基於公共直流母線的船用多變頻器系統的製作方法

2023-06-19 16:42:56 2

專利名稱：基於公共直流母線的船用多變頻器系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及應用於船舶交流驅動變頻系統，為多個變頻器組成的系統 提供公共直流電源。其可以廣泛應用於船舶領域，尤其適用於具有多驅動單元 的工程船舶領域。
技術背景目前，船舶的驅動領域廣泛使用液壓傳動系統或者是變極電動機傳動，存 在系統複雜、效率低、維修任務量大等諸多的缺點，正在逐漸被先進的使用變 頻器的交流傳動系統所替代。變頻器交流傳動系統可以克服前述傳統驅動系統 的種種不足，更具有高啟動扭矩、寬廣的無級調速範圍和可充分發揮電制動的 特點，代表著本領域的技術發展方向。目前我國船舶技術領域已在工程船舶製造業中嘗試使用變頻器加異步電動 機構成的交流傳動系統，並在初步運用中認識了交流傳動的優越性。由於受一般變頻器使用方法的影響，目前變頻器在船舶上的運用方式普遍 是一對一的方式，即一個變頻器對應驅動一個負載異步電動機，每個變頻器都 是獨立接入三相主電源系統。也就是說即使一條船上同時使用了數個變頻器， 但是每個變頻器和電動機組成的系統都是各自獨立的。這種構成方式雖然技術 簡單，但是沒有充分發揮變頻器在成組運用時的技術潛力，其經濟性和性能的 優越性尚有很大的提高空間。 發明內容本實用新型的目的是為多變頻器驅動系統提供一種公共直流母線技術，主 要用於船舶領域的絞車負載、風機負載、泵類負載等的多變頻器交流驅動，也 可以延伸到其他領域的同類運用場合。本實用新型的技術解決方案是這樣實現的一種基於公共直流母線的船用多變頻器系統，包括多組變頻器和異步電動機，其特徵在於還包括一個公共直流母線系統和總控單元ccu，所述的公共直流母線系統的輸入端通過公共整流器和輸入濾波器接入船用三相主電源，母線上則並聯接入公共過壓斬波器和系統絕緣檢測裝置；所述的變頻器的一端並聯 接入公共直流母線， 一端則與拖動用的異步電動機相連接;所述的總控單元CCU 通過其CPU板和CAN或MODBUS網絡對所述變頻器系統進行控制。 與現有技術相比較，本實用新型的優點在於(1) 對船舶內主三相電源的容量要求較小。由於共用公共直流母線，當多 個變頻器成組協同工作時，有的變頻器處於牽引消耗電能狀態，有的變頻器處 於電制動發出電能的狀態，電制動變頻器發出的電能能夠被牽引變頻器所使用。 也就是說，多變頻器共用公共直流母線，系統內部可以自然進行能量的循環再 利用，可以極大地減小系統從船舶電網消耗的電能。(2) 具有能量存儲再利用的優勢。由於共用公共直流母線，多個變頻器的 中間支撐電容全部並聯起來，組成了一個巨大的能量存儲設備。由於過壓斬波 單元設定的啟動工作電壓通常比三相整流後的直流母線電壓高出很多，即使多 變頻器系統電制動再生的電能大於牽引消耗的電能，多出的電能完全能夠被這 個巨大的能量存儲設備所儲備，在牽引消耗的電能大於電制動再生的電能時再 消耗掉。說明多變頻器共用公共直流母線，具有能量存儲再利用的優勢。(3) 具有系統發熱量最小的優勢。由於船舶機械工作的特殊性，在實際的 多變頻器協同工作中，處於牽引工作的變頻器從公共直流母線上所吸收的電能， 一定要比處於制動工作的變頻器回饋到公共直流母線上的再生電能大，所以再 生回饋到公共直流母線上的能量一般情況下都可以被牽引變頻器完全利用，不 會造成再生能量的累積而過壓，過壓斬波單元自然也就不會工作。這是公共直 流母線方案的最大優點。相對而言， 一對一的單個變頻器方式則無法實現這樣 的再生電能的重新利用，必須通過制動電阻器將這部分電能白白的消耗掉，即 不經濟，又要造成巨大的發熱量，給相對狹小船艙裡的變頻器設備造成致命的 危害。(4) 具有系統低成本的優勢。