船用推進(jìn)變頻調(diào)速裝置保護(hù)技術(shù)研究

李強(qiáng)，阮會，周艷紅

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船用推進(jìn)變頻調(diào)速裝置保護(hù)技術(shù)研究

李強(qiáng)，阮會，周艷紅

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

推進(jìn)變頻調(diào)速裝置是船用電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，一旦損壞不能正常運(yùn)行，將導(dǎo)致全船整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)癱瘓，失去前進(jìn)動力。基于推進(jìn)變頻調(diào)速裝置在船用電力推進(jìn)系統(tǒng)中的重要使命，本文針對船用變頻調(diào)速裝置可能存在的故障類型進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)故障類型的保護(hù)要求，給出了保護(hù)方法，并對關(guān)鍵保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，證明了保護(hù)方法的可實(shí)現(xiàn)與有效，提高了船用動力系統(tǒng)的可靠性，具有較高的理論研究價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

變頻調(diào)速裝置 故障類型 保護(hù)方法

0 引言

船用電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻調(diào)速裝置（又稱為推進(jìn)變頻器）、推進(jìn)電機(jī)、開關(guān)等組成，如圖1所示。推進(jìn)變頻調(diào)速裝置將船舶電網(wǎng)的交流恒頻恒壓電轉(zhuǎn)換為頻率及電壓可調(diào)的變頻電源，用以改變負(fù)載推進(jìn)電動機(jī)及螺旋槳的轉(zhuǎn)速，并最終完成船舶航速及航姿的調(diào)節(jié)。推進(jìn)變頻調(diào)速裝置是船用電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，一旦出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)行，輕則使得船舶不能全速航行，重則導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)癱瘓，失去前進(jìn)動力。

本文重點(diǎn)針對變頻調(diào)速裝置主要保護(hù)問題，提出相應(yīng)的保護(hù)措施及設(shè)計(jì)方法，以期避免變頻調(diào)速裝置相關(guān)故障的發(fā)生或即使故障發(fā)生后，也能快速切除故障，保障全船動力設(shè)備安全。

1 保護(hù)方法

1.1 過電流保護(hù)

目前，船用推進(jìn)變頻器針對過流保護(hù)主要采用快速熔斷器加電流傳感器檢測相結(jié)合的方式，快速熔斷器是目前廣泛應(yīng)用的一種保護(hù)措施，在發(fā)生過電流時(shí)，利用其快速熔斷特性和二極管過載特性相配合，使其先期熔斷并切斷電路，保護(hù)器件?？焖偃蹟嗥骶哂型ㄟ^電流越大，熔斷時(shí)間越短的特點(diǎn)，適合做短路保護(hù)，但不宜做過載保護(hù)。

變頻調(diào)速裝置過電流保護(hù)同時(shí)還通過電流傳感器檢測來實(shí)現(xiàn)。電流傳感器將檢測到的電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理板轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號傳送至DSP板，DSP比較檢測的電流值與過流閥值，電流一旦超過設(shè)定閥值，DSP板將迅速閉鎖所有功率器件脈沖，同時(shí)分?jǐn)噍斎腴_關(guān)柜。當(dāng)變頻調(diào)速裝置所用功率器件選用IGCT，并且橋臂出現(xiàn)直通時(shí)，該方法可起到防止故障擴(kuò)大的作用。

變頻調(diào)速裝置運(yùn)行時(shí)或工況轉(zhuǎn)變中，當(dāng)負(fù)載突變，電流可能急劇增大。為了保護(hù)變頻器的安全，當(dāng)傳感器檢測到輸出電流增大到設(shè)定閥值時(shí)，控制系統(tǒng)封鎖脈沖，同時(shí)分?jǐn)嚅_關(guān)柜，以保護(hù)變頻設(shè)備的安全。

此外，還可在變頻驅(qū)動裝置的輸入端設(shè)置交流斷路器，斷路器中設(shè)置有鐘保系統(tǒng)，由斷路器中電流檢測單元（如電流傳感器）實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)輸入電流，采樣形成輸入電流信號，再將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送至電壓比較器，與鐘保系統(tǒng)中過流整定值比較。在變頻調(diào)速裝置發(fā)生過載或短路時(shí)，電流信號超過鐘保系統(tǒng)中過流整定閥值，鐘保系統(tǒng)可控制快速分?jǐn)鄶嗦菲鏖_關(guān)。

