CN107046791B - 一种船舶液冷多逆变器控制系统 - Google Patents

Abstract

一种船舶液冷多逆变器控制系统，包括多个连接到公共直流母线的逆变器，每个逆变器与公共直流母线之间的供电回路上均连接预充电电路，每个逆变器均向一个电机提供三相交流电源；其中一个逆变器还通过正弦滤波器向循环冷却装置提供三相交流电源，所述循环冷却装置通过供液管路、回液管路与逆变器的液冷装置连接，所述循环冷却装置以及每个逆变器均通过网络与监控中心通讯连接。采用上述技术方案的本发明，多组船用逆变器采用液冷散热技术，无需配备额外的风机与空调，冷却液直接从输入管道流进逆变器内部的冷却盘管对其散热，能够有效提高系统的散热效率。

Description

一种船舶液冷多逆变器控制系统

技术领域

本发明属于船舶电气变频传动领域，尤其涉及一种船舶液冷多逆变器控制系统。

背景技术

随着船舶节能环保和各种关键设备平滑控制要求提供，变频传动日益广泛应用于现代船舶传动领域。在船舶多电机交流调速传动系统中，所需要用到很多电机，每台电机都需要一台逆变器单独驱动。每个逆变器都有自己独立的整流装置，随着系统传动点的增多，大大增加了系统的扰动，而且也增加设备维护量与设备占地空间，采用共直流母线技术可大大改善这一缺点，将逆变器直接挂于直流母线上，采用预充电电路，减少整流模块，从而减少了设备的故障点，从而设备的整体控制水平得到了很大的提高。

传统逆变器采用风冷散热，防护等级不高，依赖于有空气调节的舱室环境，逆变器功率较大，数量较多时，占用空间大，不适于在船舶高温高湿及狭小空间安装。

发明内容

基于上述现有技术中的问题，本发明提供一种船舶多液冷逆变器控制系统，多组逆变器共直流母线供电，采用液体循环散热冷却，提高散热效率，节省设备安装空间，适用于较高的防护等级要求。

本发明采用以下技术方案：

一种船舶液冷多逆变器控制系统，包括多个连接到公共直流母线的逆变器，每个逆变器与公共直流母线之间的供电回路上均连接预充电电路，每个逆变器均向一个电机提供三相交流电源；其中一个逆变器还通过正弦滤波器向循环冷却装置提供三相交流电源，所述循环冷却装置通过供液管路、回液管路与逆变器的液冷装置连接，所述循环冷却装置以及每个逆变器均通过网络与监控中心通讯连接。

还包括绝缘检测模块，所述绝缘检测模块包括设置在公共直流母线与每个逆变器之间供电回路上的非接触式电流检测器，和接收电流检测器检测到的信号的绝缘检测装置，所述绝缘检测装置与监控中心通信连接。

所述每个逆变器均包括功率模块和控制模块；

所述功率模块包括将接收的公共直流母线端的直流电源逆变为三相交流电源并输出给电机的逆变单元；

所述控制模块包括微控制器，微处理器上连接有电机控制板、不少于一个的I/O扩展板和通讯模块，通讯模块与控制面板、监控中心进行通信连接，其中一个I/O扩展板与电机通信连接。

所述逆变单元为IGBT。

所述每个逆变器还包括检测模块，所述检测模块连接直流母线检测直流母线的电压，同时通过设置在逆变单元和电机之间的输电电路上的电流传感器检测输电回路上的电流，还通过与IGBT连接检测IGBT的温度；检测模块上还连接为测试模块供电的电源。

