三相PWM整流系統(tǒng)在船舶甲板機(jī)械中的應(yīng)用與試驗

毛立峰，李 彬，夏海紅

（中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海，200031）

三相PWM整流系統(tǒng)在船舶甲板機(jī)械中的應(yīng)用與試驗

毛立峰，李 彬，夏海紅

（中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海，200031）

研究了三相PWM整流系統(tǒng)控制設(shè)計方案。對三相PWM整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和控制策略進(jìn)行了重點敘述，給出了主要參數(shù)設(shè)計方法。該方案運用于某型臥式錨絞組合機(jī)，試驗表明，利用其諧波抑制性能電流諧波與電壓諧波分別能降低到2.88%和0.37%，實現(xiàn)了交流側(cè)良好的電磁兼容性，顯著減少了諧波對電網(wǎng)污染。

PWM整流；電磁兼容；諧波；甲板機(jī)械

0 引言

隨著船舶甲板設(shè)備的大型化，現(xiàn)代船舶甲板機(jī)械規(guī)格參數(shù)亦朝著大型化方向發(fā)展，在驅(qū)動方式上有液壓驅(qū)動和變頻驅(qū)動兩種方式。變頻驅(qū)動技術(shù)有控制精度高、調(diào)速平穩(wěn)、維護(hù)方便、節(jié)能等諸多優(yōu)點，近年在國外甲板機(jī)械領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。變頻驅(qū)動器作為典型的非線性負(fù)載，在運行過程中會產(chǎn)生諧波干擾，船舶電站與陸用電站相比容量較小，所以控制諧波干擾成為船舶甲板機(jī)械領(lǐng)域變頻驅(qū)動設(shè)計至關(guān)重要的問題。

目前船舶甲板機(jī)械所用變頻器多為交-直-交變頻器，為了達(dá)到抑制諧波的目的，變頻器前面加上移相變壓器可以組成12脈沖、18脈沖和24脈沖結(jié)構(gòu)。但是加上移相變壓器后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大，還不能確保諧波干擾能滿足船的總體設(shè)計要求[1]。隨著新一代電力元件的迅速發(fā)展及變頻技術(shù)日趨成熟，將三相PWM（脈寬調(diào)制）整流技術(shù)引入驅(qū)動器的設(shè)計中，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，可以有效地控制變頻器對船舶電網(wǎng)的諧波污染[2]。

本文結(jié)合某型臥式錨絞組合機(jī)項目，對三相PWM整流變頻驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行分析，并對諧波干擾的控制效果進(jìn)行試驗。

1 三相PWM整流系統(tǒng)介紹

1.1 電路結(jié)構(gòu)

從電路形式上看，三相 PWM 整流系統(tǒng)主電路和一般整流器主電路一樣，不同的僅僅是控制方式[3]，前者采用全控型IGBT（絕緣柵雙極晶體管）代替了二極管，由3組IGBT模塊組成的三相全控橋。主控制板對三相全控橋?qū)嵭蠵WM控制，圖1中Ua、Ub和Uc分別為電網(wǎng)的三相輸入電壓。為了減小開關(guān)器件高頻通斷所產(chǎn)生的高次諧波和浪涌電壓，在電網(wǎng)與整流器主電路之間連接有電容C、電感L，主要作用是限制開關(guān)器件所產(chǎn)生的高次諧波電流，其取值應(yīng)該適當(dāng)。三相PWM整流系統(tǒng)內(nèi)置的PID控制器動態(tài)調(diào)整輸入電流，使直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上，不受電網(wǎng)電壓波動的影響。Cd為直流母線上的濾波電容，其主要功能是減少開關(guān)器件高頻開關(guān)動作在輸出直流電壓中造成的紋波，同時在負(fù)載發(fā)生變化時，將整流電路的慣性延時期間內(nèi)輸出直流電壓的波動維持在限定范圍內(nèi)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的逆變器由3組IGBT模塊組成的三相全控橋，控制板對三相全控橋?qū)嵭?PWM 控制，實現(xiàn)能量在電機(jī)側(cè)和直流側(cè)的雙向傳輸。逆變單元采用了矢量控制技術(shù)，使變頻電機(jī)的調(diào)速性能平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩輸出性能穩(wěn)定。其主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三相PWM整流系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