由於共用公共直流母線，每個變頻器都不需 要單獨配套三相整流器和制動斬波器以及制動電阻，而只是共用一個公共整流 器和一個公共過壓斬波單元，其容量都比每個變頻器的總和要小得多，而且系統結構更加簡單，直接導致系統的成本較大幅度的降低。(5)具有系統可靠性高的優勢。相對一對一的單個變頻器方式，由於共用 公共直流母線，每個變頻器都不需要單獨配套三相整流器和制動斬波器以及制 動電阻，而只是共用一個公共整流器和公共過壓斬波器，系統結構更加簡單。 簡單的系統結構，較少的整流器和制動斬波器，使主電路系統的功率線路更加 簡潔，故障點較大程度地減少，相應提高了系統的工作可靠性。

本實用新型有附圖5幅，其中圖1是本實用新型的電氣結構框圖；圖2是本實用新型中公共輸入濾波裝置的內部電路示意圖。 圖3是本實用新型中公共整流裝置的內部電路示意圖。 圖4是本實用新型中公共過壓斬波單元的內部電路示意圖。 圖5是本實用新型的控制軟體流程圖。在圖中1、公共輸入濾波裝置，2、公共整流裝置，3、公共直流母線，4、 公共過壓斬波器，5、系統絕緣檢測裝置，6、變頻器，7、負載電動機，8、總 控單元。
具體實施方式
如圖1_圖5所示的一種基於公共直流母線的多變頻器系統，其特徵在於多 個變頻器各自連接在公共的直流母線上，通過公共的整流裝置接入船舶內主三 相電源。公共整流裝置2完成從主三相電源到公共直流電源的轉換；公共直流 母線3向各個變頻器6提供直流電源;各個變頻器驅動各自對應的異步電動機7。 系統還包括輸入濾波裝置l、公共過壓斬波單元4、系統絕緣檢測裝置5和總控 單元8。本實用新型所含的輸入濾波裝置1的內部電路如圖2所示。主要是以一組 三相濾波電抗器和匹配的三組電容器、三相電磁兼容濾波器組成。根據系統的 額定輸入電流，針對電網諧波含量的要求和對同一電網上其他設備的電磁兼容 性要求，計算相應的濾波參數，設計並製造系統專門的輸入濾波裝置。本實用新型所含的公共整流裝置2的內部電路如圖3所示。主要採用普通 的二極體整流裝置，兩組並聯的冗餘方案。由於二極體整流裝置的成本比較低廉，系統可以設置兩組完全一樣的整流裝置，每組整流裝置的容量都可以滿足 系統額定容量的要求。既使運行中一組整流裝置發生故障報警，另一組整流裝 置仍然能夠滿足後級變頻器系統的正常運行，提高了系統的工作可靠性。本實用新型所含的公共直流母線3主要是由銅排和大電纜組成，把公共整流裝置的直流輸出接入每個變頻器的直流輸入端子，公共過壓斬波單元4和系 統絕緣檢觀，裝置5也掛接在公共直流母線上。本實用新型所含的公共過壓斬波單元4的內部電路如圖4所示。主要採用 IGBT元件即絕緣柵極大功率電晶體和大功率電阻組成，兩組並聯的冗餘方案。 由於現場工作中過壓情況的多樣性，系統設置兩組完全一樣的過壓斬波單元， 每組的容量是系統要求的額定容量的一半。在系統過壓情況不嚴重時，可以只 投入一組工作；如果仍然不能夠有效抑制過壓，才把另一組投入工作；而且在 運行中如果一組發生故障報警，另一組仍然能夠滿足系統一般情況下的正常運 行。這樣做並不增加成本，但是可以極大提高系統的工作可靠性。本實用新型所含的系統絕緣檢測裝置5主要是由電流互感器和電子執行電 路組成，電流互感器實時在線檢測整個公共直流母線系統的洩漏電流，電子執 行電路根據設定的洩漏電流警戒值進行故障報警。本實用新型所含的各個變頻器6可以根據現場負載的需要選用各種各樣的 工業變頻器。目前主流品牌的變頻器都可以用來實現本實用新型。在使用中需 要將母線直流電源直接接入各個變頻器的直流輸入端子，並對變頻器控制界面 進行相應的設置即可。本實用新型所含的總控單元8主要是一個以網關板、數字量採集板、模擬 量採集板、開關量輸出板等控制線路板組成的電子控制機箱，機箱內部背板總 線為RS485或者CAN，總控單元自身外掛一個液晶顯示屏。