三相PWM整流系统在船舶甲板机械中的应用与试验

毛立峰，李 彬，夏海红

（中国船舶重工集团公司第704研究所，上海，200031）

三相PWM整流系统在船舶甲板机械中的应用与试验

毛立峰，李 彬，夏海红

（中国船舶重工集团公司第704研究所，上海，200031）

研究了三相PWM整流系统控制设计方案。对三相PWM整流系统结构、原理和控制策略进行了重点叙述，给出了主要参数设计方法。该方案运用于某型卧式锚绞组合机，试验表明，利用其谐波抑制性能电流谐波与电压谐波分别能降低到2.88%和0.37%，实现了交流侧良好的电磁兼容性，显著减少了谐波对电网污染。

PWM整流；电磁兼容；谐波；甲板机械

0 引言

随着船舶甲板设备的大型化，现代船舶甲板机械规格参数亦朝着大型化方向发展，在驱动方式上有液压驱动和变频驱动两种方式。变频驱动技术有控制精度高、调速平稳、维护方便、节能等诸多优点，近年在国外甲板机械领域被广泛应用。变频驱动器作为典型的非线性负载，在运行过程中会产生谐波干扰，船舶电站与陆用电站相比容量较小，所以控制谐波干扰成为船舶甲板机械领域变频驱动设计至关重要的问题。

目前船舶甲板机械所用变频器多为交-直-交变频器，为了达到抑制谐波的目的，变频器前面加上移相变压器可以组成12脉冲、18脉冲和24脉冲结构。但是加上移相变压器后系统结构复杂、占地面积大，还不能确保谐波干扰能满足船的总体设计要求[1]。随着新一代电力元件的迅速发展及变频技术日趋成熟，将三相PWM（脉宽调制）整流技术引入驱动器的设计中，实现了网侧电流的正弦化，可以有效地控制变频器对船舶电网的谐波污染[2]。

本文结合某型卧式锚绞组合机项目，对三相PWM整流变频驱动技术进行分析，并对谐波干扰的控制效果进行试验。

1 三相PWM整流系统介绍

1.1 电路结构

从电路形式上看，三相 PWM 整流系统主电路和一般整流器主电路一样，不同的仅仅是控制方式[3]，前者采用全控型IGBT（绝缘栅双极晶体管）代替了二极管，由3组IGBT模块组成的三相全控桥。主控制板对三相全控桥实行PWM控制，图1中Ua、Ub和Uc分别为电网的三相输入电压。为了减小开关器件高频通断所产生的高次谐波和浪涌电压，在电网与整流器主电路之间连接有电容C、电感L，主要作用是限制开关器件所产生的高次谐波电流，其取值应该适当。三相PWM整流系统内置的PID控制器动态调整输入电流，使直流母线电压稳定在设定值上，不受电网电压波动的影响。Cd为直流母线上的滤波电容，其主要功能是减少开关器件高频开关动作在输出直流电压中造成的纹波，同时在负载发生变化时，将整流电路的惯性延时期间内输出直流电压的波动维持在限定范围内。

变频调速系统的逆变器由3组IGBT模块组成的三相全控桥，控制板对三相全控桥实行 PWM 控制，实现能量在电机侧和直流侧的双向传输。逆变单元采用了矢量控制技术，使变频电机的调速性能平稳，转矩输出性能稳定。其主电路结构图如图1所示。

图1 三相PWM整流系统主电路结构

1.2 工作原理

整流电路工作时其输入电流会发生畸变，成为非正弦波，从而产生谐波。输入电流中含有的谐波多少与电路的控制方式有关。采用 PWM 控制可以大大减少输入电流中谐波的含量。同正弦SPWM逆变电路控制输出电压时的情况相类似，可在 PWM 整流电路交流侧输入端A、B和C的每个端子之间分别产生一个正弦波调制的三相PWM电压uAB、uBC和uCA。它们除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关器件开关频率有关的高次谐波分量。考虑到 L的滤波作用，这些高次谐波分量在交流侧三相输入电流 Ia、Ib和Ic中产生的脉动将很小。如果忽略它们，Ia、Ib和Ic为频率与电源电压频率相同的三相正弦电流。从图 1可以得到三相PWM整流系统在静止ABC坐标系下的数学模型：

