CN107395027A - 一种远洋渔船电力推进用变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及远洋渔船电力推进变流装置，具体为一种远洋渔船电力推进用变流器，包括柜体，柜体内设有功率单元、控制单元、冷却单元和线束；功率单元包括整流模块、逆变斩波模块及直流支撑电容；整流模块包括整流输入铜排、整流功率模块和主接触器，逆变斩波模块包括三相逆变输出铜排、逆变斩波功率模块，控制单元包括牵引控制单元、传感器、滤波器、电源；冷却单元包括换热器、水泵、补水箱、管路、温度传感器、压力传感器、阀门和冷却管路；线束包括低压线束和高压线束。基于变流器的电力传动以其低速大扭矩、匀低速运行、布置灵活、可靠性高等优势逐步代替传统传动方式，成为船舶推进的主流发展方向，具有广泛的应用前景。

Description

一种远洋渔船电力推进用变流器

技术领域

本发明涉及远洋渔船电力推进变流装置，具体为一种远洋渔船电力推进用变流器。

背景技术

一直以来，我国捕捞渔船的传动方式多以柴油机通过轴系驱动螺旋桨为主，传动方式如图1所示，主推进系统采用柴油机通过轴系直接驱动螺旋桨的方式，为了柴油机和螺旋桨转速的匹配，同时也方便整船推进、制动工况的切换，柴油机的投切，一般在柴油机和螺旋桨之间设减速齿轮箱或离合器。远洋渔船采用传统柴油机直接驱动的传动方式有以下缺点：1）推进柴油机在低速或高速运行时，燃油经济性差，污染高、排放大，节能环保性差，效率低，运行成本高；2）螺旋桨的转速受柴油机怠速和最高转速的严格限制，低速和高速运行效率低，过载能力差，动力装置机械磨损严重，传动轴系容易机械疲劳，维修成本高；3）柴油机一般选择大功率低速柴油机，和推进轴系机械对接，主轴很长，机舱布置相对固定、不灵活，整船制动或调速时，震动冲击强，机舱噪音大。

在此背景下，电力传动以其低速大扭矩、匀低速运行、布置灵活、可靠性高等优势逐步代替传统传动方式，成为船舶推进的主流发展方向，具有广泛的应用前景。其中，变流器的研制成功为船用电力推进的发展奠定了技术基础。另一方面，电力推进渔船在“降低油耗、减少排放”方面远远领先于传统柴油机推进系统，这有效缓解我国石油资源紧缺的困境，同时也响应了船舶“节能减排、绿色环保”的号召，给我国船舶工业转型、持续稳定发展提供新的发展机遇和思路。

发明内容

远洋渔船其电力推进系统框图如图2所示，电力推进系统是柴油发电机组发出三相交流电经配电板并网组成动力电站，向电推进系统提供电能；变流器将电网电能转换电压、频率均可调的三相交流电供给推进电动机，推进电动机输出转矩、转速连续可调的机械能，驱动螺旋桨运转从而实现整船运行的一种传动方式。

由图2可以看出，变流器是电推进船系统的重要组成部分。电推进船的优点几乎全靠变流器来实现，因此它起着至关重要的作用，完成船舶运行状态的监测与控制。

本发明为远洋渔船提供了一种远洋渔船电力推进用变流器。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种远洋渔船电力推进用变流器，包括柜体，柜体内设有功率单元、控制单元、冷却单元和线束；

功率单元包括整流模块、逆变斩波模块及设置在整流模块、逆变斩波模块之间的直流支撑电容，完成AC-DC-AC的变换；

整流模块包括整流输入铜排、整流功率模块和主接触器，整流输入铜排的前级为移相变压器的副变，后级经过快速熔断器连接主接触器；主接触器实现变流器与前级电源的隔离，故障时可自动切断电源达到保护变流器的目的，主接触器的后级为整流功率模块；整流功率模块采用双面二极管布局结构，布置了6桥臂12个二极管，整个模块插拔式轨道安装，集成了高频无感电容、散热器、低电感复合母牌，将交流电整流成电压恒定的直流电；该变流器的输入六相分别设计快速熔断器，当输入电源短路或接地时能快速分断，保护变流器主电路和功率模块；整流部分采用由6个二极管模块构成的标准的六相不控整流电路，将交流电整成直流的同时，还能减少变频器产生的电流谐波失真，优化整流电压波形，改善电网质量、提高整流功率因数；

逆变斩波模块包括三相逆变输出铜排、逆变斩波功率模块，三相逆变输出铜排后级接推进电动机；逆变斩波功率模块集成了逆变部分、斩波部分、驱动保护单元、电源板、脉冲收发板、散热器，逆变部分布置3桥臂，由6个IGBT组成，将固定的直流电源逆变为频率、电压可调的交流电供给推进电动机；斩波部分布置1桥臂，桥臂上管为1个IGBT，桥臂下管为二极管；

