李強，阮會，周艷紅

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船用推進變頻調(diào)速裝置保護技術(shù)研究

李強，阮會，周艷紅

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

推進變頻調(diào)速裝置是船用電力推進系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，一旦損壞不能正常運行，將導(dǎo)致全船整個推進系統(tǒng)癱瘓，失去前進動力。基于推進變頻調(diào)速裝置在船用電力推進系統(tǒng)中的重要使命，本文針對船用變頻調(diào)速裝置可能存在的故障類型進行了分析，提出了相應(yīng)故障類型的保護要求，給出了保護方法，并對關(guān)鍵保護技術(shù)進行了試驗驗證。試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求，證明了保護方法的可實現(xiàn)與有效，提高了船用動力系統(tǒng)的可靠性，具有較高的理論研究價值和工程應(yīng)用價值。

變頻調(diào)速裝置 故障類型 保護方法

0 引言

船用電力推進系統(tǒng)主要由推進變壓器、推進變頻調(diào)速裝置（又稱為推進變頻器）、推進電機、開關(guān)等組成，如圖1所示。推進變頻調(diào)速裝置將船舶電網(wǎng)的交流恒頻恒壓電轉(zhuǎn)換為頻率及電壓可調(diào)的變頻電源，用以改變負載推進電動機及螺旋槳的轉(zhuǎn)速，并最終完成船舶航速及航姿的調(diào)節(jié)。推進變頻調(diào)速裝置是船用電力推進系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，一旦出現(xiàn)故障不能正常運行，輕則使得船舶不能全速航行，重則導(dǎo)致整個推進系統(tǒng)癱瘓，失去前進動力。

本文重點針對變頻調(diào)速裝置主要保護問題，提出相應(yīng)的保護措施及設(shè)計方法，以期避免變頻調(diào)速裝置相關(guān)故障的發(fā)生或即使故障發(fā)生后，也能快速切除故障，保障全船動力設(shè)備安全。

1 保護方法

1.1 過電流保護

目前，船用推進變頻器針對過流保護主要采用快速熔斷器加電流傳感器檢測相結(jié)合的方式，快速熔斷器是目前廣泛應(yīng)用的一種保護措施，在發(fā)生過電流時，利用其快速熔斷特性和二極管過載特性相配合，使其先期熔斷并切斷電路，保護器件?？焖偃蹟嗥骶哂型ㄟ^電流越大，熔斷時間越短的特點，適合做短路保護，但不宜做過載保護。

變頻調(diào)速裝置過電流保護同時還通過電流傳感器檢測來實現(xiàn)。電流傳感器將檢測到的電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理板轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號傳送至DSP板，DSP比較檢測的電流值與過流閥值，電流一旦超過設(shè)定閥值，DSP板將迅速閉鎖所有功率器件脈沖，同時分斷輸入開關(guān)柜。當(dāng)變頻調(diào)速裝置所用功率器件選用IGCT，并且橋臂出現(xiàn)直通時，該方法可起到防止故障擴大的作用。

變頻調(diào)速裝置運行時或工況轉(zhuǎn)變中，當(dāng)負載突變，電流可能急劇增大。為了保護變頻器的安全，當(dāng)傳感器檢測到輸出電流增大到設(shè)定閥值時，控制系統(tǒng)封鎖脈沖，同時分斷開關(guān)柜，以保護變頻設(shè)備的安全。

此外，還可在變頻驅(qū)動裝置的輸入端設(shè)置交流斷路器，斷路器中設(shè)置有鐘保系統(tǒng)，由斷路器中電流檢測單元（如電流傳感器）實時檢測系統(tǒng)輸入電流，采樣形成輸入電流信號，再將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送至電壓比較器，與鐘保系統(tǒng)中過流整定值比較。在變頻調(diào)速裝置發(fā)生過載或短路時，電流信號超過鐘保系統(tǒng)中過流整定閥值，鐘保系統(tǒng)可控制快速分斷斷路器開關(guān)。