整流電路工作時其輸入電流會發(fā)生畸變，成為非正弦波，從而產(chǎn)生諧波。輸入電流中含有的諧波多少與電路的控制方式有關(guān)。采用 PWM 控制可以大大減少輸入電流中諧波的含量。同正弦SPWM逆變電路控制輸出電壓時的情況相類似，可在 PWM 整流電路交流側(cè)輸入端A、B和C的每個端子之間分別產(chǎn)生一個正弦波調(diào)制的三相PWM電壓uAB、uBC和uCA。它們除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開關(guān)器件開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波分量?？紤]到 L的濾波作用，這些高次諧波分量在交流側(cè)三相輸入電流 Ia、Ib和Ic中產(chǎn)生的脈動將很小。如果忽略它們，Ia、Ib和Ic為頻率與電源電壓頻率相同的三相正弦電流。從圖 1可以得到三相PWM整流系統(tǒng)在靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

式中，R為包含電源內(nèi)阻和線路電阻在內(nèi)的交流回路等效電阻。

由上式可知，在Ua、Ub和Uc以及L、R一定時，Ia、Ib和 Ic只與 uAB、uBC和 uCA有關(guān)，即 Ia、Ib和 Ic的幅值和相位將由 uAB、uBC和 uCA中基波分量的幅值及其與電源電壓的相位差來決定。改變 uAB、uBC和 uCA中基波分量的幅值和相位，就可以使Ia、Ib和Ic分別與Ua、Ub和Uc同相位，這時電路不僅工作在整流狀態(tài)，而且能使三相輸入電流成為與三相輸入電壓變化一致的正弦波，從而實現(xiàn)了整流電路對電網(wǎng)側(cè)諧波影響的控制。

1.3 三相PWM整流系統(tǒng)控制策略

對所提出的三相 PWM 整流系統(tǒng)電路采用雙閉環(huán)控制方法[4]。相應(yīng)的系統(tǒng)控制原理框圖見圖2。其外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，而內(nèi)環(huán)為交流電流控制環(huán)。直流輸出電壓給定信號Ud*和實際的直流電壓Ud比較后的誤差信號先送入PI調(diào)節(jié)器，其輸出即為整流電路交流輸入電流的幅值。它分別與同步鎖相環(huán)產(chǎn)生的相位彼此相差 120°的三個標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后，形成整流器交流輸入電流的給定信號Ia*、Ib*和Ic*。它們與實際的Ia、Ib和Ic比較后得到電流的誤差信號，經(jīng)比例調(diào)節(jié)器放大后送入比較器，再與三角波發(fā)生器所產(chǎn)生的三角載波信號比較后形成整流電路的 PWM 控制信號。這些信號經(jīng)驅(qū)動電路處理后再去驅(qū)動主電路模塊中的 6只IGBT開關(guān)器件，從而使實際的交流輸入電流跟蹤其相應(yīng)的指令值，同時達(dá)到控制輸出電壓的目的。由于輸入電流指令為相差 120°的三個標(biāo)準(zhǔn)正弦波，從而使整流裝置流入電網(wǎng)的電流最終為三相對稱的正弦波。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 主要參數(shù)的選取

要實現(xiàn)交流側(cè)正弦特性，實現(xiàn)諧波抑制及控制直流母線電壓波動，交流側(cè)電感和直流母線電容參數(shù)的合理選取非常關(guān)鍵[5]。

