AFE 技術(shù)在電動甲板起重機(jī)中的應(yīng)用

夏 群，陳雷陽，徐鵬遠(yuǎn)，夏 寅

（南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 210039）

0 引言

近年來，基于高性能電力電子器件的大功率變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展迅速，為船舶起重機(jī)系統(tǒng)的電氣化提供了可靠基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)變頻器大多采用二極管或可控硅整流，給船舶電氣系統(tǒng)帶來以下2個問題。傳統(tǒng)變頻器諧波含量較大，嚴(yán)重影響了船舶電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量。同時(shí)，在電動起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)下降作業(yè)過程中，傳統(tǒng)變頻驅(qū)動控制往往采用電阻能耗制動控制，無法實(shí)現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)再生能量回收利用，從而造成能源浪費(fèi)。針對上述問題，本文將對AFE技術(shù)開展分析，并將其納入到船舶起重機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用研究范疇，為其在船用電動甲板起重機(jī)電氣系統(tǒng)中諧波抑制和制動能量回收方面的應(yīng)用提供思路。

1 A FE原理和性能

1.1 AFE原理

主動前端（Active Front End，AFE）相較于

常規(guī)的二極管或可控硅整流技術(shù)而言，具備很多主動的控制功能，不再是被動完成整流過程。主動前端技術(shù)的使用，不但能消除諸多高次諧波，顯著地提高功率因數(shù)，還不受電網(wǎng)波動的影響，具備卓越的動態(tài)調(diào)整特性。

基于AFE 技術(shù)的變頻驅(qū)動系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由輸入電抗器、自換相可控整流器、電容濾波器和電壓型PWM 逆變器等組成。從結(jié)構(gòu)上來看，由于采用了大功率全控式電力電子器件IGBT，該系統(tǒng)既可作為整流器，又可作為逆變器，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動控制。其運(yùn)行狀態(tài)有2種：1）電網(wǎng)能量由電網(wǎng)側(cè)流向直流母線側(cè)；2）產(chǎn)生的再生能量從直流母線側(cè)回饋到電網(wǎng)側(cè)。

圖1 基于AFE 技術(shù)的變頻驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

式中：L為電網(wǎng)側(cè)濾波電感；R為電網(wǎng)側(cè)等效電阻；C為直流母線電容；Vdc為直流母線電壓；Va、Vb、Vc分別為網(wǎng)側(cè)三相電動勢；ia、ib、ic分別為輸入AFE的三相電流；Sa、Sb、Sc分別為AFE的三相開關(guān)函數(shù)。

通過一定的控制算法對AFE的三相開關(guān)進(jìn)行控制，可以使AFE運(yùn)行在以下2種狀態(tài)：

1）電動工作模式。能量流動方向?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)至電動機(jī)負(fù)載。

2）發(fā)電工作模式。電動機(jī)產(chǎn)生再生能量，能量流動方向?yàn)殡妱訖C(jī)負(fù)載側(cè)至電網(wǎng)側(cè)。

如圖2所示，AFE的工作原理可簡述為：電動工作模式下，電網(wǎng)側(cè)供給AFE單元交流正弦波，經(jīng)濾波、整流后輸出直流電壓，通過直流母線保持所要求的電壓值；發(fā)電狀態(tài)下，直流母線電壓升高，AFE單元將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?，?jīng)濾波消諧反饋至電網(wǎng)。

圖2 AFE 工作原理流程圖

非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，正弦電壓施加于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變使得諧波電網(wǎng)品質(zhì)變壞，波形失真增大，頻率偏離標(biāo)稱值，將使電網(wǎng)負(fù)擔(dān)加重，可用容量下降。高次諧波可能引發(fā)電壓諧振，造成線路過電壓等危害。

對于電網(wǎng)損耗而言，不平衡與諧波同時(shí)存在所產(chǎn)生的附加損耗大于二者單獨(dú)存在時(shí)對電網(wǎng)產(chǎn)生的附加損耗之和，而且隨著不平衡與諧波含量的增加，其正相關(guān)特性將越來越顯著。電流不平衡程度則從側(cè)面反映了系統(tǒng)損耗的增加。電網(wǎng)中諧波不僅增加系統(tǒng)損耗，還會危及網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備壽命及系統(tǒng)安全。

1.2 傳統(tǒng)整流的性能對比

AFE整流單元濾波電路有效消除各次諧波，與傳統(tǒng)6脈、12脈整流相比具有更加平滑優(yōu)質(zhì)的正弦波形，見圖3。

圖3 整流單元電路與整流波形對比

AFE整流單元與普通二極管整流單元最大的區(qū)別是AFE的整流部分采用斬波方式，AFE整流在換相豁口、諧波、電源波動等多個方面都有明顯的優(yōu)勢，具體如表1所示。