式中，R为包含电源内阻和线路电阻在内的交流回路等效电阻。

由上式可知，在Ua、Ub和Uc以及L、R一定时，Ia、Ib和 Ic只与 uAB、uBC和 uCA有关，即 Ia、Ib和 Ic的幅值和相位将由 uAB、uBC和 uCA中基波分量的幅值及其与电源电压的相位差来决定。改变 uAB、uBC和 uCA中基波分量的幅值和相位，就可以使Ia、Ib和Ic分别与Ua、Ub和Uc同相位，这时电路不仅工作在整流状态，而且能使三相输入电流成为与三相输入电压变化一致的正弦波，从而实现了整流电路对电网侧谐波影响的控制。

1.3 三相PWM整流系统控制策略

对所提出的三相 PWM 整流系统电路采用双闭环控制方法[4]。相应的系统控制原理框图见图2。其外环为直流电压控制环，而内环为交流电流控制环。直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流电压Ud比较后的误差信号先送入PI调节器，其输出即为整流电路交流输入电流的幅值。它分别与同步锁相环产生的相位彼此相差 120°的三个标准正弦波相乘后，形成整流器交流输入电流的给定信号Ia*、Ib*和Ic*。它们与实际的Ia、Ib和Ic比较后得到电流的误差信号，经比例调节器放大后送入比较器，再与三角波发生器所产生的三角载波信号比较后形成整流电路的 PWM 控制信号。这些信号经驱动电路处理后再去驱动主电路模块中的 6只IGBT开关器件，从而使实际的交流输入电流跟踪其相应的指令值，同时达到控制输出电压的目的。由于输入电流指令为相差 120°的三个标准正弦波，从而使整流装置流入电网的电流最终为三相对称的正弦波。

图2 控制系统结构

2 主要参数的选取

要实现交流侧正弦特性，实现谐波抑制及控制直流母线电压波动，交流侧电感和直流母线电容参数的合理选取非常关键[5]。

2.1 交流侧电感的选取

交流侧电感的设计既要实现对进线端的谐波抑制，同时要考虑交流侧电流的快速跟踪，实现较高的响应速度。

在正弦波电流峰值处，谐波电流最严重，此时为了达到对电流谐波的抑制要求，电感的选取应满足：

在电流为零时，电流变化率最大。为满足电流的快速跟踪要求，电感的选取应必须满足：

可以得出：

式中，Ud为直流母线电压；Em为电网相电压峰值；Ts为开关周期；∆imax为最大允许的电流脉动；Im为交流侧相电流峰值；ω为电网角频率。

2.2 直流母线电容的选取

直流母线电容主要是缓冲交流侧与直流侧能量交换过程中的电压突变，稳定直流电压，抑制直流谐波；在执行机构运动突变时起到一定能量缓冲作用。

为确保电压外环控制快速跟随性，直流母线电容应尽量小，电容应满足：

从电压外环抗干扰性分析，抑制母线谐波电压，直流母线电容应尽量大，电容应满足:

可以得出：

式中，tr为直流母线电压上升时间；RLE为负载电阻；ri为直流电流纹波系数；rv为直流电压纹波系数；Ism为电流峰值；Ud为直流母线电压。

3 三相PWM整流系统在甲板机械中的应用

鉴于谐波污染等方面的问题，变频驱动技术在国内甲板机械领域一直未得到广泛应用。本文将三相PWM整流系统应用于某型卧式锚绞组合机，该型设备由机械与电气两部分组成，其中机械部分由锚机执行机构、传动装置、系泊绞车、刹车及离合装置、安装支架以及底座装置等组成。