所述通讯模块为RS485通讯模块，逆变器通过RS485通讯模块与远程的监控中心通讯连接。

所述电机控制板和逆变单元之间的电路上设置有对信号进行放大的驱动电路。

还包括逆变器柜，所述连接到公共直流母线的多个逆变器均设置在柜体内，并与柜体外部的循环冷却装置构成冷却循环；

所述柜体内设置有用于固定逆变器的逆变器安装板，用于和循环冷却装置的供液回路连接的冷却液总输入管，用于和循环冷却装置的回液管路连接的冷却液总输出管；所述冷却液总输出管上连通有与逆变器的冷却液进口连接的冷却液分输入管，冷却液总输入管上连通与逆变器的冷却液出口连接的冷却液分输出管，所述冷却液风输入管和冷却液分输出管连通；

所述冷却液分输入管和冷却液分输出管均不少于一个。

所述柜体设置不少于一个的用于固定逆变器对逆变器进行散热的水冷板，所述冷却液进口和冷却液出口均设置在水冷板上。

本发明的有益效果：（1）多组船用逆变器采用液冷散热技术，无需配备额外的风机与空调，冷却液直接从输入管道流进逆变器内部的冷却盘管对其散热，能够有效提高系统的散热效率。（2）逆变器安装钢板可靠近机柜门板安装，其逆变器安装孔位置不受冷却液流通管道的限制，使得逆变器安装更加灵活，提高机柜的紧凑性，减少了设备占地空间。由于不依赖空气对流及风机散热，有利于逆变器控制柜达到更高防护等级要求，适用于船舶配电系统。（3）多组液冷逆变器采用公共直流母线技术，设置预充电路环节，能够适用于较宽直流输入电压范围，减少了对船舶电网品质的要求，同时，节约了设备成本和安装空间。

附图说明

图1为逆变器原理图。

图2为多液冷逆变器控制系统原理图。

图3为循环冷却装置示意图。

图4为液冷逆变器机柜内部主视图。

图5为液冷逆变器基柜内部侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种船舶液冷多逆变器控制系统，它是由逆变器控制系统和循环冷却装置组成的，逆变器采用直流供电，多组逆变器共直流母线，逆变器驱动多组电机，逆变器内部冷却管路连接到循环冷却装置，冷却装置提供的冷却液循环带走逆变器的热量。具体来说，它的结构示意可以如图1~4中所示。

如图2所示，本发明提供的船舶液冷多逆变器控制系统，包括多个逆变器，多个逆变器均通过L+、L-两个端子与公共直流母线相连，所有逆变器的直流母线电压均一样。每个逆变器均连接一个电机并为电机输出三相交流电源作为动力。上述的逆变器控制系统中，直流电源直接逆变为三相交流电驱动异步电机，相较于传统的船舶多电气传动系统，直流母线系统具有节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量、故障率低等的优点。

上述的控制系统中，在每个逆变器与公共直流母线之间的供电电路上，均连接有一个预充电电路。因为在调试或者检修逆变器控制系统时，经常需要接通或者断开逆变器，公共直流母线通过与充电电路连接逆变器，可以防止在其中一台或者几台逆变器断电后，无法接通直流母线电源，造成配电柜整体需要停电，所有逆变器均需要经历断电和重新上电的过程。作为一种实施方式，如图2所示，预充电电路连接在从公共直流母线向逆变器供电的回路上，包括并联的充电电阻R和接触器KM，充电电阻的数目根据需要设置，例如设置四个，四个充电电阻和一个接触器形成并联回路，并联回路通过一个断路器QF连接公共直流母线。具体工作时，当断路器QF闭合之后，经过充电电阻R给各逆变器提供电源进行充电，当充电结束后逆变器输出控制信号使接触器KM吸合，完成充电过程控制。系统中设置母线电压预充电环节延缓母线电压建立过程，防止公共直流母线上冲击电流损坏电力开关器件和母线，裁剪了整流单元，能够适用于较宽直流输入电压范围，减少了对船舶电网品质的要求，从而提高了设备运行可靠性，减少了设备安装维护量和设备占地面积，节约了设备成本。