1.2 過電壓保護

變頻調(diào)速裝置過電壓保護是變頻調(diào)速裝置中間直流電壓達到危險程度后采取的保護措施，在變頻調(diào)速裝置實際運行中引起直流母線過壓故障的原因較多，可以采取的措施也較多。

一般能引起中間直流回路過電壓的原因主要來自以下兩個方面：

1）來自電源輸入側(cè)的過電壓

電源輸入側(cè)的過電壓主要為電源側(cè)的沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、斷路器在合閘或斷開時形成的操作過電壓等，主要特點是電壓變化率和幅值都很大。

2)來自負載側(cè)的過電壓

主要為電動機因設(shè)定頻率突降而減速或負載突卸等原因使電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，通過逆變單元的續(xù)流二極管回饋到變頻調(diào)速裝置的中間直流單元中，由于船用電網(wǎng)的孤島特性，選用的整流單元為二極管不控整流，能量不能回饋電網(wǎng)。此時變頻調(diào)速裝置直流支撐電容充電，使直流母線電壓升高，嚴重時導(dǎo)致過電壓。

船用變頻調(diào)速裝置中對過電壓的處理主要包括以下兩種方法: 1）設(shè)定合理控制系統(tǒng)參數(shù)，采用延長變頻調(diào)速裝置減速時間的方法來解決。而對于負載突卸過電壓故障，可在負載突卸前，將變頻調(diào)速裝置的輸出頻率作適當(dāng)提升，減少負載側(cè)過多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過電壓故障。

2）設(shè)置制動單元吸收直流母線過電壓

目前針對船用電網(wǎng)的孤島特性，在直流單元出現(xiàn)過電壓時不能將能量回饋至船用電網(wǎng)。船用變頻調(diào)速裝置直流母線過壓常用的方法為在直流單元直流側(cè)并聯(lián)制動單元，通過開關(guān)器件將這部分能量消耗在制動電阻上，保護變頻調(diào)速裝置的安全，同時提高電機的制動能力。

制動單元根據(jù)功率器件、主回路拓撲結(jié)構(gòu)的不同主要有以下幾種型式，如圖3所示。圖3（a）、（b）分別為IGBT、IGCT兩電平制動單元結(jié)構(gòu)型式，圖3（c）、（d）分別為IGBT、IGCT三電平制動單元結(jié)構(gòu)型式。圖中R為制動電阻。

3）設(shè)置避雷器或壓敏電阻

避雷器、壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)而成的非線性電阻元件，具有明顯的擊穿電壓。在施加電壓低于擊穿電壓時，漏電流僅為毫安級，損耗?。辉谑┘与妷撼^擊穿電壓時，可以通過很大的浪涌電流，對雷擊過電壓、操作過電壓有很好的吸收效果。

1.3 中點電位不平衡保護

目前，由于電力電子器件耐壓水平的原因，中壓船用推進變頻調(diào)速裝置主電路主要采用三電平結(jié)構(gòu)型式。變頻調(diào)速裝置直流側(cè)包含正母線、負母線和零母線。正母線與零母線之間、負母線與零母線之間分別安裝有直流支撐電容組，正負兩組支撐電容上電壓不均衡稱為中點電位不平衡。

中點電壓不平衡問題是二極管鉗位型三電平逆變器固有的問題，而中點電壓的不平衡會造成嚴重的危害：

1）增加輸出電壓低次諧波，導(dǎo)致輸出電壓波形畸變，降低輸出波形質(zhì)量；

2）帶電機負載時電壓中含低次諧波，使電機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響調(diào)速性能；

3）開關(guān)器件受壓不均衡，可能導(dǎo)致功率器件及直流側(cè)電容的損壞。

基于中點電位不平衡帶來的危害，為了保證變頻調(diào)速裝置的正常運行，同時保證負載的安全，應(yīng)努力使變頻驅(qū)動裝置直流單元中性點電壓保持平衡。

