CN105978359A - 十二相永磁推进变频器 - Google Patents

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艾胜
任强
胡亮灯
曾启帆
康军
王钰
陶涛
陈珞珈
熊又星
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Abstract

本发明提供了一种十二相永磁推进变频器，其特征在于：12个相同的标准逆变模块、12个相同的滤波器、2个相同的标准制动模块；12个的标准逆变模块和2个标准制动模块均均匀分配于两个通道中；三相交流电输入经整流变压器和均衡电抗器分别输出直流电压至两个通道内的公共直流母线排；每个通道内的标准逆变模块和标准制动模块分别并联于公共直流母排上；每个标准逆变模块输出端对应连接至1个滤波器的输入端；每个滤波器输出端对应连接至电机一相开端绕组。本发明提供一种1.8MW/十二相永磁推进变频器,集成模块化程度高、噪音低、可靠性可维护性好,用以直接驱动船舶永磁推进电机低噪音运行。

Description

十二相永磁推进变频器
技术领域
本发明属于属于中大功率电能变换领域，具体涉及基于中大功率电力电子开关器件的一种1.8MW/十二相永磁推进变频器。
背景技术
作为世界船舶动力平台的第三次革命，船舶综合电力推进技术已成为世界各国共同关注和研究的热点，代表着未来船舶动力技术的发展方向。船舶综合电力系统集发电、电力推进、舰载武器供电和日常用电于一体，通过统一管理调度电能分配，电能利用率高，有效的提高了船舶的战斗力和生命力。船舶电力推进技术作为综合电力系统的关键技术，相比传统机械推进系统，具有噪音低、调速性能好、可靠性和维护性能好等优势，已成为当前先进船舶推进的标志之一。电力推进系统根据推进电机的形式，可分为直流电力推进和交流电力推进。相比传统直流电力推进，交流电力推进具有无换向火花、可靠性高等优点。而交流电力推进又可根据交流电机的具体类型，分为同步电机电力推进和异步电机电力推进。永磁电机作为同步电机的一种，以高性能永磁材料为核心，具有功率密度高、可靠性好、控制性能好、振动噪音小等优点，其应用范围也越来越广。特别是对振动噪音要求较高的应用场合，永磁电机具有常规交流电机无法比拟的优势。
随着大功率电力电子技术的不断进步，大功率变频调速技术得到了迅猛的发展，极大地促进了船舶全电推进的研究和产品开发，如美国海军的综合电力系统计划(IPS)和英国海军的综合全电力推进(IFEP)。由于国外电力电子技术研究起步早、技术积累深厚，在大功率变频调速方面具有明显的领先优势，其产品也已在相应的船舶上列装，比如美国海军DDG1000驱逐舰装备的全电力推进系统、英国皇家海军45型驱逐舰装备的先进感应推进系统等。相比国外大功率变频调速技术发展，我国的大功率高性能变频调速技术还处于发展阶段，理论研究较活跃，但实际工程研制较弱，尤其在装置的综合性能、可靠性、功率密度等方面仍面临许多技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种十二相永磁推进变频器，其集成模块化程度高、噪音低、可靠性可维护性好,用以直接驱动船舶永磁推进电机低噪音运行。
本发明提供了一种1.8MW/十二相永磁推进变频器，其特征在于：包括12个相同的标准逆变模块、12个相同的滤波器、2个相同的标准制动模块；12个的标准逆变模块和2个标准制动模块均均匀分配于两个通道中；三相交流电输入经整流变压器和均衡电抗器分别输出直流电压至两个通道内的公共直流母线排；每个通道内的标准逆变模块和标准制动模块分别并联于公共直流母排上；每个标准逆变模块输出端对应连接至1个滤波器的输入端；每个滤波器输出端对应连接至电机一相开端绕组。
本发明还包括柜体、换热器、闭式循环水冷系统和外循环冷却水系统；标准逆变模块、滤波器、标准制动模块均设置于柜体内；闭式循环水冷系统设置于柜体内用于吸收柜体内部器件热量，并通过换热器将热量传递至位于柜体外部的外循环冷却水系统。