在多个逆变器中，其中一个逆变器通过正弦滤波器向一个循环冷却装置提供三相交流电源，而循环冷却装置通过供液回路、回液回路与逆变器的液冷装置连通进行冷却液的循环。循环冷却装置采用压缩机制冷方式制取冷却液，并由循环泵提供循环动力，使之在逆变器的液冷装置与循环冷却装置之间循环，从而带走负载发热器件的热量，逆变器发热部件安装在带有冷却盘管的水冷板上，多组逆变器冷却管路连接到液冷型逆变器柜的主管路，并与循环冷却装置的供液回路连接，实现热交换，起到散热作用。由于液冷型逆变器无需配额外的空调与风机，系统中只需增加了一个循环冷却装置，其系统设备占地空间少，具有良好的散热效果。

如图4所示，为本发明循环冷却装置和液冷装置的原理框图。循环冷却装置包括控制区域和制冷供液区域，其中制冷供液区域包括冷凝器（优选水冷壳管式冷凝器）、压缩机、蒸发器、循环水泵、贮液箱等器件，循环冷却装置接收到开机命令后，通过船舶上的消防水泵给循环冷却装置冷侧供应冷却海水，壳式冷凝器与外部海水进行热交换，完成海水外部循环。循环冷却装置内部的制冷循环是由压缩机排出高温高压的氟利昂气体，进入水冷壳管式冷凝器中与外循环海水进行热量交换，制冷剂放出热量，被冷却为低温高压的氟利昂液体，氟利昂液体通过干燥过滤器、氟电磁阀，进入膨胀阀节流降压，变为氟利昂气液二相混合物，在蒸发器中吸热变为低温低压的氟里昂气体回到压缩机，形成往复循环。冷却液内循环供应的防冻液由不锈钢泵从贮液箱中抽出，流经蒸发器与压缩机排出的氟利昂进行热交换，降温后经安装在水冷板上逆变器的发热表面，吸收热量降低逆变器表面温度，冷却液温度随之升高后返回循环冷却装置内贮液箱。再经水泵输出，流经蒸发器、逆变器后返回贮液箱。如此循环，完成循环系统冷却功能。

循环冷却装置以及每个逆变器均通过网络与监控中心通讯连接，实时向监控中心上报系统的冷却工作条件、故障信息以及供液温度、流量、压力等模拟量参数。

上述的控制系统中还为各个逆变器提供了绝缘检测模块，绝缘检测模块包括设置在公共直流母线到逆变器之间的供电回路上的非接触式直流漏电流传感器和绝缘检测装置，绝缘检测装置包括绝缘检测主机、定位模块、通讯模块，绝缘检测主机注入一个直流或者低频交流信号，通过非接触式直流漏电流传感器测量泄漏电流，将结果传送给监测主机计算电阻值。绝缘故障定位装置根据设备设置的电阻值的可调阈值进行故障报警。

通过非接触式直流漏电电流传感器连接绝缘监测装置，利用直流漏电流传感器实现对整个公共直流母线中直流漏电流、母线电压、正极对地电压和负极对地电压等的检测，并对各极绝缘状态按整定值进行判定，若判定为绝缘电阻下降或接地故障，发声光报警信号，显示支路号、正极绝缘电阻值、负极绝缘电阻值。

参见图1中所示，本发明中，每个逆变器均包括逆变单元、控制单元、检测模块，逆变单元优选IGBT，逆变单元将接收的公共直流母线的电源转换为三相脉宽调制交流电压并输出到控制模块的电机为电机供电。控制模块还包括微处理器、电机控制板、通讯模块、控制面板、不少于一个的I/O扩展板等。其中一个I/O扩展板与电机进行通信。电机控制板实际为电机控制ASIC，而通信模块优选为RS485通信。通讯模块与控制面板相连接将控制面板输入的控制指令传送给微处理器，通信模块还可以接受监控中心发送的指令传递给微处理器，实现本地与远程的控制。