為此，可在控制策略中對中點不平衡電壓進行抑制。目前，針對中點電位不平衡問題我們提出了一種實現(xiàn)簡單、適用的控制方法，該方法根據(jù)實時檢測直流母線兩組直流母線電壓及輸出電流的方向，實時調(diào)整各橋臂的調(diào)制波幅值，進而調(diào)整兩組正負支撐電容組充放電時間使其電壓最終達到平衡。該方法經(jīng)過仿真與試驗驗證，對中點不平衡抑制有很好的效果。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于我所BP-7推進變頻器上。

1.4 零電平保護

基于IGCT三電平H橋或全橋拓撲結(jié)構(gòu)的變頻調(diào)速裝置，在正常工作時，為了滿足負載電感續(xù)流要求和保證IGCT正常關(guān)斷，輸出相電壓瞬態(tài)電平必須有零電平過度，但當(dāng)其停機緊急停機或故障停機時，可能存在直接由1電平或-1電平直接跳變到脈沖全封鎖狀態(tài)，由于IGCT是電流源型功率器件，這種未經(jīng)零電平過渡的開關(guān)過程將導(dǎo)致某些功率器件無法關(guān)斷，同時因為負載電感續(xù)流原因，出現(xiàn)單個功率器件承受全壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致IGCT功率器件因過壓而損壞。

為了提高設(shè)備的可靠性，在光纖板硬件電路設(shè)計時加入了零電平保護功能，在PWM波禁止時，先輸出1ms左右的零電平脈沖，再封鎖脈沖，使所有功率器件正常關(guān)斷，保證設(shè)備的安全。

1.5 短路電子保護

當(dāng)變頻調(diào)速裝置逆變單元或輸出側(cè)發(fā)生短路故障時，流經(jīng)功率器件上的電流急劇上升，若不采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo措施，將可能造成功率器件的損壞，甚至導(dǎo)致全船動力系統(tǒng)的癱瘓。

1）瞬態(tài)過電流電子保護工作原理

變頻調(diào)速裝置發(fā)生內(nèi)部瞬態(tài)過流故障過程是一個微秒級大電流振蕩放電過程。采用傳統(tǒng)的短路過流保護方法，在如此短的時間內(nèi)要達到保護器件的目的是非常困難的。

對此，考慮采用一種實時性更為可靠的檢測判定方法：直接通過對限流電感上的電壓進行閥值檢定，判斷主回路是否發(fā)生短路過流。DC-link環(huán)節(jié)限流電感電壓變化能直接反映主回路電流的變化。對限流電感線圈采取抽頭的做法，并在抽頭處安裝一閥值判定電路，可無延時地反映出限流電感電壓大小。通過閥值判定電路對該電壓的比較，獲得主回路是否發(fā)生短路過流故障的信息。在出現(xiàn)短路過電流后，不立即關(guān)斷IGCT，而是利用IGCT通態(tài)條件下可承受大電流的特點，將所有橋臂上的IGCT器件全部開通以分擔(dān)短路電流。

針對以上原理，對三電平H橋結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速裝置電子保護方案設(shè)計如圖4所示。

具體工作步驟如下：

a) 當(dāng)主回路中發(fā)生過電流故障時，直流母線中的電流迅速上升，當(dāng)閥值比較電路判定出現(xiàn)短路過流故障時，控制器控制IGCT驅(qū)動將主回路中IGCT全部開通，同時發(fā)出變頻調(diào)速裝置前端斷路器分閘指令；

b) IGCT全部開通后，直流母線電流繼續(xù)上升，同時直流電容支路電流也在上升，當(dāng)該電流達到IGBT短路保護電流閥值，IGBT短路保護關(guān)斷器件，使直流電容與直流母線脫開；

c) 直流電容與直流母線脫開后，直流母線中的電流將會迅速下降，待電流降至安全范圍，控制板發(fā)出IGCT關(guān)斷指令，直流母線電容開始放電。

2）試驗驗證

為了驗證電子保護方案的正確性與有效性，搭建了短路電子保護實驗平臺，主電路示意圖如圖5所示。

直流母線電壓1800 V；C為10 mF直流濾波電容；K選用3300 V/1500 A的IGBT，短路前保持開通狀態(tài)；DC-link環(huán)節(jié)由及構(gòu)成，其中為8 μH水冷電感，2 μH處取抽頭；平臺采用雙橋臂，橋臂采用的功率器件為5SHX19L6010型IGCT。