表1 AFE 整流與常規(guī)整流技術(shù)性能對比

整流技術(shù)的控制策略主要分為2種，即電流和功率控制。電流控制主要分為間接電流控制和直接電流控制，都是對AFE整流的交流側(cè)電流進(jìn)行控制，從而控制其有功功率、無功功率和功率因數(shù)。功率控制則是從能量的角度出發(fā)，在交流電壓一定的情況下，通過控制AFE的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率，間接控制瞬時(shí)電流。功率控制的主要方式有開關(guān)表式直接功率控制和固定開關(guān)頻率直接功率控制，具體如表2所示。

表2 AFE 整流技術(shù)的控制策略

2 西門子AFE技術(shù)

2.1 控制單元的組成和功能

如表3所示，西門子AFE控制單元由有源接口模塊與有源電源模塊共同組成。有源接口模塊，即濾波模塊，具有基本干擾抑制功能，保證電源清潔輸入，配備有預(yù)充電回路、電源電壓測量裝置和監(jiān)控傳感器，通過清潔輸入濾波器可以最大程度地抑制電源諧波。

有源電源模塊是受控的整流/回饋裝置（整流和回饋均采用IGBT元件），可產(chǎn)生一個可控的直流母線電壓，電壓值為額定電壓的1.5倍，與電源模塊相連的逆變模塊可以與電源電壓隔離，進(jìn)而隔離了電網(wǎng)對電機(jī)電壓的影響，提高動態(tài)性能，并改善了控制性能。

AFE電源模塊的回饋功能可以將電機(jī)端再生電源經(jīng)過清潔處理反饋至電網(wǎng)，在位能負(fù)載下降和制動時(shí)較大程度地節(jié)約能源。此外，AFE電源模塊還具有無功功率補(bǔ)償?shù)墓δ?，可連接到TN/TT和浮地IT電網(wǎng)。

表3 西門子AFE 控制單元的組成

西門子AFE能將直流母線電壓保持一個恒定值，不僅能夠作為整流器工作，還可作為逆變器進(jìn)行工作，為電源側(cè)的4象限運(yùn)行。通過恰當(dāng)?shù)腟PWM模式，能夠規(guī)避可控硅類功率元件在整流/回饋時(shí)因電網(wǎng)側(cè)故障而發(fā)生的整個單元逆變失敗現(xiàn)象，從而大幅提高交流-直流環(huán)節(jié)的可靠性。通過控制交流電流的幅值和相位，經(jīng)前端的波和儲能環(huán)節(jié)使交流輸入電流接近正弦波。不斷調(diào)整功率因數(shù)，并以1為中點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在電機(jī)側(cè)的制動能量通過逆變單元返回直流母線，直流電壓升高時(shí)，控制交流輸入電流的相位與電源電壓相位，使兩者相反，進(jìn)而達(dá)到再生發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，并將再生能量回饋到交流電網(wǎng)中；斬控整流器這時(shí)工作在有源逆變狀態(tài)，對供電側(cè)的功率因數(shù)進(jìn)行有源補(bǔ)償。因?yàn)橹绷髂妇€電壓能夠在一定范圍內(nèi)設(shè)定穩(wěn)壓值，所以AFE整流器補(bǔ)償電源電壓偏低的能力很強(qiáng)，特別適合于供電側(cè)電壓長期偏低的情況。

西門子AFE變頻技術(shù)不僅可以完成直流母線側(cè)的能量再利用，還能將直流側(cè)多余的電能逆變到電網(wǎng)上，回饋過程中能夠消除高次諧波，提高功率因數(shù)，無需因大功率設(shè)備而增設(shè)無功補(bǔ)償裝置，再生能量可以清潔高效回饋電網(wǎng)，避免對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生污染，而且不受電網(wǎng)波動的影響，具有穩(wěn)定的直流母線電壓和卓越的動態(tài)特性。

2.2 諧波總量指標(biāo)

基于西門子S120系列變頻器構(gòu)建的AFE多傳動變頻驅(qū)動系統(tǒng)，在弱電網(wǎng)系統(tǒng)中的電流諧波總量不超過2.6%，電壓諧波總量不超過2.3%，滿足船級社規(guī)范指標(biāo)要求。見表4。