1.2 過電壓保護(hù)

變頻調(diào)速裝置過電壓保護(hù)是變頻調(diào)速裝置中間直流電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，在變頻調(diào)速裝置實(shí)際運(yùn)行中引起直流母線過壓故障的原因較多，可以采取的措施也較多。

一般能引起中間直流回路過電壓的原因主要來自以下兩個(gè)方面：

1）來自電源輸入側(cè)的過電壓

電源輸入側(cè)的過電壓主要為電源側(cè)的沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、斷路器在合閘或斷開時(shí)形成的操作過電壓等，主要特點(diǎn)是電壓變化率和幅值都很大。

2)來自負(fù)載側(cè)的過電壓

主要為電動機(jī)因設(shè)定頻率突降而減速或負(fù)載突卸等原因使電動機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通過逆變單元的續(xù)流二極管回饋到變頻調(diào)速裝置的中間直流單元中，由于船用電網(wǎng)的孤島特性，選用的整流單元為二極管不控整流，能量不能回饋電網(wǎng)。此時(shí)變頻調(diào)速裝置直流支撐電容充電，使直流母線電壓升高，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致過電壓。

船用變頻調(diào)速裝置中對過電壓的處理主要包括以下兩種方法: 1）設(shè)定合理控制系統(tǒng)參數(shù)，采用延長變頻調(diào)速裝置減速時(shí)間的方法來解決。而對于負(fù)載突卸過電壓故障，可在負(fù)載突卸前，將變頻調(diào)速裝置的輸出頻率作適當(dāng)提升，減少負(fù)載側(cè)過多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過電壓故障。

2）設(shè)置制動單元吸收直流母線過電壓

目前針對船用電網(wǎng)的孤島特性，在直流單元出現(xiàn)過電壓時(shí)不能將能量回饋至船用電網(wǎng)。船用變頻調(diào)速裝置直流母線過壓常用的方法為在直流單元直流側(cè)并聯(lián)制動單元，通過開關(guān)器件將這部分能量消耗在制動電阻上，保護(hù)變頻調(diào)速裝置的安全，同時(shí)提高電機(jī)的制動能力。

制動單元根據(jù)功率器件、主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同主要有以下幾種型式，如圖3所示。圖3（a）、（b）分別為IGBT、IGCT兩電平制動單元結(jié)構(gòu)型式，圖3（c）、（d）分別為IGBT、IGCT三電平制動單元結(jié)構(gòu)型式。圖中R為制動電阻。

3）設(shè)置避雷器或壓敏電阻

避雷器、壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)而成的非線性電阻元件，具有明顯的擊穿電壓。在施加電壓低于擊穿電壓時(shí)，漏電流僅為毫安級，損耗?。辉谑┘与妷撼^擊穿電壓時(shí)，可以通過很大的浪涌電流，對雷擊過電壓、操作過電壓有很好的吸收效果。

1.3 中點(diǎn)電位不平衡保護(hù)

目前，由于電力電子器件耐壓水平的原因，中壓船用推進(jìn)變頻調(diào)速裝置主電路主要采用三電平結(jié)構(gòu)型式。變頻調(diào)速裝置直流側(cè)包含正母線、負(fù)母線和零母線。正母線與零母線之間、負(fù)母線與零母線之間分別安裝有直流支撐電容組，正負(fù)兩組支撐電容上電壓不均衡稱為中點(diǎn)電位不平衡。

中點(diǎn)電壓不平衡問題是二極管鉗位型三電平逆變器固有的問題，而中點(diǎn)電壓的不平衡會造成嚴(yán)重的危害：

1）增加輸出電壓低次諧波，導(dǎo)致輸出電壓波形畸變，降低輸出波形質(zhì)量；

2）帶電機(jī)負(fù)載時(shí)電壓中含低次諧波，使電機(jī)產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響調(diào)速性能；

3）開關(guān)器件受壓不均衡，可能導(dǎo)致功率器件及直流側(cè)電容的損壞。

基于中點(diǎn)電位不平衡帶來的危害，為了保證變頻調(diào)速裝置的正常運(yùn)行，同時(shí)保證負(fù)載的安全，應(yīng)努力使變頻驅(qū)動裝置直流單元中性點(diǎn)電壓保持平衡。