圖6為短路保護試驗波形，其中圖6（a）為保護動作前后K管、T1管端電壓及直流母線電流變化波形，圖6（b）為限流電感上的電壓變化波形。

可以看出，T1管開通，直流母線電流迅速上升（圖6（a）中4通道），同時限流電感上出現(xiàn)一電壓脈沖（圖6（b）中2通道）；直流母線電流升至K管過流保護動作，K管關(guān)斷并出現(xiàn)關(guān)斷過電壓（圖6（a）中3通道）；直流母線電流下降，隨后T1、T2管關(guān)斷（圖6（a）中1通道）。整個過流保護完成的時間在40 μs以內(nèi)，可滿足保護需要。

1.6 直通閉鎖保護

變頻調(diào)速裝置功率器件開通、關(guān)斷特性不同，存在時延現(xiàn)象，為了避免由于關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，導(dǎo)致功率器件短路而瞬間過流損壞，必須設(shè)置死區(qū)時間，死區(qū)時間根據(jù)功率器件的開關(guān)特性而定，取決于功率元件制作工藝，在保證器件安全的前提下，越小越好，一般為μs級。

為了提高設(shè)備可靠性，為了滿足船用裝置可靠性要求，一方面可通過提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，另一方面通過研究直通閉鎖技術(shù)，在死區(qū)生成電路失效的前提下，通過判斷直通現(xiàn)象及時封鎖脈沖，在直通電流大于器件最大關(guān)斷電流前封鎖脈沖，保護功率器件的安全。

為了驗證直通閉鎖硬件電路設(shè)計正確有效，人為產(chǎn)生直通的驅(qū)動信號，測試直通閉鎖電路直通發(fā)生后到脈沖封鎖響應(yīng)時間，試驗結(jié)果如圖7所示。

wave1和wave2分別為三電平H橋逆變單元中T1、T3兩個IGCT驅(qū)動脈沖波形，wave3為光纖驅(qū)動板上PWM使能信號。由圖可以看出，當(dāng)wave1和wave2同時有開通狀態(tài)（低電平表示開通）出現(xiàn)時，則wave3變低電平（低電平表示禁止），此時wave1和wave2變高電平，對應(yīng)IGCT關(guān)斷。

從直通發(fā)生到脈沖封鎖響應(yīng)時間為201 ns，滿足設(shè)計要求。

1.7 其它保護

變頻調(diào)速裝置除了各組成單元的自身故障需采取保護措施外，還需對變頻調(diào)速裝置其它故障進行保護，主要包括：控制系統(tǒng)掉電保護、接地保護、器件及設(shè)備過溫保護、冷卻系統(tǒng)故障保護等。

2 總結(jié)

本文通過對船用變頻調(diào)速裝置可能存在的其它故障類型進行了分析，提出了相應(yīng)故障類型的保護要求，給出了具體保護方法。并對關(guān)鍵保護技術(shù)進行了試驗驗證，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求，證明了保護方法的可實現(xiàn)與有效，提高了船用動力系統(tǒng)的可靠性，具有較高的理論研究價值和工程應(yīng)用價值。

[1] 李國棟，毛承雄，陸繼明，崔艷艷. 基于IGCT串聯(lián)的三電平高壓變頻器直流環(huán)節(jié)研究. 中國電機工程學(xué)報, 2007，27（1）：82-87.

[2] 胡兆慶, 毛承雄, 陸繼明. 高壓變頻器中快熔模型及IGCT保護. 高壓電器, 2005，41（2）.

[3] 陳堅編著. 電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)(第一版). 北京: 高等教育出版社,2001.

[4] GJB1391-92. 故障模式、影響及危害性分析程序.

Research on Protection Technology of Marine Propulsion Frequency Converter

Li Qiang，Ruan Hui，Zhou Yanhong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2014）09-0071-05

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

李強（1978-），男，高級工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動。