2.1 交流側(cè)電感的選取

交流側(cè)電感的設(shè)計既要實現(xiàn)對進(jìn)線端的諧波抑制，同時要考慮交流側(cè)電流的快速跟蹤，實現(xiàn)較高的響應(yīng)速度。

在正弦波電流峰值處，諧波電流最嚴(yán)重，此時為了達(dá)到對電流諧波的抑制要求，電感的選取應(yīng)滿足：

在電流為零時，電流變化率最大。為滿足電流的快速跟蹤要求，電感的選取應(yīng)必須滿足：

可以得出：

式中，Ud為直流母線電壓；Em為電網(wǎng)相電壓峰值；Ts為開關(guān)周期；?imax為最大允許的電流脈動；Im為交流側(cè)相電流峰值；ω為電網(wǎng)角頻率。

2.2 直流母線電容的選取

直流母線電容主要是緩沖交流側(cè)與直流側(cè)能量交換過程中的電壓突變，穩(wěn)定直流電壓，抑制直流諧波；在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動突變時起到一定能量緩沖作用。

為確保電壓外環(huán)控制快速跟隨性，直流母線電容應(yīng)盡量小，電容應(yīng)滿足：

從電壓外環(huán)抗干擾性分析，抑制母線諧波電壓，直流母線電容應(yīng)盡量大，電容應(yīng)滿足:

可以得出：

式中，tr為直流母線電壓上升時間；RLE為負(fù)載電阻；ri為直流電流紋波系數(shù)；rv為直流電壓紋波系數(shù)；Ism為電流峰值；Ud為直流母線電壓。

3 三相PWM整流系統(tǒng)在甲板機(jī)械中的應(yīng)用

鑒于諧波污染等方面的問題，變頻驅(qū)動技術(shù)在國內(nèi)甲板機(jī)械領(lǐng)域一直未得到廣泛應(yīng)用。本文將三相PWM整流系統(tǒng)應(yīng)用于某型臥式錨絞組合機(jī)，該型設(shè)備由機(jī)械與電氣兩部分組成，其中機(jī)械部分由錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動裝置、系泊絞車、剎車及離合裝置、安裝支架以及底座裝置等組成。

電控系統(tǒng)可以分驅(qū)動單元和控制單元兩部分，驅(qū)動單元包括變頻控制柜和濾波控制柜，變頻控制柜含變頻驅(qū)動模塊和輔助控制回路，變頻驅(qū)動模塊含三相PWM整流變頻調(diào)速器，整流單元前端用LCL濾波器進(jìn)行濾波和電網(wǎng)側(cè)波形補(bǔ)償，輔助控制回路完成三相PWM整流單元的預(yù)充電控制和安全保護(hù)控制。濾波控制柜含濾波器、斷路器等器件，濾波器可以對整流器前端進(jìn)行諧波二次治理，確保在極端條件下諧波干擾控制指標(biāo)滿足總體設(shè)計要求，斷路器等器件可以進(jìn)行配電同時實現(xiàn)安全保護(hù)及報警功能。

控制單元由一個中央控制站和兩個機(jī)旁操作站組成。機(jī)旁操作站各由一組EM200M分布式模塊組成，從站的I/O模塊接收操作者的操作指令；集中控制站布置在艙室內(nèi)，由一組S7-300-PLC控制器組成，CPU采用 315-2DP主處理器，具有較高的可靠性和通訊擴(kuò)展能力[3-4]。在中央控制站可以直接對執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制?？刂茊卧目刂屏鞒倘缦拢?/p>

1）集中控制站設(shè)置有“控制部位”選擇開關(guān)，通過控制部位切換可以選擇“本地操作”和“遠(yuǎn)程操作”.本地操作是在機(jī)旁不具備操作條件時使用，可以滿足調(diào)速控制的基本功能，且具有更高的優(yōu)先級。

2）“遠(yuǎn)程操作”可以通過機(jī)旁操作站進(jìn)行操作，通過變頻器啟動開關(guān)，使變頻器處于待機(jī)工作狀態(tài)，機(jī)旁操作站、集中控制站和變頻控制柜之間通過Profibus總線進(jìn)行通訊。