為此，可在控制策略中對中點(diǎn)不平衡電壓進(jìn)行抑制。目前，針對中點(diǎn)電位不平衡問題我們提出了一種實(shí)現(xiàn)簡單、適用的控制方法，該方法根據(jù)實(shí)時(shí)檢測直流母線兩組直流母線電壓及輸出電流的方向，實(shí)時(shí)調(diào)整各橋臂的調(diào)制波幅值，進(jìn)而調(diào)整兩組正負(fù)支撐電容組充放電時(shí)間使其電壓最終達(dá)到平衡。該方法經(jīng)過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，對中點(diǎn)不平衡抑制有很好的效果。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于我所BP-7推進(jìn)變頻器上。

1.4 零電平保護(hù)

基于IGCT三電平H橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻調(diào)速裝置，在正常工作時(shí)，為了滿足負(fù)載電感續(xù)流要求和保證IGCT正常關(guān)斷，輸出相電壓瞬態(tài)電平必須有零電平過度，但當(dāng)其停機(jī)緊急停機(jī)或故障停機(jī)時(shí)，可能存在直接由1電平或-1電平直接跳變到脈沖全封鎖狀態(tài)，由于IGCT是電流源型功率器件，這種未經(jīng)零電平過渡的開關(guān)過程將導(dǎo)致某些功率器件無法關(guān)斷，同時(shí)因?yàn)樨?fù)載電感續(xù)流原因，出現(xiàn)單個(gè)功率器件承受全壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致IGCT功率器件因過壓而損壞。

為了提高設(shè)備的可靠性，在光纖板硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)加入了零電平保護(hù)功能，在PWM波禁止時(shí)，先輸出1ms左右的零電平脈沖，再封鎖脈沖，使所有功率器件正常關(guān)斷，保證設(shè)備的安全。

1.5 短路電子保護(hù)

當(dāng)變頻調(diào)速裝置逆變單元或輸出側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，流經(jīng)功率器件上的電流急劇上升，若不采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，將可能造成功率器件的損壞，甚至導(dǎo)致全船動力系統(tǒng)的癱瘓。

1）瞬態(tài)過電流電子保護(hù)工作原理

變頻調(diào)速裝置發(fā)生內(nèi)部瞬態(tài)過流故障過程是一個(gè)微秒級大電流振蕩放電過程。采用傳統(tǒng)的短路過流保護(hù)方法，在如此短的時(shí)間內(nèi)要達(dá)到保護(hù)器件的目的是非常困難的。

對此，考慮采用一種實(shí)時(shí)性更為可靠的檢測判定方法：直接通過對限流電感上的電壓進(jìn)行閥值檢定，判斷主回路是否發(fā)生短路過流。DC-link環(huán)節(jié)限流電感電壓變化能直接反映主回路電流的變化。對限流電感線圈采取抽頭的做法，并在抽頭處安裝一閥值判定電路，可無延時(shí)地反映出限流電感電壓大小。通過閥值判定電路對該電壓的比較，獲得主回路是否發(fā)生短路過流故障的信息。在出現(xiàn)短路過電流后，不立即關(guān)斷IGCT，而是利用IGCT通態(tài)條件下可承受大電流的特點(diǎn)，將所有橋臂上的IGCT器件全部開通以分擔(dān)短路電流。

針對以上原理，對三電平H橋結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速裝置電子保護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖4所示。

具體工作步驟如下：

a) 當(dāng)主回路中發(fā)生過電流故障時(shí)，直流母線中的電流迅速上升，當(dāng)閥值比較電路判定出現(xiàn)短路過流故障時(shí)，控制器控制IGCT驅(qū)動將主回路中IGCT全部開通，同時(shí)發(fā)出變頻調(diào)速裝置前端斷路器分閘指令；

b) IGCT全部開通后，直流母線電流繼續(xù)上升，同時(shí)直流電容支路電流也在上升，當(dāng)該電流達(dá)到IGBT短路保護(hù)電流閥值，IGBT短路保護(hù)關(guān)斷器件，使直流電容與直流母線脫開；

c) 直流電容與直流母線脫開后，直流母線中的電流將會迅速下降，待電流降至安全范圍，控制板發(fā)出IGCT關(guān)斷指令，直流母線電容開始放電。

2）試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電子保護(hù)方案的正確性與有效性，搭建了短路電子保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺，主電路示意圖如圖5所示。

