，輔助風(fēng)冷的方式。風(fēng)機(jī)安裝在模塊頂部。LCL濾波模塊采用下進(jìn)后出的走線(xiàn)方式，利用背部空間將三相交流排引至整流柜。

1.3 逆變單元

逆變單元是變流器的核心部分。設(shè)計(jì)時(shí)在保證電氣間隙和爬電距離的同時(shí)，盡量使其電氣布置，結(jié)構(gòu)體積達(dá)到最優(yōu)效果?？紤]到船用設(shè)備的使用條件，功率組件采用水冷散熱方式，可以有效的提高組件的散熱效果和功率密度。水冷散熱板通過(guò)分水管與變流器內(nèi)部主水管相連，熱量通過(guò)內(nèi)部循環(huán)水帶出。IGBT驅(qū)動(dòng)板采用光纖驅(qū)動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電、弱電分離，降低電磁干擾影響[3]。

功率單元模塊包括為直流環(huán)節(jié)電容及功率器件，通過(guò)層壓母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)直流環(huán)節(jié)電容與功率器件的電氣連接。為方便維修，逆變組件采用立式安裝，并裝配扶手，在組件故障時(shí)，通過(guò)扶手將組件通過(guò)軌道拖出。為防止水管接頭漏水對(duì)功率器件造成的影響，逆變模塊采用立式放置的方式，同時(shí)水管接頭位于逆變模塊的底部，這樣即使漏水，也不至于對(duì)功率模塊造成影響。

1.4 輸出d/d單元

為了盡可能降低逆變器輸出PWM波形的電壓上升率，降低對(duì)電機(jī)繞組的絕緣應(yīng)力，同時(shí)在長(zhǎng)電纜應(yīng)用場(chǎng)合，降低在電機(jī)繞組上的過(guò)電壓，在逆變器輸出端加裝d/d濾波器。輸出d/d濾波器由濾波電感，濾波電容及濾波電阻組成。

1.5 水冷單元

冷卻系統(tǒng)采用水-水冷卻方式。變頻器裝置以純水作為主冷卻介質(zhì)，變流器內(nèi)部功率器件熱損耗通過(guò)水冷板內(nèi)部循環(huán)冷卻介質(zhì)冷卻，內(nèi)循環(huán)冷卻介質(zhì)將熱損耗通過(guò)水冷單元內(nèi)部的板式換熱器傳遞給外冷卻介質(zhì)（工業(yè)淡水或海水），將變頻器內(nèi)部熱量帶走。冷卻系統(tǒng)設(shè)有排氣與過(guò)濾系統(tǒng)、具備溫度、壓力等監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能、具備補(bǔ)水及排水功能。為提高水冷設(shè)備的可靠性，循環(huán)水泵采用兩臺(tái)并聯(lián)互為備份的運(yùn)行方式。

2 AFE變頻器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻器控制系統(tǒng)只要由硬件電路和軟件編程實(shí)現(xiàn)，以下分別進(jìn)行敘述。

控制系統(tǒng)硬件由PLC邏輯控制器、OP用戶(hù)操作面板、硬件控制機(jī)箱、分布在柜體內(nèi)的底層控制器及功率模塊驅(qū)動(dòng)組件組成。控制機(jī)箱提供功率模塊IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，操作面板與控制機(jī)箱之間采用RS232總線(xiàn)進(jìn)行通訊，控制機(jī)箱與PLC采用RS485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，控制機(jī)箱與底層管理模塊間通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)信息交互。

機(jī)箱控制器是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的核心控制算法實(shí)現(xiàn)，功率模塊IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生，變頻器參數(shù)設(shè)定與管理，位置與轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，故障處理與保護(hù)，人機(jī)信息交互，與PLC邏輯控制器及底層控制器的通訊等。機(jī)箱控制器基本配置由電源板、CPU板、調(diào)理板、IO板、通訊轉(zhuǎn)接板和光纖板組成，可根據(jù)變頻器的實(shí)際需求，可配置溫度巡檢板卡、FPGA擴(kuò)展板卡、光纖擴(kuò)展板卡和背板等。CPU板由DSP、CPLD以及一些外圍擴(kuò)展電路組成?？蓪?shí)現(xiàn)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等復(fù)雜的控制算法運(yùn)算、生成PWM信號(hào)、信號(hào)采集、系統(tǒng)保護(hù)、電機(jī)位置及速度檢測(cè)、與上位機(jī)通訊等功能[4]。信號(hào)調(diào)理板完成電壓、電流信號(hào)的檢測(cè)、故障判斷及報(bào)警功能，將調(diào)理后的數(shù)據(jù)送至CPU板的外部ADC進(jìn)行采樣，并通過(guò)SPI總線(xiàn)將故障信息傳送至CPU板。

PLC邏輯控制器主要由PLC控制器及控制繼電器組成，主要完成通訊工作及變頻器的開(kāi)關(guān)量控制。

用戶(hù)在變頻器機(jī)旁通過(guò)操作面板對(duì)變頻器操作。與機(jī)箱控制器進(jìn)行通訊，可設(shè)定變頻驅(qū)動(dòng)裝置的控制指令、控制對(duì)象的電參數(shù)、變流器參數(shù)和控制軟件的調(diào)節(jié)參數(shù)，并將變頻器運(yùn)行參數(shù)與報(bào)警及故障信息顯示在面板上。

底層控制器安裝于各柜體內(nèi)，是各個(gè)柜體的現(xiàn)場(chǎng)信息處理單元，負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并通過(guò)CAN總線(xiàn)送入機(jī)箱控制器進(jìn)行綜合管理。