电控系统可以分驱动单元和控制单元两部分，驱动单元包括变频控制柜和滤波控制柜，变频控制柜含变频驱动模块和辅助控制回路，变频驱动模块含三相PWM整流变频调速器，整流单元前端用LCL滤波器进行滤波和电网侧波形补偿，辅助控制回路完成三相PWM整流单元的预充电控制和安全保护控制。滤波控制柜含滤波器、断路器等器件，滤波器可以对整流器前端进行谐波二次治理，确保在极端条件下谐波干扰控制指标满足总体设计要求，断路器等器件可以进行配电同时实现安全保护及报警功能。

控制单元由一个中央控制站和两个机旁操作站组成。机旁操作站各由一组EM200M分布式模块组成，从站的I/O模块接收操作者的操作指令；集中控制站布置在舱室内，由一组S7-300-PLC控制器组成，CPU采用 315-2DP主处理器，具有较高的可靠性和通讯扩展能力[3-4]。在中央控制站可以直接对执行结构进行控制。控制单元的控制流程如下：

1）集中控制站设置有“控制部位”选择开关，通过控制部位切换可以选择“本地操作”和“远程操作”.本地操作是在机旁不具备操作条件时使用，可以满足调速控制的基本功能，且具有更高的优先级。

2）“远程操作”可以通过机旁操作站进行操作，通过变频器启动开关，使变频器处于待机工作状态，机旁操作站、集中控制站和变频控制柜之间通过Profibus总线进行通讯。

3）通过“工况选择”开关切换选择锚机或绞盘作为控制对象，同时控制器控制相应的离合器动作，离合器位置开关确认到位后，控制系统调用相应的功能控制程序。

4）通过“操作模式”切换开关选择“手动控制”和“自动控制”模式，手动控制时通过手柄操纵控制执行机构运行工作，当绞车处于自动系泊状态时将控制方式切换到自动控制模式，系统自动调用恒张力控制程序，实现恒张力控制功能。

系统监测模块可以实时显示锚机（绞车）运行速度、锚链长度、变频器状态及报警等相关信息。系统功能框图如图3所示。

4 试验

结合卧式锚绞组合机项目，选用ABB公司M3BP系列变频电机进行谐波干扰控制试验与测试。电机额定功率160kW，额定转速993r/min，额定扭矩1538Nm。在额定负载下进行试验，用FLUKE-F435电能质量分析仪对交流进线侧A相进行测试，电流和电压的谐波频谱如表 1所示（IEC 61000-4-7标准要求计算至 40次谐波分量）。

图3 锚绞组合机系统功能框图

表1 谐波电流与电压频谱

通过电流谐波与电压谐波频谱分析，单次电流谐波最大分量为1.79%，单次电压谐波最大分量为0.16%，满足标准(GB/T 14549-2011)及总体设计3%要求。

供电电流与电压总谐波畸变量为：

电流与电压总谐波畸变量满足标准(GB/T 14549-2011)及总体设计5%要求。电流分量和电压分量的控制效果如图4、5所示。

图4 电流谐波控制效果

图5 电压谐波控制效果

5 结论

介绍了一种三相 PWM 整流系统控制方案。利用其谐波抑制特性，实现了交流侧良好的电磁兼容特性，大大减少了谐波对电网的污染。结合某型卧式锚绞组合机进行了一系列电磁兼容性试验，结果表明，该装置各项性能均可满足船舶总体设计要求。本装置成功研制将为船舶甲板机械驱动形式提供更多选择，具有重要的工程现实意义。

[1] 孙玉良. 有源前端变频器在船舶电力推进中的应用[J]. 上海造船, 2009(2): 30-32.

[2] 马小亮. 交-直-交变频器的 IGBT(IGCT)整流/回馈电源[J]. 电气传动, 2012(10): 3-8.

[3] 王兆安. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[4] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[5] George J. Wakileh. 电力系统谐波基本原理、分析方法和滤波器设计[M]. 北京: 机械工业出版社,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，工程师；研究方向：舰船、海洋装备电气及自动化控制。