船用低壓大功率AFE推進變頻器的研究

李軍政，劉 佳

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船用低壓大功率AFE推進變頻器的研究

李軍政，劉 佳

（海軍裝備部裝備采購中心，北京100073）

本文通過主回路、硬件電路、軟件控制算法和水冷散熱幾個方面對船用低壓有源前端推進變頻器進行了較為詳細的理論介紹，針對船用設備對體積、重量和散熱等方面的特殊要求進行了工程實現(xiàn)的有效探索，最后通過仿真與試驗驗證了設計理論的正確性與工程化的可實現(xiàn)性。

有源前端 主回路 推進變頻器

0 引言

船舶采用電力調速系統(tǒng)作為推進動力已有近百年歷史，隨著發(fā)電系統(tǒng)和變頻調速技術的日益成熟，使得交流調速技術已逐步應用到各種船舶推進系統(tǒng)及近海設備中[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關頻率的IGBT作為主功率器件，采用先進的AFE整流技術及國外最新應用在電力推進上的有源前端（AFE）方案，實現(xiàn)能量的雙向流動。同時可以寬范圍（-1～1）調整輸入的功率因數(shù)，降低對船用電網的諧波污染[2]。

考慮到船用設備對體積、重量和產品維護方面的要求，變頻器產品在設計中應遵循：

1)采用標準化、模塊化設計，以最少規(guī)格種類的器件及材料選型、有限的基本組件為核心，通過標準柜組合實現(xiàn)要求的產品；

2)標準化、模塊化設計應依次貫徹到“核心元件/模塊—>基本組件—>單元柜—>特定產品”四級之中；

3)基本組件應按不同的功能分類，包括整流組件、逆變組件、驅動控制器組件、輔助配電組件、控制軟件；

4)在要求功率范圍內能夠通過柜體組合實現(xiàn)不同的功率、功能。

基于以上考慮，通過主回路、硬件電路、軟件控制算法和水冷散熱的技術設計以及工程實現(xiàn)，將成熟的AFE變頻器產品應用到船舶主/側推進系統(tǒng)。

1 AFE變頻器基本功能要求及構成

船用低壓AFE變頻器（以下簡稱變頻器）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。推進變頻器主回路拓撲采用交直交拓撲方案，電力電子主回路采用模塊化設計，力求達到較大的功率密度和高可靠性，滿足船用設備對體積和重量的要求。功率柜的設計采用模塊化設計的思想，便于變頻器維修，擴容。

1.1可控整流單元

單臺變頻器的整流部分拓撲結構采用與逆變部分相同的拓撲技術。整流組件及逆變組件的驅動脈沖由電機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電壓的產生損壞變頻器。同時根據(jù)變頻器電磁兼容的要求，在設備輸入端安裝高頻Y1級安規(guī)電容抑制電快速瞬變脈沖群。

1.2進線濾波單元

進線濾波單元采用LCL濾波拓撲結構，主要作用是抑制AFE到電網的諧波同時減小開關器件的電流應力。

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

LCL濾波采用模塊化設計，冷卻方式采用水冷為主，輔助風冷的方式。風機安裝在模塊頂部。LCL濾波模塊采用下進后出的走線方式，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。設計時在保證電氣間隙和爬電距離的同時，盡量使其電氣布置，結構體積達到最優(yōu)效果。考慮到船用設備的使用條件，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。水冷散熱板通過分水管與變流器內部主水管相連，熱量通過內部循環(huán)水帶出。IGBT驅動板采用光纖驅動接口，實現(xiàn)強電、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，通過層壓母線實現(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，通過扶手將組件通過軌道拖出。為防止水管接頭漏水對功率器件造成的影響，逆變模塊采用立式放置的方式，同時水管接頭位于逆變模塊的底部，這樣即使漏水，也不至于對功率模塊造成影響。

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，降低對電機繞組的絕緣應力，同時在長電纜應用場合，降低在電機繞組上的過電壓，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，變流器內部功率器件熱損耗通過水冷板內部循環(huán)冷卻介質冷卻，內循環(huán)冷卻介質將熱損耗通過水冷單元內部的板式換熱器傳遞給外冷卻介質（工業(yè)淡水或海水），將變頻器內部熱量帶走。冷卻系統(tǒng)設有排氣與過濾系統(tǒng)、具備溫度、壓力等監(jiān)測與保護功能、具備補水及排水功能。為提高水冷設備的可靠性，循環(huán)水泵采用兩臺并聯(lián)互為備份的運行方式。

2 AFE變頻器的硬件系統(tǒng)設計

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

控制系統(tǒng)硬件由PLC邏輯控制器、OP用戶操作面板、硬件控制機箱、分布在柜體內的底層控制器及功率模塊驅動組件組成?？刂茩C箱提供功率模塊IGBT的驅動脈沖，操作面板與控制機箱之間采用RS232總線進行通訊，控制機箱與PLC采用RS485總線進行通訊，控制機箱與底層管理模塊間通過CAN總線實現(xiàn)信息交互。