總控單元內部線路 板上運行有系統管理軟體、故障監視和處理軟體以及遠程網絡通訊軟體。在總控單元CCU得電以後，系統自動復位，主控CPU開始運行，主程序 開始被執行。首先進行CPU控制系統的初始化配置，使各個功能外設按照在本 系統中的設定功能進行配置，確保CPU控制系統能夠長期的穩定可靠運行。然 後進行程序基本控制參數和變量的初始化設置，使得系統在得電後正式開始運 行之前各個參數和變量已經處於設定狀態，避免處於隨機狀態導致控制系統的狀態不確定，從而產生無法預知的嚴重後果。接著進行系統控制埠的初始化 配置，目的也是使得系統在正式開始運行之前各個埠已經處於設定狀態，避 免處於隨機狀態導致無法預知的嚴重後果。然後進行網絡通訊相關外設的初始 化配置，按照約定的通訊協議的要求，對通訊的波特率、幀頭、幀尾進行設定， 確保和系統外部相關設備的通訊數據傳輸暢通無誤。隨後就是對本多變頻器系 統特定的一些控制參數如充電時間、各種保護動作的執行時間等進行初始化設 置。最後是對本系統控制使用到的CPU中斷進行初始化配置，在定義了各個中 斷向量、設定了各個中斷的優先級後，依次開放各個使用到的中斷。在進行完 上述所有的初始化配置以後，主程序開始進入設定的主循環程序往復執行，等 待中斷的發生如果沒有中斷發生，就在主循環程序往復執行，等待中斷的發生； 一旦有設定的中斷發生，則轉入執行相應的中斷程序；如果在執行一個中 斷的過程中，有更高優先級的另一個中斷發生，則轉入執行優先級更高的中斷 程序；在優先級較高的中斷程序執行完以後，繼續執行被中斷了的較低優先級 的中斷程序。(1) 主循環程序流程說明在主循環程序中，首先進行主控程序的定時變量的累加計數，用於程序的 運行時序控制和運行指示燈控制。當計數值達到主控定時設定值時，程序將主 控定時計數標誌設定為有效，轉而執行主控工作程序。如果計數值沒有達到主控定時設定值，則轉而判斷計數值是否達到各指示燈的計時設定值；如果達到 各指示燈的計時設定值，程序將把相應的指示燈的埠設定為有效，相應的指 示燈被點亮，同時把計數值清除，回歸零值重新開始累加計數；如果沒有達到 各指示燈的計時設定值，程序將繼續向下執行。接著程序將執行控制系統的內 網CAN通訊的主幀發送程序，在CAN通訊的主幀發送完成以後，程序將返回 開始的主控程序的定時變量的累加計數，開始新一輪的循環。(2) 主控工作程序流程說明在主控工作程序中，首先進行整個控制系統的所有輸入輸出量的採集和處 理，主要的採集量包括整個系統的三相輸入主工作電源電壓、公共直流母線上 的直流電壓、公共過壓斬波單元的工作電流、各個變頻器的基本狀態等。採集 量中還包括整個船用變頻系統的工作狀態是處於網絡控制狀態還是處於端子控制狀態，網絡控制狀態主要用於系統的調試和測試，端子控制狀態則用於系 統的正常工作。如果是處於網絡控制狀態，則程序轉向讀取來自觸摸操作屏的 輸入控制數據，然後根據觸摸操作屏的控制數據執行系統的調試和測試程序， 操作人員可以按照使用維護手冊中的說明逐步進行調試和測試。如果是處於端 子控制狀態，則程序轉向判斷本變頻系統是否已經初始化，如果已經進行過初 始化，則繼續向下執行，否則必須先初始化變頻系統，以提高系統的可靠性和 穩定性。在確認本系統初始化全部完成以後，程序轉向判斷系統是否處於讀取 各個變頻器的參數狀態，如果不處於該狀態，直接轉入負載附屬控制設備的故障檢測及處理程序；否則通過系統內部的CAN通訊或者MODBUS網絡通訊依 次讀取各個變頻器的工作參數，完成後轉入負載附屬控制設備的故障檢測及處 理程序。在故障檢測及處理程序中，主要對各個變頻器對應的負載附屬控制設 備的故障狀態進行檢測，如各個負載電機的外部通風機、電液剎車裝置、龜磁 剎車裝置、電機的電加熱裝置等的狀態，如果出現異常，則對應調動執行相應 的故障保護和報警程序，確保船用變頻系統和其相應的負載系統的可靠工作。 