控制单元包括牵引控制单元、传感器、滤波器、电源，控制变流器的输入、输出和保护；

冷却单元包括换热器、水泵、补水箱、管路、温度传感器、压力传感器、阀门和冷却管路，保证功率器件的散热需求；

线束包括低压线束和高压线束，实现变流器各个电气部件的连接。

上述的一种远洋渔船电力推进用变流器，逆变斩波功率模块还集成了低电感复合母牌和高频无感电容，因电路中杂散电感的存在，为防止IGBT器件导通与关断时导致回路中电流变化而引起尖峰过电压击穿IGBT器件，在每个逆变桥臂上靠近IGBT的位置使用低电感复合母牌并联高频无感电容。

上述的一种远洋渔船电力推进用变流器，斩波部分桥臂上管的IGBT还串接有制动电阻，当船舶需要减速或着遇到其它使直流电压升高的情况时，上管IGBT导通，能量释放到制动电阻上，直至电压降到合适的范围，保护逆变部分的安全。

上述的一种远洋渔船电力推进用变流器，预充电电路包括预充电电阻和预充电接触器，在上高压电时，电压先经过预充电电路的分压后在给直流支撑电容充电，防止高压上电瞬间对直流支撑电容造成损伤。

上述的一种远洋渔船电力推进用变流器，还包括检测单元，检测单元采用霍尔电压传感器用来检测逆变斩波模块输入的直流电压，用以进行矢量控制计算和过压保护使用；还采用2个霍尔电流传感器用来检测逆变斩波模块输出的U、V相电流，用以进行矢量控制计算和过流保护使用。

采用变流器驱动的电力推进系统代替传统柴油机直接驱动的传动方式，具有以下效果：

1）降低油耗，减少排放，提高推进效率，降低运营成本；

2）提高整船推进动力性能，变流器推进电动机的速度和转矩控制灵活、响应快、调速范围宽、过载能力强、运行稳定性好，能显著改善船舶的低速和高速性能；

3）柴油机不需要和推进轴对接，机舱布置简化；电站采用多台主机并联，单台主机尺寸小布置灵活；可以选择更合适的机-桨配合，提高传动效率；

4）机械及液压装置减少，优化工作环境，减小振动噪音，维护简化；维护费显著降低。

附图说明

图1为传统的远洋渔船的传动方式示意图。

图2为电力推进远洋渔船的系统框图。

图3为本发明的原理图。

图4为本发明变流器结构和内部布置图。

图中：1-柜体，2-整流输入铜排，3-三相逆变输出铜排，4-主接触器和预充电电路，5-整流功率模块，6-逆变斩波功率模块，7-复合母排及直流支撑电容，8-控制单元，9- AC-DC电源转换模块，10-中间继电器，11-冷却单元的泵组及管路，12-冷却单元的控制部分，13-外循环冷却水的进出水接口。

具体实施方式

变流器结构和内部布置如图4所示，按功能分为四个功能单元，功率单元、控制单元、冷却单元和线束。

功率单元主要由整流模块、逆变斩波模块和支撑电容组成，完成AC-DC-AC的变换；控制单元主要由TCU（牵引控制单元）、各类传感器、滤波器、24V电源组成，控制变流器的输入、输出和保护；冷却单元由换热器、水泵、补水箱、管路、温度传感器、压力传感器、各类阀门和冷却管路组成，保证功率器件的散热需求；线束包括低压线束和高压线束，实现变流器各个电气部件的连接。

变流器的柜体1其柜门部分具有良好的电磁兼容及防盐雾腐蚀性能。

变流器的六相整流输入铜排2前级为移相变压器的副变，后级经过快速熔断器连接主接触器。

变流器的三相逆变输出铜排3后级接推进电动机，为其提供电压、频率可调的三相电源。

主接触器和预充电电路4，主接触器实现变流器与前级电源的隔离，故障时可自动切断电源达到保护变流器的目的；预充电电路由预充电电阻和预充电接触器组成，在上高压电时，电压先经过预充电电路的分压后在给直流支撑电容充电，防止高压上电瞬间对直流支撑电容造成损伤。

整流功率模块5采用双面二极管布局结构，布置了6桥臂12个二极管，整个模块插拔式轨道安装，集成了高频无感电容、散热器、低电感复合母牌等器件，组成六相桥式不可控整流电路，将六相交流电整流成电压恒定的直流电。

