船用低压大功率AFE推进变频器的研究

2017-10-14李军政

船电技术 2017年5期

李军政，刘佳

船用低压大功率AFE推进变频器的研究

李军政，刘佳

（海军装备部装备采购中心，北京100073）

本文通过主回路、硬件电路、软件控制算法和水冷散热几个方面对船用低压有源前端推进变频器进行了较为详细的理论介绍，针对船用设备对体积、重量和散热等方面的特殊要求进行了工程实现的有效探索，最后通过仿真与试验验证了设计理论的正确性与工程化的可实现性。

有源前端主回路推进变频器

0 引言

船舶采用电力调速系统作为推进动力已有近百年历史，随着发电系统和变频调速技术的日益成熟，使得交流调速技术已逐步应用到各种船舶推进系统及近海设备中[1]。本文将有源前端取代传统不控整流单元，AFE整流单元和逆变单元均采用高开关频率的IGBT作为主功率器件，采用先进的AFE整流技术及国外最新应用在电力推进上的有源前端（AFE）方案，实现能量的双向流动。同时可以宽范围（-1～1）调整输入的功率因数，降低对船用电网的谐波污染[2]。

考虑到船用设备对体积、重量和产品维护方面的要求，变频器产品在设计中应遵循：

1)采用标准化、模块化设计，以最少规格种类的器件及材料选型、有限的基本组件为核心，通过标准柜组合实现要求的产品；

2)标准化、模块化设计应依次贯彻到“核心元件/模块—>基本组件—>单元柜—>特定产品”四级之中；

3)基本组件应按不同的功能分类，包括整流组件、逆变组件、驱动控制器组件、辅助配电组件、控制软件；

4)在要求功率范围内能够通过柜体组合实现不同的功率、功能。

基于以上考虑，通过主回路、硬件电路、软件控制算法和水冷散热的技术设计以及工程实现，将成熟的AFE变频器产品应用到船舶主/侧推进系统。

1 AFE变频器基本功能要求及构成

船用低压AFE变频器（以下简称变频器）按电路功能可分为整流单元、逆变单元、输入滤波单元、输出滤波单元、控制及辅助电路单元、水冷单元。推进变频器主回路拓扑采用交直交拓扑方案，电力电子主回路采用模块化设计，力求达到较大的功率密度和高可靠性，满足船用设备对体积和重量的要求。功率柜的设计采用模块化设计的思想，便于变频器维修，扩容。

1.1可控整流单元

单台变频器的整流部分拓扑结构采用与逆变部分相同的拓扑技术。整流组件及逆变组件的驱动脉冲由电机控制芯片分配给各逆变模块。

在整流单元的输入端加装压敏电阻，防止变频器输入浪涌电压以及操作过电压的产生损坏变频器。同时根据变频器电磁兼容的要求，在设备输入端安装高频Y1级安规电容抑制电快速瞬变脉冲群。

1.2进线滤波单元

进线滤波单元采用LCL滤波拓扑结构，主要作用是抑制AFE到电网的谐波同时减小开关器件的电流应力。

LCL滤波柜内的主要部件有交流输入熔断器、LCL滤波、信号采集模块以及传感器组成。

LCL滤波采用模块化设计，冷却方式采用水冷为主，辅助风冷的方式。风机安装在模块顶部。LCL滤波模块采用下进后出的走线方式，利用背部空间将三相交流排引至整流柜。

1.3 逆变单元

逆变单元是变流器的核心部分。设计时在保证电气间隙和爬电距离的同时，尽量使其电气布置，结构体积达到最优效果。考虑到船用设备的使用条件，功率组件采用水冷散热方式，可以有效的提高组件的散热效果和功率密度。水冷散热板通过分水管与变流器内部主水管相连，热量通过内部循环水带出。IGBT驱动板采用光纤驱动接口，实现强电、弱电分离，降低电磁干扰影响[3]。

功率单元模块包括为直流环节电容及功率器件，通过层压母线实现直流环节电容与功率器件的电气连接。为方便维修，逆变组件采用立式安装，并装配扶手，在组件故障时，通过扶手将组件通过轨道拖出。为防止水管接头漏水对功率器件造成的影响，逆变模块采用立式放置的方式，同时水管接头位于逆变模块的底部，这样即使漏水，也不至于对功率模块造成影响。

1.4 输出d/d单元

为了尽可能降低逆变器输出PWM波形的电压上升率，降低对电机绕组的绝缘应力，同时在长电缆应用场合，降低在电机绕组上的过电压，在逆变器输出端加装d/d滤波器。输出d/d滤波器由滤波电感，滤波电容及滤波电阻组成。