故障檢測及處理程序還要對整個變頻系統的所有主電路快速熔斷器的故障狀態 進行檢測，如各個變頻器的電源輸入熔斷器、公共整流裝置的熔斷器、公共過 壓斬波單元的熔斷器等的狀態，如果出現異常，則對應調用相應的故障保護和 報警程序，確保整個船用變頻系統的可靠工作。隨後程序進入系統控制程序， 首先執行具有較高安全保護等級的電液剎車邏輯控制程序根據有效工作狀態 進行相應的電液剎車的抱閘、釋放等控制；然後執行系統的基本功能控制如緊急停車控制邏輯、系統復位邏輯、應急運行控制邏輯、各控制櫃體門開關連 鎖控制邏輯等。執行完這些功能邏輯控制以後，開始執行公共直流母線系統的 充電控制。由於多變頻器的直流輸入端互相併聯，系統的電容量很大，如果直 接閉合主接觸器上電，瞬時會產生巨大的輸入電流，不僅對輸入電源系統造成 很大的衝擊，而且也有損電容器的壽命，所以必須控制充電電流，通過控制充 電接觸器接入充電限流電阻，使得輸入電源可以給公共直流母線系統進行平滑 充電，充電電流限制在系統的額定工作電流以內，避免對輸入電源系統造成衝 擊。在公共直流母線上的電壓建立起來以後，再閉合主接觸器，此時系統才算 備妥，向外部控制系統發出備妥信息，系統才可以響應運行控制命令，各個變頻器才可以正式開始工作。在各個變頻器允許正式工作以後，執行負載電機的 外部風機控制程序由於變頻器驅動的負載電機允許長時間工作在極低轉速工 況，此時電機的發熱很嚴重，必須有單獨的外部風機進行強迫風冷，才能夠保 證電機的長期可靠運行。在各個變頻器允許正式工作以後，同時執行負載電機 的轉向和纜繩收放狀態的邏輯處理，使系統接收的對收放纜繩的控制命令轉化 為相應的電機轉向命令，供相應的變頻器運行。在執行完上述基本控制程序以 後，程序轉向執行信息處理逋過系統內部的通訊網絡，搜集各個變頻器的工 作信息參數和公共直流母線系統的工作信息參數，然後分類向本地櫃體上的觸 摸顯示屏發送相關的運行數據信息，以及向遠程的船機控制室發送系統的運行 數據信息。至此主控工作程序的功能全部執行完畢，程序跳出主控工作程序， 繼續執行前訴的主循環程序，在下一輪的循環中重複執行主控工作程序。
權利要求1、一種基於公共直流母線的船用多變頻器系統，包括多組變頻器和異步電動機，其特徵在於還包括一個公共直流母線系統(3)和總控單元CCU(8)，所述的公共直流母線系統的輸入端通過公共整流器(2)和輸入濾波器(1)接入船用三相主電源，母線上則並聯接入公共過壓斬波器(4)和系統絕緣檢測裝置(5)；所述的變頻器(6)的一端並聯接入公共直流母線(3)，一端則與拖動用的異步電動機(7)相連接；所述的總控單元CCU通過其CPU板和CAN或MODBUS網絡對所述變頻器系統進行控制。
專利摘要本實用新型公開了一種基於公共直流母線技術的船用多變頻器系統，其特徵在於多個變頻器各自連接在公共的直流母線上，通過公共的整流裝置接入船舶內主三相電源。公共整流裝置完成從主三相電源到公共直流電源的轉換，通過公共直流母線向各個變頻器提供直流電源，各個變頻器驅動各自對應的異步電動機。所述的船用多變頻器系統只需一組公共的輸入濾波裝置、一組公共的三相整流裝置、一組公共的過壓斬波單元和一組公共的絕緣檢測裝置，就可以為多變頻器組成的後級系統提供可靠的工作保障。極大地提高了整個系統的工作可靠性。本實用新型主要應用在船舶交流驅動變頻系統，用於船舶的絞車負載、風機負載、泵類負載等的多變頻器交流驅動。
文檔編號H02P27/04GK201113911SQ20072001532
公開日2008年9月10日 申請日期2007年10月16日 優先權日2007年10月16日
發明者海 呂, 奚國華, 姜悅禮, 車向中, 郭建斌, 馬晨普 申請人:謝步明