直流母線電壓1800 V；C為10 mF直流濾波電容；K選用3300 V/1500 A的IGBT，短路前保持開通狀態(tài)；DC-link環(huán)節(jié)由及構(gòu)成，其中為8 μH水冷電感，2 μH處取抽頭；平臺采用雙橋臂，橋臂采用的功率器件為5SHX19L6010型IGCT。

圖6為短路保護(hù)試驗(yàn)波形，其中圖6（a）為保護(hù)動作前后K管、T1管端電壓及直流母線電流變化波形，圖6（b）為限流電感上的電壓變化波形。

可以看出，T1管開通，直流母線電流迅速上升（圖6（a）中4通道），同時(shí)限流電感上出現(xiàn)一電壓脈沖（圖6（b）中2通道）；直流母線電流升至K管過流保護(hù)動作，K管關(guān)斷并出現(xiàn)關(guān)斷過電壓（圖6（a）中3通道）；直流母線電流下降，隨后T1、T2管關(guān)斷（圖6（a）中1通道）。整個(gè)過流保護(hù)完成的時(shí)間在40 μs以內(nèi)，可滿足保護(hù)需要。

1.6 直通閉鎖保護(hù)

變頻調(diào)速裝置功率器件開通、關(guān)斷特性不同，存在時(shí)延現(xiàn)象，為了避免由于關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，導(dǎo)致功率器件短路而瞬間過流損壞，必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間根據(jù)功率器件的開關(guān)特性而定，取決于功率元件制作工藝，在保證器件安全的前提下，越小越好，一般為μs級。

為了提高設(shè)備可靠性，為了滿足船用裝置可靠性要求，一方面可通過提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，另一方面通過研究直通閉鎖技術(shù)，在死區(qū)生成電路失效的前提下，通過判斷直通現(xiàn)象及時(shí)封鎖脈沖，在直通電流大于器件最大關(guān)斷電流前封鎖脈沖，保護(hù)功率器件的安全。

為了驗(yàn)證直通閉鎖硬件電路設(shè)計(jì)正確有效，人為產(chǎn)生直通的驅(qū)動信號，測試直通閉鎖電路直通發(fā)生后到脈沖封鎖響應(yīng)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

wave1和wave2分別為三電平H橋逆變單元中T1、T3兩個(gè)IGCT驅(qū)動脈沖波形，wave3為光纖驅(qū)動板上PWM使能信號。由圖可以看出，當(dāng)wave1和wave2同時(shí)有開通狀態(tài)（低電平表示開通）出現(xiàn)時(shí)，則wave3變低電平（低電平表示禁止），此時(shí)wave1和wave2變高電平，對應(yīng)IGCT關(guān)斷。

從直通發(fā)生到脈沖封鎖響應(yīng)時(shí)間為201 ns，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.7 其它保護(hù)

變頻調(diào)速裝置除了各組成單元的自身故障需采取保護(hù)措施外，還需對變頻調(diào)速裝置其它故障進(jìn)行保護(hù)，主要包括：控制系統(tǒng)掉電保護(hù)、接地保護(hù)、器件及設(shè)備過溫保護(hù)、冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)等。

2 總結(jié)

本文通過對船用變頻調(diào)速裝置可能存在的其它故障類型進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)故障類型的保護(hù)要求，給出了具體保護(hù)方法。并對關(guān)鍵保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，證明了保護(hù)方法的可實(shí)現(xiàn)與有效，提高了船用動力系統(tǒng)的可靠性，具有較高的理論研究價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 李國棟，毛承雄，陸繼明，崔艷艷. 基于IGCT串聯(lián)的三電平高壓變頻器直流環(huán)節(jié)研究. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007，27（1）：82-87.

[2] 胡兆慶, 毛承雄, 陸繼明. 高壓變頻器中快熔模型及IGCT保護(hù). 高壓電器, 2005，41（2）.

[3] 陳堅(jiān)編著. 電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)(第一版). 北京: 高等教育出版社,2001.

[4] GJB1391-92. 故障模式、影響及危害性分析程序.

Research on Protection Technology of Marine Propulsion Frequency Converter

Li Qiang，Ruan Hui，Zhou Yanhong

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

TM461

A

1003-4862（2014）09-0071-05

2014-07-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）

李強(qiáng)（1978-），男，高級工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動。