本发明还包括基于主从结构的控制系统，所述控制系统包括1个上位机、1个主控制器和4个从控制器；主控制器采用DSP和FPGA构架，从控制器采用FPGA构架；1个从控制器对应控制3相标准逆变模块；主控制器与上位机通讯连接；主控制器和从控制器之间采用点对点的光纤传输，其中数据通信采用基于曼彻斯特码的通信格式；从控制器和标准逆变模块之间采用光纤传输。
所述的滤波器为dv/dt滤波器或正弦波滤波器，用以对每相电机绕组输出电流滤波。
所述的标准制动模块采用斩波电路结构；标准制动模块输出端直接连接制动电阻。
所述闭式水冷系统包括多种检测装置：水温检测装置、流量检测装置、压力检测装置，当上述检测装置到异常情况时，控制系统能显示异常并报警。
本发明模块化程度高。该十二相永磁推进变频器采用模块化设计，每相功率逆变单元为标准模块，相互之间可以替换，有效的降低了变频器的分散性。整个变频器结构紧凑，体积重量轻。本发明可维修性好，考虑易损易坏器件的维护性能，该变频器以逆变单元为基本模块，内部集成的支撑电容、功率器件、滤波器模块以及配套的检测控制模块，具有较好的可拆卸性和维修性。本发明通用性和适应性强。整个变频器由独立的十二相标准逆变模块和两个标准制动模块构成，每个标准逆变模块和标准制动模块均可独立工作，也可以几个逆变模块和制动模块组合工作，可用于驱动单向、或多相电机。在驱动十二相永磁电机时，变频器可以容易的实现缺相运行。本发明电磁兼容性能好。整个逆变器的控制脉冲、数据信号、检测信号都采用光纤信号传输，抗干扰能力强，较好的满足中大功率变频器舰载设备的电磁兼容要求。控制系统均采用隔离供电，整个变频器强弱电分离。本发明控制结构简单。该变频器控制系统采用主从式控制构架，包括一个主控制器和四个从控制器。每个从控制器控制一组三相标准逆变模块，并兼顾一个标准制动单元的控制功能。主从控制器之间采用点对点的光纤通信，光纤线路少，控制功能简单。数据信号采用基于曼彻斯特码的高速单光纤通信。本发明电磁振动噪声小。采用多相输出结构，结合变频器的永磁电机目标，整个推进系统电磁振动噪声小，满足特殊噪声需求的装舰要求。
附图说明
图1为本发明的电气拓扑图；
图2为本发明的标准逆变模块电气原理图；
图3为本发明的标准逆变模块示意图；
图4为本发明的标准制动模块电气原理图；
图5为本发明的标准制动模块示意图；
图6为本发明的主从式控制结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种1.8MW/十二相永磁推进变频器，其特征在于：12个相同的标准逆变模块、12个相同的滤波器、2个相同的标准制动模块、12个的标准逆变模块和2个标准制动模块均均匀分配于两个通道中；三相交流电输入经整流变压器和均衡电抗器分别输出直流电压至两个通道内的公共直流母线排；每个通道内的标准逆变模块和标准制动模块分别并联于公共直流母排上；每个标准逆变模块输出端对应连接至1个滤波器的输入端；每个滤波器输出端对应连接至电机一相开端绕组。
图1中输入为3相50Hz的交流电，其额定线电压为690V，输入的交流电压经整流变压器后，得到额定电压为975V的直流电压。整流变压器输出端经过均衡电抗器直接连接至两个通道的的公共直流母线排。标准制动模块设有电压上限门槛电压，当公共母线电压高于门槛电压时，标准制动模块工作，消耗电能，起到降低电压的作用。12个标准逆变模块平均分配在两个通道中，并将直流电压变换为频率和幅值可控的交流输出，用于驱动电机。每个标准逆变模块均设有多重保护功能，包括输出电流过流保护、IGBT过温保护、IGBT故障保护等，并根据不同的情况执行不同保护处理。每个标准逆变模块输出均接有滤波器，用以减小变频器输出到电机的干扰。滤波器输出直接连接电机一相开端绕组。