表4 西門子AFE諧波含量

3 西門子AFE 技術(shù)在電動甲板起重機(jī)中的設(shè)計(jì)思路

AFE技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，按深度可劃分為3個等級：單設(shè)備級、群設(shè)備級和系統(tǒng)級，其中又以前2種在船上獲得的應(yīng)用較多。從電網(wǎng)的角度而言，不同級別的應(yīng)用對于電網(wǎng)構(gòu)成的影響度是不一樣的，設(shè)備級應(yīng)用僅牽涉到電網(wǎng)的局部配置，而系統(tǒng)級應(yīng)用則直接決定了電網(wǎng)構(gòu)型。對應(yīng)于上述3類應(yīng)用，AFE配置方案有單整流單驅(qū)動型、單整流多驅(qū)動型和多整流多驅(qū)動型等3種，后2種構(gòu)型利用了公共直流母線技術(shù)。從電力分配的角度而言，共直流母線的優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)建了一個共享的電力生態(tài)鏈，每個逆變單元所承載的負(fù)載能夠共享直流母線的功率容量，并且各負(fù)載之間可以依托共直流母線而實(shí)現(xiàn)能量的相互流動和再次分配，進(jìn)而減少有源前端和前置濾波器的數(shù)量，降低制動電阻的容量配置，能夠彌補(bǔ)起重船內(nèi)部空間緊湊的缺點(diǎn)。本文以西門子AFE技術(shù)為例，結(jié)合某型電動甲板起重機(jī)項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)行探討。

3.1 某型電動起重機(jī)主要控制要求和技術(shù)參數(shù)

電動甲板起重機(jī)主要由起升、變幅和回轉(zhuǎn)3大機(jī)構(gòu)組成，各機(jī)構(gòu)均以變頻電機(jī)作為動力源，驅(qū)動起升、變幅和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無級變速運(yùn)行。主要配置為：起升電機(jī)1臺、變幅電機(jī)1臺、回轉(zhuǎn)電機(jī)3臺。所有電機(jī)電制為3相380 V/50 Hz，配備冷卻風(fēng)機(jī)、熱敏電阻和速度編碼器。

1）根據(jù)電機(jī)和起重機(jī)總體功率分配，將AFE配置方案定為單整流多驅(qū)動型。裝置型有源電源模塊1只、有源接口模塊1只，均通過DriveCliQ與CU320控制模塊形成數(shù)據(jù)通訊。構(gòu)建AFE變頻驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。

2）起升機(jī)構(gòu)選擇相匹配的裝置型單軸電機(jī)模塊1只，變幅機(jī)構(gòu)選擇相匹配的裝置型單軸電機(jī)模塊1只，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選擇書本型單軸電機(jī)模塊3只。各電機(jī)模塊通過DriveCliQ與CU320控制模塊形成數(shù)據(jù)通訊，如圖3所示。

圖5 AFE 變頻驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在電動運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，AFE作為整流單元輸出直流電源為電機(jī)模塊供電，電機(jī)模塊作為逆變單元輸出近似正弦交流電驅(qū)動電機(jī)工作；在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)模塊作為整流單元，反向輸出直流電壓，使得母線電壓升高，形成再生能量，可為母線下其他做電動運(yùn)行的電機(jī)提供電源，同時(shí)AFE作為逆變單元，將剩余的再生電源清潔處理后回饋至電網(wǎng)。

4 結(jié)論

AFE技術(shù)在電機(jī)應(yīng)用場景中節(jié)能與抑制諧波的特性，滿足電動甲板起重機(jī)高效、節(jié)能這2個主要性能指標(biāo)。AFE技術(shù)對具有較大轉(zhuǎn)動慣量的電動機(jī)系統(tǒng)而言，不僅能夠提升其運(yùn)行性能，還降低電動機(jī)的運(yùn)行溫度，延長其使用壽命，實(shí)現(xiàn)能量回收，避免因電阻能耗制動對環(huán)境產(chǎn)生熱污染。船舶電網(wǎng)屬于小電網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)容量較小，對大功率設(shè)備產(chǎn)生的諧波畸變率要求較高，需充分匹配適用。AFE技術(shù)對諧波的抑制特性也使得電網(wǎng)電能質(zhì)量得到改善，減少對電網(wǎng)中其他設(shè)備的影響。本文從AFE的基本結(jié)構(gòu)和原理切入，總結(jié)了AFE的多種優(yōu)點(diǎn)，并以西門子AFE為應(yīng)用實(shí)例，提出了AFE技術(shù)在電動甲板起重機(jī)應(yīng)用中的一種設(shè)計(jì)思路，為AFE技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供有效參考。