3 AFE變頻器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將軟件系統(tǒng)分為四部分：變頻器底層控制器、變頻器控制機(jī)箱、變頻器邏輯處理單元、變頻器操作顯示單元，各部分分工明確。

3.1變頻器操作顯示單元

完成變頻器的就地操作，包括操作指令、給定參數(shù)（如轉(zhuǎn)速）的設(shè)定以及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。

3.2變頻器邏輯處理單元（PLC）

完成PLC與變頻器控制機(jī)箱中CPU板的數(shù)據(jù)交換和PLC與遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)數(shù)據(jù)交換；接收遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)發(fā)送的變頻器操作指令，下載給變頻器；接收變頻器控制機(jī)箱中發(fā)送的變頻器實(shí)時(shí)狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)；完成變頻器內(nèi)部數(shù)字信號(hào)的采集、處理和變頻器內(nèi)部數(shù)字信號(hào)輸出，包括控制機(jī)箱故障、控制柜門(mén)按鈕等信號(hào)采集，經(jīng)設(shè)定的邏輯處理后，輸出柜門(mén)指示燈和緊急停機(jī)等信號(hào)；完成變頻器外部數(shù)字/模擬量信號(hào)的采集、邏輯處理和變頻器外部數(shù)字/模擬量信號(hào)輸出。

3.3變頻器控制機(jī)箱

變頻器控制機(jī)箱為變頻器內(nèi)核心控制器。

a)完成與變頻器底層控制器信息收集，定時(shí)向底層控制器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，接收回應(yīng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行打包處理；b)完成與PLC數(shù)據(jù)交換，接收PLC發(fā)送的操作指令，執(zhí)行相應(yīng)處理；發(fā)送變頻器實(shí)時(shí)狀態(tài)給PLC；c)完成與OP數(shù)據(jù)交換，接收OP發(fā)送的操作指令，執(zhí)行相應(yīng)處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給PLC；發(fā)送變頻器實(shí)時(shí)狀態(tài)、變頻器參數(shù)給OP，便于狀態(tài)顯示；d)根據(jù)接收的變頻器參數(shù)，結(jié)合采樣的模擬量、數(shù)字量信號(hào)和控制算法、調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)變頻器的硬件、軟件保護(hù)；e)完成變頻器內(nèi)模擬量的采集（輸入電壓、直流電壓、輸入電流等）、處理，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、處理，結(jié)合控制算法、調(diào)制策略和接收指令，實(shí)現(xiàn)變頻器的控制；f)完成變頻器內(nèi)模擬量的采集（直流電壓、輸出電流等）、處理，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、處理，結(jié)合控制算法、調(diào)制策略和接收指令，實(shí)現(xiàn)變頻器的恒轉(zhuǎn)速、恒功率、轉(zhuǎn)速限制、功率限制等控制功能[5]；g)完成變頻器內(nèi)功率器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)；h)完成變頻器內(nèi)運(yùn)行參數(shù)（電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率、功率因數(shù)等）計(jì)算；i)完成變頻器外數(shù)字信號(hào)的采集、處理、輸出，并按預(yù)定邏輯處理。

3.4 變頻器底層控制器

完成與控制機(jī)箱中數(shù)據(jù)交換，接收發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，返回底層控制器采集的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)信息；

完成各功率柜內(nèi)部IO信號(hào)采集、處理，輸出相應(yīng)IO信號(hào)。

4 仿真與試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)理論和原理進(jìn)行了一系列的仿真和試驗(yàn)，按圖1所示搭建仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文負(fù)載采用星形聯(lián)結(jié)的異步電機(jī)，變頻器輸出額定電壓為660 V，額定電流為310 A。用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證上面AFE有源前端。

從圖3和圖4中可以看到，采用文中所述主回路和控制系統(tǒng)搭建的仿真平臺(tái)，以1個(gè)整流組件為仿真對(duì)象，在輸入電壓為660 V時(shí)，直流母線(xiàn)電壓可以穩(wěn)定在1050 V左右，輸入電流在580 A左右，且正弦度良好。接上異步電機(jī)負(fù)載，變頻器整機(jī)實(shí)驗(yàn)輸出電壓、電流波形如圖5所示。

5 結(jié)論

本文對(duì)船用低壓AFE推進(jìn)變頻器進(jìn)行了較為詳細(xì)的理論介紹，針對(duì)船用設(shè)備對(duì)體積、重量和散熱等方面的特殊要求進(jìn)行了針對(duì)性的工程化的有效探索，最后通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性與工程化的可實(shí)現(xiàn)性，為在船用推進(jìn)變頻器上推廣和使用奠定了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

[1] C.G. Hodge, D.J.Mattick. The electric warship[J]. Transaction on International Marine Engineering, 108, part2, 1996:109-125.

[2] 張凱,楊兵紅,等. 能量可雙向流動(dòng)變頻調(diào)速設(shè)備的集成控制器. 電氣傳動(dòng),.2016, 46（8）:16-20.

[3] 王斯然. 異步電機(jī)高性能變頻器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.博士學(xué)位論文, 浙江大學(xué), 2011.

[4] 萬(wàn)山明.T MS320F2812/2810 原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2007.

[5] J.Holtz. Sensorless control of induction motor drives[J]. Proceedings of the IEEE, 2002, 90(8):1359-1394.

Study on Low-voltage High-Power Marine Propulsion Converter

Li Junzheng, Liu Jia

（Procurement Center of the Naval Equipment Department，Beijing 100073,China）

TM461

A

1003-4862（2017）05-0011-04

2017-04-15

李軍政(1977-)，男，工程師。研究方向：船用變頻器。