本发明还包括柜体、换热器、闭式循环水冷系统和外循环冷却水系统；标准逆变模块、滤波器、标准制动模块均设置于柜体内；闭式循环水冷系统设置于柜体内用于吸收柜体内部器件热量，并通过换热器将热量传递至位于柜体外部的外循环冷却水系统。变频器采用闭式循环水冷方式，利用冷却水将柜体内部器件产生的热量通过换热器带走，保证柜体和器件在安全的工作温度下。所述闭式水冷系统包括多种检测装置：水温检测装置、流量检测装置、压力检测装置，当上述检测装置到异常情况时，控制系统能显示异常并报警。
本发明还包括基于主从结构的控制系统，所述控制系统包括1个上位机、1个主控制器和4个从控制器；主控制器采用DSP和FPGA构架，从控制器采用FPGA构架；1个从控制器对应控制3相标准逆变模块；主控制器与上位机通讯连接；主控制器和从控制器之间采用点对点的光纤传输，其中数据通信采用基于曼彻斯特码的通信格式；从控制器和标准逆变模块之间采用光纤传输。
所述的滤波器为dv/dt滤波器或正弦波滤波器，用以对每相电机绕组输出电流滤波。
所述的标准制动模块采用斩波电路结构；标准制动模块输出端直接连接制动电阻。图2所示为标准逆变模块的电气原理图。P、N为标准逆变模块的输入，连接至公共直流母线排的正负两级。C1为标准逆变模块的支撑电容，S1(D1)-S4(D4)分别为组成标准逆变模块的4个功率开关器件IGBT和反并联二极管。标准逆变模块的输出端连接输出滤波器。图3所示为标准逆变模块结构示意图。1为吸收电容，共4个。2为功率开关器件IGBT模块，共2个。3为平板水冷散热板。4为复合母排。5为吸收电容，共12个。
图4所示为标准制动模块电气原理图。P、N为标准制动模块的输入，连接至公共直流母线排的正负两级。该模块采用基本的直流/直流降压变换电路，D6为续流二极管，S5为带反并联二极管D7的开关IGBT。标准逆变模块输出端B1、B2分别连接制动电阻R1两端。图5所示为标准制动模块结构示意图。6为复合母排。7为吸收电容，共12个。8为吸收电容，共2个。9为平板水冷散热板。10为功率开关器件IGBT模块。11为功率开关器件IGBT驱动板。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种十二相永磁推进变频器，其特征在于：包括12个相同的标准逆变模块、12个相同的滤波器、2个相同的标准制动模块；12个的标准逆变模块和2个标准制动模块均均匀分配于两个通道中；三相交流电输入经整流变压器和均衡电抗器分别输出直流电压至两个通道内的公共直流母线排；每个通道内的标准逆变模块和标准制动模块分别并联于公共直流母排上；每个标准逆变模块输出端对应连接至1个滤波器的输入端；每个滤波器输出端对应连接至电机一相开端绕组。
2.根据权利要求1所述的十二相永磁推进变频器，其特征在于还包括柜体、换热器、闭式循环水冷系统和外循环冷却水系统；标准逆变模块、滤波器、标准制动模块均设置于柜体内；闭式循环水冷系统设置于柜体内用于吸收柜体内部器件热量，并通过换热器将热量传递至位于柜体外部的外循环冷却水系统。
3.根据权利要求1所述的十二相永磁推进变频器，其特征在于还包括基于主从结构的控制系统，所述控制系统包括1个上位机、1个主控制器和4个从控制器；主控制器采用DSP和FPGA构架，从控制器采用FPGA构架；1个从控制器对应控制3相标准逆变模块；主控制器与上位机通讯连接；主控制器和从控制器之间采用点对点的光纤传输，其中数据通信采用基于曼彻斯特码的通信格式；从控制器和标准逆变模块之间采用光纤传输。
4.根据权利要求1所述的十二相永磁推进变频器，其特征在于所述的滤波器为dv/dt滤波器或正弦波滤波器，用以对每相电机绕组输出电流滤波。
5.根据权利要求1所述的十二相永磁推进变频器，其特征在于所述的标准制动模块采用斩波电路结构；标准制动模块输出端直接连接制动电阻。
6.根据权利要求1所述的十二相永磁推进变频器，其特征在于闭式水冷系统包括多种检测装置：水温检测装置、流量检测装置、压力检测装置，当上述检测装置到异常情况时，控制系统能显示异常并报警。
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