機箱控制器是控制系統(tǒng)的核心，負責控制系統(tǒng)的核心控制算法實現(xiàn)，功率模塊IGBT驅動脈沖的產生，變頻器參數(shù)設定與管理，位置與轉速的檢測，故障處理與保護，人機信息交互，與PLC邏輯控制器及底層控制器的通訊等。機箱控制器基本配置由電源板、CPU板、調理板、IO板、通訊轉接板和光纖板組成，可根據(jù)變頻器的實際需求，可配置溫度巡檢板卡、FPGA擴展板卡、光纖擴展板卡和背板等。CPU板由DSP、CPLD以及一些外圍擴展電路組成?？蓪崿F(xiàn)矢量控制和直接轉矩控制等復雜的控制算法運算、生成PWM信號、信號采集、系統(tǒng)保護、電機位置及速度檢測、與上位機通訊等功能[4]。信號調理板完成電壓、電流信號的檢測、故障判斷及報警功能，將調理后的數(shù)據(jù)送至CPU板的外部ADC進行采樣，并通過SPI總線將故障信息傳送至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關量控制。

用戶在變頻器機旁通過操作面板對變頻器操作。與機箱控制器進行通訊，可設定變頻驅動裝置的控制指令、控制對象的電參數(shù)、變流器參數(shù)和控制軟件的調節(jié)參數(shù)，并將變頻器運行參數(shù)與報警及故障信息顯示在面板上。

底層控制器安裝于各柜體內，是各個柜體的現(xiàn)場信息處理單元，負責收集現(xiàn)場的信號，并通過CAN總線送入機箱控制器進行綜合管理。

3 AFE變頻器的軟件系統(tǒng)設計

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)（如轉速）的設定以及變頻驅動系統(tǒng)實時狀態(tài)監(jiān)控。

3.2變頻器邏輯處理單元（PLC）

完成PLC與變頻器控制機箱中CPU板的數(shù)據(jù)交換和PLC與遠程監(jiān)控臺數(shù)據(jù)交換；接收遠程監(jiān)控臺發(fā)送的變頻器操作指令，下載給變頻器；接收變頻器控制機箱中發(fā)送的變頻器實時狀態(tài)，轉發(fā)給遠程監(jiān)控臺；完成變頻器內部數(shù)字信號的采集、處理和變頻器內部數(shù)字信號輸出，包括控制機箱故障、控制柜門按鈕等信號采集，經設定的邏輯處理后，輸出柜門指示燈和緊急停機等信號；完成變頻器外部數(shù)字/模擬量信號的采集、邏輯處理和變頻器外部數(shù)字/模擬量信號輸出。

3.3變頻器控制機箱

變頻器控制機箱為變頻器內核心控制器。

a)完成與變頻器底層控制器信息收集，定時向底層控制器發(fā)送實時數(shù)據(jù)請求，接收回應數(shù)據(jù)，并進行打包處理；b)完成與PLC數(shù)據(jù)交換，接收PLC發(fā)送的操作指令，執(zhí)行相應處理；發(fā)送變頻器實時狀態(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)行相應處理，并轉發(fā)給PLC；發(fā)送變頻器實時狀態(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)，結合采樣的模擬量、數(shù)字量信號和控制算法、調制策略，實現(xiàn)變頻器的硬件、軟件保護；e)完成變頻器內模擬量的采集（輸入電壓、直流電壓、輸入電流等）、處理，完成電機轉速的檢測、處理，結合控制算法、調制策略和接收指令，實現(xiàn)變頻器的控制；f)完成變頻器內模擬量的采集（直流電壓、輸出電流等）、處理，完成電機轉速的檢測、處理，結合控制算法、調制策略和接收指令，實現(xiàn)變頻器的恒轉速、恒功率、轉速限制、功率限制等控制功能[5]；g)完成變頻器內功率器件的驅動與保護；h)完成變頻器內運行參數(shù)（電壓、電流、轉速、功率、功率因數(shù)等）計算；i)完成變頻器外數(shù)字信號的采集、處理、輸出，并按預定邏輯處理。

3.4 變頻器底層控制器

完成與控制機箱中數(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；

完成各功率柜內部IO信號采集、處理，輸出相應IO信號。

4 仿真與試驗

根據(jù)以上設計理論和原理進行了一系列的仿真和試驗，按圖1所示搭建仿真和實驗平臺，本文負載采用星形聯(lián)結的異步電機，變頻器輸出額定電壓為660 V，額定電流為310 A。用MATLAB仿真軟件進行仿真驗證上面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，以1個整流組件為仿真對象，在輸入電壓為660 V時，直流母線電壓可以穩(wěn)定在1050 V左右，輸入電流在580 A左右，且正弦度良好。接上異步電機負載，變頻器整機實驗輸出電壓、電流波形如圖5所示。

5 結論

本文對船用低壓AFE推進變頻器進行了較為詳細的理論介紹，針對船用設備對體積、重量和散熱等方面的特殊要求進行了針對性的工程化的有效探索，最后通過仿真與試驗驗證了設計理論的正確性與工程化的可實現(xiàn)性，為在船用推進變頻器上推廣和使用奠定了良好的理論和實踐基礎。

[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. 能量可雙向流動變頻調速設備的集成控制器. 電氣傳動,.2016, 46（8）:16-20.

[3] 王斯然. 異步電機高性能變頻器若干關鍵技術的研究.博士學位論文, 浙江大學, 2011.

[4] 萬山明.T MS320F2812/2810 原理及應用實例[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 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。