检测模块包含直流母线的电压检测、IGBT的温度检测、设置在逆变单元和电机之间输电回路上的电流检测和为测试模块供电的电源，电流检测是用电流传感器检测输电回路的电流信号，并传递给检测模块，即检测电机电缆是否存在过大电流，检测模块将测得的信号传递给微处理器，用于逆变器的过电流故障报警。电压检测主要用于检测直流母线电压是否超出或者低于逆变器直流供电范围，可以利用电压传感器检测，将测得的信号传递给微处理器，用于逆变器的欠压与过压报警。IGBT的温度检测主要是通过温度传感器检测IGBT逆变桥的温度，将测得的信号传递给微处理器，用于IGBT逆变桥的过热保护。

控制模块中的I/O控制的扩展，其主要用于远程控制与显示的I/O扩展，其中数字信号的I/O扩展包含逆变器启停与复位控制、逆变器故障报警以及启停指示，模拟信号的I/O扩展包含电机电流与转速等模拟信号的远程指示；其中与电机相连接的I/O控制的作用是用于PTC热敏电阻电机保护故障报警。

控制模块中的通信模块与控制面板和监控中心进行通信获取信息，传递给微处理器，微处理器根据检测模块输出的检测信号、从通讯模块获取的参数设定，通过与电机相连的I/O控制板对电机输入控制信号进行控制。具体来说，微处理器控制电机控制ASIC，电脑控制ASIC用来依次计算IGBT的位置并对IGBT输入信号，而设置在IGBT和电脑控制ASIC之间的驱动电路对这些信号进行放大，驱动IGBT逆变桥。控制面板是连接用户与逆变器的桥梁，用户可以通过控制面板来设定参数值，读取逆变器的工作状态包括电动机的转速、电流、转矩和给定值等参数，也可以本地和远程发送指令数据和输入控制指令。

而远程的监控中心可以通过RS485连接多路逆变器组成控制网络，完成远程状态监视、数据传送与远程操作功能。即逆变器通过RS485接受监控中心的指令，分别控制各逆变器输出要求的电压、频率与转速等参数到电机，逆变器控制系统可将电机的工作参数以及故障信息通过RS485发送到监控中心以实现这些电机的协同运行控制。

本发明还提供了一种节省空间的新型的逆变器柜，本系统的多个连接到公共直流母线的液冷逆变器设置在逆变器柜内，与柜体外部的循环冷却装置连接进行冷却循环。柜体内设置不少于一个的用于对逆变器进行散热的水冷板（即逆变器的冷却装置），逆变器直接紧固在一个或多个水冷板上，水冷板由传热能力高的铝板或铜板制成，每个水冷板上均设置冷却液进口和冷却液出口，冷却液通过冷却液主输入管经冷却液分输入管流进水冷板中，这样就在逆变器到冷却液之间提供了一条热阻尽可能小的热流路径，吸收逆变器发出的热量，起到散热的作用。参见图4所示的实施方式中，逆变器柜内的逆变器1通过螺栓2螺纹连接的方式固定在逆变器安装钢板10上，逆变器柜1内设置冷却液总输入管8和冷却液总输出管9，循环冷却装置的供液回路连接冷却液总输入管8，循环冷却装置的回液管路连接冷却液总输出管9；冷却液总输出管9上设置开口，开口连通与逆变器1的冷却液进口3连接的冷却液分输入管6，冷却液总输入管8上也设置开口，开口连通与逆变器1的冷却液出口4连接的冷却液分输出管7，冷却液风输入管6和冷却液分输出管7连通进行冷却液的循环。冷却液分输入管6和冷却液分输出管7均不少于一个，根据实际水冷板的数目设置。

该系统采用的逆变器柜其散热方式液冷代替风机散热，逆变器安装钢板上的逆变器安装孔位置避免了冷却液流通管道的影响，使得液冷逆变器安装更加灵活，而且液冷逆变器无需和逆变器安装钢板保持较大接触面积，且逆变器安装钢板可靠近机柜门板安装，与风机散热的逆变器柜相比所占空间更少，从而大大提高逆变器柜的紧凑型。