1.5 水冷单元

冷却系统采用水-水冷却方式。变频器装置以纯水作为主冷却介质，变流器内部功率器件热损耗通过水冷板内部循环冷却介质冷却，内循环冷却介质将热损耗通过水冷单元内部的板式换热器传递给外冷却介质（工业淡水或海水），将变频器内部热量带走。冷却系统设有排气与过滤系统、具备温度、压力等监测与保护功能、具备补水及排水功能。为提高水冷设备的可靠性，循环水泵采用两台并联互为备份的运行方式。

2 AFE变频器的硬件系统设计

变频器控制系统只要由硬件电路和软件编程实现，以下分别进行叙述。

控制系统硬件由PLC逻辑控制器、OP用户操作面板、硬件控制机箱、分布在柜体内的底层控制器及功率模块驱动组件组成。控制机箱提供功率模块IGBT的驱动脉冲，操作面板与控制机箱之间采用RS232总线进行通讯，控制机箱与PLC采用RS485总线进行通讯，控制机箱与底层管理模块间通过CAN总线实现信息交互。

机箱控制器是控制系统的核心，负责控制系统的核心控制算法实现，功率模块IGBT驱动脉冲的产生，变频器参数设定与管理，位置与转速的检测，故障处理与保护，人机信息交互，与PLC逻辑控制器及底层控制器的通讯等。机箱控制器基本配置由电源板、CPU板、调理板、IO板、通讯转接板和光纤板组成，可根据变频器的实际需求，可配置温度巡检板卡、FPGA扩展板卡、光纤扩展板卡和背板等。CPU板由DSP、CPLD以及一些外围扩展电路组成。可实现矢量控制和直接转矩控制等复杂的控制算法运算、生成PWM信号、信号采集、系统保护、电机位置及速度检测、与上位机通讯等功能[4]。信号调理板完成电压、电流信号的检测、故障判断及报警功能，将调理后的数据送至CPU板的外部ADC进行采样，并通过SPI总线将故障信息传送至CPU板。

PLC逻辑控制器主要由PLC控制器及控制继电器组成，主要完成通讯工作及变频器的开关量控制。

用户在变频器机旁通过操作面板对变频器操作。与机箱控制器进行通讯，可设定变频驱动装置的控制指令、控制对象的电参数、变流器参数和控制软件的调节参数，并将变频器运行参数与报警及故障信息显示在面板上。

底层控制器安装于各柜体内，是各个柜体的现场信息处理单元，负责收集现场的信号，并通过CAN总线送入机箱控制器进行综合管理。

3 AFE变频器的软件系统设计

将软件系统分为四部分：变频器底层控制器、变频器控制机箱、变频器逻辑处理单元、变频器操作显示单元，各部分分工明确。

3.1变频器操作显示单元

完成变频器的就地操作，包括操作指令、给定参数（如转速）的设定以及变频驱动系统实时状态监控。

3.2变频器逻辑处理单元（PLC）

完成PLC与变频器控制机箱中CPU板的数据交换和PLC与远程监控台数据交换；接收远程监控台发送的变频器操作指令，下载给变频器；接收变频器控制机箱中发送的变频器实时状态，转发给远程监控台；完成变频器内部数字信号的采集、处理和变频器内部数字信号输出，包括控制机箱故障、控制柜门按钮等信号采集，经设定的逻辑处理后，输出柜门指示灯和紧急停机等信号；完成变频器外部数字/模拟量信号的采集、逻辑处理和变频器外部数字/模拟量信号输出。

3.3变频器控制机箱

变频器控制机箱为变频器内核心控制器。

a)完成与变频器底层控制器信息收集，定时向底层控制器发送实时数据请求，接收回应数据，并进行打包处理；b)完成与PLC数据交换，接收PLC发送的操作指令，执行相应处理；发送变频器实时状态给PLC；c)完成与OP数据交换，接收OP发送的操作指令，执行相应处理，并转发给PLC；发送变频器实时状态、变频器参数给OP，便于状态显示；d)根据接收的变频器参数，结合采样的模拟量、数字量信号和控制算法、调制策略，实现变频器的硬件、软件保护；e)完成变频器内模拟量的采集（输入电压、直流电压、输入电流等）、处理，完成电机转速的检测、处理，结合控制算法、调制策略和接收指令，实现变频器的控制；f)完成变频器内模拟量的采集（直流电压、输出电流等）、处理，完成电机转速的检测、处理，结合控制算法、调制策略和接收指令，实现变频器的恒转速、恒功率、转速限制、功率限制等控制功能[5]；g)完成变频器内功率器件的驱动与保护；h)完成变频器内运行参数（电压、电流、转速、功率、功率因数等）计算；i)完成变频器外数字信号的采集、处理、输出，并按预定逻辑处理。

3.4 变频器底层控制器

完成与控制机箱中数据交换，接收发送的数据帧，返回底层控制器采集的电压、电流、温度等数据信息；

完成各功率柜内部IO信号采集、处理，输出相应IO信号。