西门子S120变频器在船舶电力推进系统中的应用

2017-10-13李成阳

船电技术 2017年6期

万丛，李成阳

万丛，李成阳

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

变频器作为船舶电力推进系统的核心设备之一，其选型和配置非常重要，本文详细介绍了西门子SINAMICS S120变频器在船舶电力推进系统中的应用，重点研究了其硬件模块和软件功能设计，表明S120变频器具有广泛的适应性，本文具有一定的工程实践指导作用。

西门子SINAMICS S120 变频器电力推进

0 引言

船舶电力推进系统是指采用电动机带动螺旋桨来推动船舶运行的系统，一般由以下几个部分组成：原动机、发电机、配电板、变压器、变频器、电动机、螺旋桨及控制系统[1]，其基本组成如图1所示。

随着电力电子技术的快速发展，大功率交流电机的变频调速技术日趋成熟，使电力推进船舶在机动性、可靠性、布置的灵活性、机桨匹配、运行效率等方面都有了极大的提高，从而使船舶电力推进技术的应用范围不断扩大。变频器作为船舶关键设备之一，其性能直接决定了电力推进系统的总体性能。

当前船用变频器市场快速发展，有丰富的产品可供选择，西门子公司推出的SINAMICS S120系列低压变频器采用模块化设计，使用灵活，可以针对不同船舶进行量身定制，能够进行高效组态与快速调试，特别适合用于提供高性能的船用电力推进系统。

图1 电力推进系统的基本组成示意图

1 船舶电力推进系统介绍

在电力推进系统中，谐波电流会降低发电机的效率，造成电机额外的发热和振动，引起继电保护装置误动作，对通信设备产生电磁干扰。根据谐波抑制的原理不同，电力推进系统可以分为DFE（Diode Front End）和AFE（Active Front End）方案，SINAMICS S120变频器对上述两种方案均可以提供良好的支持。

1.1 DFE电力推进系统

DFE是当前船舶电力推进系统广泛采用的技术方案，其前端采用不控整流器件，如图2所示为采用DFE方案的某电力推进系统简化单线图。

图2 DFE方案电力推进系统简化单线图

如上图所示，推进变压器副边的两个绕组相差30°电角度，则变压器原边将不存在6k±1（k=1，2…）次谐波电流，只存在最低12k±1（k=1，2…）次谐波电流，即所谓的12脉波整流。左右舷推进变压器T1、T2原边相差15°电角度，当左右推进功率相当时，发电机侧的12k±1（k=1，2…）次谐波电流将会抵消，只存在最低24k±1（k=1，2…）次谐波电流，但如果左右推进功率不一致，将只能抵消部分12k±1（k=1，2…）次谐波电流，即虚拟24脉波整流。

1.2 AFE电力推进系统

AFE电力推进系统与传统DFE电力推进系统的不同之处在于前者推进变频器采用了全控型电力电子器件IGBT代替了二极管整流，构成PWM整流器，可以实现完美无谐波。其直流母线电压可控，无需配置前端移相变压器，变频器输出电压可以适当调高，减小了电机电流及线路压降。能量可以双向流动，因此省去了制动单元。功率因数可等于1，提高了系统效率[2]。

AFE方案是船舶电力推进系统未来的发展方向。

2 S120变频器硬件模块研究

SINAMICS S120系列变频器采用模块化设计，主要组成部分如下[3]：

控制单元：整个变频驱动系统的控制部分；

电源模块：将交流转换为直流；

电机模块：将直流转换为交流，为电机提供交流变频电源；

直流母线组件：在DFE系统中用于加快制动过程及限制短暂制动时的直流母线电压，包括制动模块和制动电阻；

传感器模块：编码器模块、电压传感模块等；

端子模块和选件板：根据需要可连接或插入I/O板和通讯板。

SINAMICS S120变频器船舶电力推进系统的典型结构如图3所示。

图3 S120变频器船舶电力推进系统的典型结构图

如图3所示为DFE电力推进系统，电源模块为BLM（Basic Line Module）型，直流母线一般需要配备制动模块及制动电阻。若为AFE电力推进系统，则电源模块需为ALM（Active Line Module）型，可以省去直流母线组件。