本发明的液冷型逆变器内部集成有冷却液流通管道。将一个或多个液冷型逆变器直接紧固在具有足够强度的安装板上，由于冷却液流通管道集成在逆变器内部，因此逆变器在安装板上的安装位置没有限制，具有较强的灵活性，利于多台逆变器的同时安装，使得机柜更为紧凑。在逆变器柜内设置一个冷却液主输入管道和一个冷却液主输出管道，在主输入管道和主输出管道上根据逆变器数量分别设置相应的冷却液分输入管和分输出管，将其分别接在液冷型逆变器的冷却液进出口上，各分输入管和分输出管的管径均相同，冷却液从冷却液主输入管道经冷却液分输入管流进各逆变器，由于各逆变器内部冷却液流通管道口径与各自功率匹配，当冷却液流进各逆变器内部以后，冷却液流速开始与各流通管道口径相匹配，流速调整后的冷却液使得逆变器散热效率得到提高，从而提高了整个逆变器柜的散热效率。

Claims (8)

1.一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：包括多个连接到公共直流母线的逆变器，每个逆变器与公共直流母线之间的供电回路上均连接预充电电路，每个逆变器均向一个电机提供三相交流电源；其中一个逆变器还通过正弦滤波器向循环冷却装置提供三相交流电源，所述循环冷却装置通过供液管路、回液管路与逆变器的液冷装置连接，所述循环冷却装置以及每个逆变器均通过网络与监控中心通讯连接；

还包括逆变器柜，所述连接到公共直流母线的多个逆变器均设置在柜体内，并与柜体外部的循环冷却装置构成冷却循环； 所述柜体内设置有用于固定逆变器的逆变器安装板，用于和循环冷却装置的供液回路连接的冷却液总输入管，用于和循环冷却装置的回液管路连接的冷却液总输出管；所述冷却液总输出管上连通有与逆变器的冷却液进口连接的冷却液分输入管，冷却液总输入管上连通与逆变器的冷却液出口连接的冷却液分输出管，所述冷却液风输入管和冷却液分输出管连通；

所述冷却液分输入管和冷却液分输出管均不少于一个。

2.根据权利要求1所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：还包括绝缘检测模块，所述绝缘检测模块包括设置在公共直流母线与每个逆变器之间供电回路上的非接触式电流检测器，和接收电流检测器检测到的信号的绝缘检测装置，所述绝缘检测装置与监控中心通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：所述每个逆变器均包括功率模块和控制模块； 所述功率模块包括将接收的公共直流母线端的直流电源逆变为三相交流电源并输出给电机的逆变单元； 所述控制模块包括微控制器，微处理器上连接有电机控制板、不少于一个的I/O扩展板和通讯模块，通讯模块与控制面板、监控中心进行通信连接，其中一个I/O扩展板与电机通信连接。

4.根据权利要求3所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：所述逆变单元为IGBT。

5.根据权利要求3所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：所述每个逆变器还包括检测模块，所述检测模块连接直流母线检测直流母线的电压，同时检测模块通过设置在逆变单元和电机之间的输电电路上的电流传感器检测输电回路上的电流，检测模块还通过与IGBT连接检测IGBT的温度；检测模块上还连接为测试模块供电的电源。

6.根据权利要求3所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：所述通讯模块为RS485通讯模块，逆变器通过RS485通讯模块与远程的监控中心通讯连接。

7.根据权利要求3所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：所述电机控制板和逆变单元之间的电路上设置有对信号进行放大的驱动电路。

8.根据权利要求1所述的一种船舶液冷多逆变器控制系统，其特征在于：所述柜体设置不少于一个的用于固定逆变器对逆变器进行散热的水冷板，所述冷却液进口和冷却液出口均设置在水冷板上。