3）通過“工況選擇”開關(guān)切換選擇錨機(jī)或絞盤作為控制對象，同時控制器控制相應(yīng)的離合器動作，離合器位置開關(guān)確認(rèn)到位后，控制系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的功能控制程序。

4）通過“操作模式”切換開關(guān)選擇“手動控制”和“自動控制”模式，手動控制時通過手柄操縱控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行工作，當(dāng)絞車處于自動系泊狀態(tài)時將控制方式切換到自動控制模式，系統(tǒng)自動調(diào)用恒張力控制程序，實現(xiàn)恒張力控制功能。

系統(tǒng)監(jiān)測模塊可以實時顯示錨機(jī)（絞車）運行速度、錨鏈長度、變頻器狀態(tài)及報警等相關(guān)信息。系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

4 試驗

結(jié)合臥式錨絞組合機(jī)項目，選用ABB公司M3BP系列變頻電機(jī)進(jìn)行諧波干擾控制試驗與測試。電機(jī)額定功率160kW，額定轉(zhuǎn)速993r/min，額定扭矩1538Nm。在額定負(fù)載下進(jìn)行試驗，用FLUKE-F435電能質(zhì)量分析儀對交流進(jìn)線側(cè)A相進(jìn)行測試，電流和電壓的諧波頻譜如表 1所示（IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)要求計算至 40次諧波分量）。

圖3 錨絞組合機(jī)系統(tǒng)功能框圖

表1 諧波電流與電壓頻譜

通過電流諧波與電壓諧波頻譜分析，單次電流諧波最大分量為1.79%，單次電壓諧波最大分量為0.16%，滿足標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14549-2011)及總體設(shè)計3%要求。

供電電流與電壓總諧波畸變量為：

電流與電壓總諧波畸變量滿足標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14549-2011)及總體設(shè)計5%要求。電流分量和電壓分量的控制效果如圖4、5所示。

圖4 電流諧波控制效果

圖5 電壓諧波控制效果

5 結(jié)論

介紹了一種三相 PWM 整流系統(tǒng)控制方案。利用其諧波抑制特性，實現(xiàn)了交流側(cè)良好的電磁兼容特性，大大減少了諧波對電網(wǎng)的污染。結(jié)合某型臥式錨絞組合機(jī)進(jìn)行了一系列電磁兼容性試驗，結(jié)果表明，該裝置各項性能均可滿足船舶總體設(shè)計要求。本裝置成功研制將為船舶甲板機(jī)械驅(qū)動形式提供更多選擇，具有重要的工程現(xiàn)實意義。

[1] 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(2): 30-32.

[2] 馬小亮. 交-直-交變頻器的 IGBT(IGCT)整流/回饋電源[J]. 電氣傳動, 2012(10): 3-8.

[3] 王兆安. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[4] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[5] George J. Wakileh. 電力系統(tǒng)諧波基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

Application and Experiment of Three-phase PWM Rectifier System in Ship Deck Machinery

MAO Li-feng, LI Bin, XIA Hai-hong
(CSIC No. 704 Research Institute, Shanghai 200013, China)

A design project of the three-phase PWM rectifier control system is investigated. The structure,principle and control strategy of the three-phase PWM rectifier are mainly presented. The design method of main parameters is given. The scheme is applied to a certain type of horizontal anchor windlass combination machine. The experimental results show that, using its harmonic suppression performance,the current harmonics and voltage harmonics can reduce to 2.88% and 0.37% separately. A good AC side electromagnetic compatibility is achieved, and the harmonic pollution on the power grid is reduced greatly.

PWM rectifier; electromagnetic compatibility; harmonic; deck machinery

U665.13

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.016

毛立峰(1980-)，男，工程師；研究方向：艦船、海洋裝備電氣及自動化控制。