逆变斩波功率模块6集成了逆变部分、斩波部分、高频无感电容、驱动保护单元、电源板、脉冲收发板、散热器、低电感复合母牌等器件，逆变部分布置3桥臂，由6个IGBT组成，将固定的直流电源逆变为频率、电压可调的交流电供给推进电动机；斩波部分布置1桥臂，上管1个IGBT，下管为二极管，当船舶需要减速或着遇到其它使直流电压升高的情况时，IGBT导通，能量释放到制动电阻上，直至电压降到合适的范围，保护电容和逆变模块的安全。并联在IGBT两端的高频无感电容作用是抑制加于IGBT两端的正反向浪涌电压。

复合母排及直流支撑电容7，复合母排用于连接整流功率模块5、逆变斩波功率模块6和直流支撑电容，复合母排具有更低的电感（特别是对IGBT的应用，降低由于电压击穿而引起的电器元件损坏概率）、更低的阻抗、无错误的安装、以更低的电压降实现高电流承载能力、通常比电缆更容易散热冷却，更小的温升等优点。

控制单元8完成变流器的控制与保护，并于其它设备进行通讯，是变流器的控制核心。

AC-DC电源转换模块9将交流380V电源转换为恒压的直流24V电源，供变流器控制单元使用。

中间继电器10，变流器低压控制使用，实现部分控制逻辑；

变流器冷却单元的泵组及管路11，实现功率单元的水冷散热；

冷却单元的控制部分12，实现水冷系统控制及故障保护功能和对外通讯。

Claims (5)

1.一种远洋渔船电力推进用变流器，包括柜体（1），柜体内设有功率单元、控制单元（8）、冷却单元和线束；

功率单元包括整流模块、逆变斩波模块及设置在整流模块、逆变斩波模块之间的直流支撑电容，完成AC-DC-AC的变换；

整流模块包括整流输入铜排（2）、整流功率模块（5）、主接触器，整流输入铜排（2）的前级为移相变压器的副变，后级经过快速熔断器连接主接触器；主接触器实现变流器与前级电源的隔离，故障时可自动切断电源达到保护变流器的目的，主接触器的后级为整流功率模块；整流功率模块（5）采用双面二极管布局结构，布置了6桥臂12个二极管，整个模块插拔式轨道安装，集成了高频无感电容、散热器、低电感复合母牌，将交流电整流成电压恒定的直流电；

逆变斩波模块包括三相逆变输出铜排（3）、逆变斩波功率模块（6），三相逆变输出铜排（3）后级接推进电动机；逆变斩波功率模块（6）集成了逆变部分、斩波部分、驱动保护单元、电源板、脉冲收发板、散热器，逆变部分布置3桥臂，由6个IGBT组成，将固定的直流电源逆变为频率、电压可调的交流电供给推进电动机；斩波部分布置1桥臂，桥臂上管为1个IGBT，桥臂下管为二极管；

控制单元（8）包括牵引控制单元、传感器、滤波器、电源，控制变流器的输入、输出和保护；

冷却单元包括换热器、水泵、补水箱、管路、温度传感器、压力传感器、阀门和冷却管路，保证功率器件的散热需求；

线束包括低压线束和高压线束，实现变流器各个电气部件的连接。

2.根据权利要求1所述的一种远洋渔船电力推进用变流器，其特征在于逆变斩波功率模块（6）还集成了低电感复合母牌和高频无感电容，因电路中杂散电感的存在，为防止IGBT器件导通与关断时导致回路中电流变化而引起尖峰过电压击穿IGBT器件，在每个逆变桥臂上靠近IGBT的位置使用低电感复合母牌并联高频无感电容。

3.根据权利要求1或2所述的一种远洋渔船电力推进用变流器，其特征在于斩波部分桥臂上管的IGBT还串接有制动电阻，当船舶需要减速或着遇到其它使直流电压升高的情况时，上管IGBT导通，能量释放到制动电阻上，直至电压降到合适的范围，保护逆变部分的安全。

4.根据权利要求1或2所述的一种远洋渔船电力推进用变流器，其特征在于主接触器和整流功率模块之间设置预充电电路，预充电电路包括预充电电阻和预充电接触器，在上高压电时，电压先经过预充电电路的分压后在给直流支撑电容充电，防止高压上电瞬间对直流支撑电容造成损伤。

5.根据权利要求1或2所述的一种远洋渔船电力推进用变流器，其特征在于还包括检测单元，检测单元采用霍尔电压传感器用来检测逆变斩波模块输入的直流电压，用以进行矢量控制计算和过压保护使用；还采用2个霍尔电流传感器用来检测逆变斩波模块输出的U、V相电流，用以进行矢量控制计算和过流保护使用。