SINAMICS S120变频器功率覆盖范围0.12~4500 kW，功率模块散热可选风冷或水冷，可以满足绝大多数船舶电力推进系统需求及船规要求。创新的DRIVE-CLiQ器件级智能网络连接允许SINAMICS S120各模块之间快速组态及可靠通讯，简化了成柜内部布线，加快了工程调试进度。

3 S120变频器软件功能设计

SINAMICS S120变频器提供了配套的调试软件STARTER，能够实现在线监控、修改参数、故障检测和复位、数据跟踪记录、电机辨识和自动优化等强大功能。

SINAMICS S120变频器采用BICO技术进行参数设置及编程，BICO技术是一种很灵活的把输入和输出功能联系在一起的设置方法，可以方便用户根据实际工艺需求来灵活定义端口。

SINAMICS S120变频器提供了基于BICO技术的逻辑运算块、算数运算块等自由功能块，可以使用户实现自定义的功能。

此外SINAMICS S120变频器还具有DCC（Drive Control Chart）自由编程功能，DCC是西门子专为SINAMICS变频器/SIMOTION控制器提供的一种可编程环境，用图形化的编程语言CFC（Continuous Function Chart）来实现与驱动系统相关功能工具包，允许用户通过编写程序来完成特定工艺需求，更加拓宽了其应用范围[4]。

下面详细介绍基于SINAMICS S120变频器的船舶电力推进系统常用功能软件设计。

3.1 远程/就地操控切换

船舶操控地点一般为驾控室、机旁，有的还增加了集控室。当驾控室远程操控失效时，则需要保证集控室或机旁就地操控有效，通过应急车钟传递指令，确保船舶动力处于受控状态，避免发生海上安全事故。

SINAMICS S120变频器可以很方便的实现远程/就地操控切换。其采用CDS（Command Data Set）切换来实现操控地点的切换，1套CDS包括控制指令（起/停、使能等）及设定值（转速给定等），其切换原理如图4所示[5]。

如图所示，其通过p0170设置CDS数量，最多可设置4套CDS，通过p0810及p0811来选择不同CDS，实现在不同操控地点之间的切换。

3.2 转速模式/功率模式切换

SINAMICS S120变频器可以提供高性能的矢量控制，可进行高精度的有/无编码器转速闭环控制。在良好海况条件下，螺旋桨负载平稳，采用转速控制模式可以获得很好的船舶操控性能。当海况条件恶劣时，螺旋桨负载波动大、随机性强，甚至可能发生螺旋桨跃出水面，此时若依然采用转速控制模式，则会导致推进电机输出功率剧烈变化，引起船舶电网稳定性下降，带来全船失电的风险，因此需要采用功率控制模式。采用DCC实现的转速模式/功率模式切换功能框图5所示[6]。

图4 CDS切换原理示意图

图5 转速模式/功率模式切换功能原理框图

如上图所示，当转速模式/功率模式切换信号为0时，变频器转速给定值来自就地或远程的模拟量给定，通过功率限制模块来进行变频器功率限制，保护机组负载安全。当转速模式/功率模式切换信号为1时，变频器功率限制值来自就地或远程的模拟量给定，转速给定强制为100%，此时电机实际转速斜坡上升，当变频器功率达到功率限制值时，电机转速达到饱和。

3.3 功率限制

功率限制功能的主要作用是在转速控制模式下，当发电机组负荷过高，变频器能够逐步限制推进功率，使机组负荷始终维持在安全水平，或者当某台机组发生重故障停机等其他严重故障时，变频器能够快速限制推进功率，防止全船失电，即图5所示功率限制模块的功能。

SINAMICS S120变频器可以通过端子模块采集所有发电机组在网状态及负荷率，当某台机组负荷率过高时，进行动态功率限制，当某台机组发生故障停机等其他严重故障时，进行快速功率限制，然后根据状态转入动态功率限制或解除功率限制。SINAMICS S120变频器还可以通过PROFIBUS-DP/PROFINET总线或硬线向监控系统发送功率限制状态报警。

上述功能可以通过DCC自由编程功能实现。

3.4 外部报警/故障

对于某些变频器外部报警/故障，其严重影响变频器运行安全，需要对其做连锁等处理。S120变频器可以自定义若干外部报警或者故障，通过外部信号触发，如图6所示。