CN113095018A

CN113095018A - 一种破冰船推进变频器开关器件选型方法

Info

Publication number: CN113095018A
Application number: CN202110247476.5A
Authority: CN
Inventors: 谢鹏飞; 邵俊波; 肖烨然; 杜立天; 刘乐
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2021-07-09

Abstract

本发明公开了一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，该方法将对开关器件发热功率的计算运用于破冰船上的热阻模型，热阻以及损耗数据库等，破冰船上特殊工况下精确计算设备器件的损耗情况，应用特定的热阻模型来准确计算器件的温度上升情况。本发明方法结合理论与仿真，具有计算精度高，速度快，应用广泛集等突出优点。

Description

一种破冰船推进变频器开关器件选型方法

技术领域

本发明属于电力电子设备及船用直流配电系统设计领域，涉及破冰船特殊工况运行下器件选型问题，尤其是一种具有自动识别和智能推荐功能的破冰船推进变频器开关器件选型方法。

背景技术

在船舶推进变频系统领域，对于推进变频器的设计很少涉及专注于破冰船系统。破冰船相对于普通船舶而言，航行条件更恶劣，安全性能要求更高，并且在破冰工况下有着与普通船舶不同的性能要求。其推进系统在此时会运行于低电压等级低转速大电流大转矩的工况。推进变频器会降低频率和电压等级，同时提升电流等级。电流过大时器件损耗增加，热容无法储存过多热量，结温升高超过安全温度，设备会发生故障，导致船舶在破冰状态下无法正常运行。

传统推进变频器设计中会根据电压电流需求来选择合适的功率器件。这些功率器件满足于高转速低电流的工况，成本低廉，适用范围广泛、选型简便。但这些器件的选型不能满足破冰船的需求，由于其特殊的工况，普通器件在此时的损耗过高并且热量会积聚，恶劣情况可能导致设备烧毁。

由于普通选型方案不会着重于低速大电流的损耗和温升计算，因此普通选型方案不适合破冰船，此时需要专注于破冰船领域的推进变频器器件选型方法以满足破冰船对低速大电流损耗和温升的需求。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计出一种智能化的破冰船推进变频器开关器件选型方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，包括如下步骤

1），选择待确认开关器件型号，建立基于不同型号开关器件的数据库；

2），输入破冰船工况与拓扑结构，根据程序计算的独特性，针对不同破冰船推进系统拓扑结构提出不同的计算程序；所述的破冰船工况包括破冰船破冰工作下冲击负载下的额定电压、额定电流、额定转矩、最大转矩、额定转速、最小转速、推进装置电流、基波频率和器件开关频率；

3），考虑到热熔和热阻的影响，以串并联方式建立包含热阻与热熔的热计算模型；所述的热计算模型包含了器件的热阻与热容特性，将热计算模型等效为对于不同频率拥有不同波动特性的动态热阻抗模型；

4），根据破冰船破冰工作下最大转矩、最低转速以及推进装置电流、基波频率、器件开关频率计算得到破冰船功耗结果，将功耗结果带入热计算模型与预设温度对比，进行热计算得到温度波形；

5），将热计算结果数据导入数据库，比较最高点温度与所设定温度范围，对比得出选型：判断温度峰值是否满足要求，是则选择该开关器件并停止选型；

6），否则根据数据库判断开关器件的功耗结果在相似工况等级下是否满足要求：是则根据数据库中给出的备选开关器件，选择任意备选器件，将此结果带入模型并重复步骤4）；否则通过手动输入选择新的开关器件型号并重复步骤2）。

所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其数据库包含应用于市场的IGBT、IGCT、IEGT等开关器件的管压降、导通电压、额定电流、导通电阻、开关损耗（以电流为变量的图形）等数据。

所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其开关器件为IGBT、IGCT或IEGT。

所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其步骤4）中的热计算模型包含器件产生的损耗，若平均损耗在半个基波周期中导通，形成一个两倍于平均值且周期为基波一半的矩形块，则此时的开关器件热计算模型如下：

式中

为温升，ω为基波角速度，

为得到的器件损耗，R为器件热阻，τ为考虑器件热容情况下的时间常数。

所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其功耗计算程序考虑到不同破冰船推进变频器拓扑结构的不同，这些拓扑包含三相全桥逆变器、多电平中点钳位型（NPC）逆变器、多电平中点有源钳位型（ANPC）逆变器、单位串联多电平逆变器等。

本发明的有益效果是：本发明采用流程化设计并通过不同拓扑结构下各个器件的损耗与温升计算方法等集成设计方法，大幅提高破冰船器件选型的集成度和简便程度，并根据数据库保存结果自动推荐应用于不同破冰工况下的器件确保在面对最恶劣的破冰船用工况下，器件扔具有较好的匹配性。

附图说明

图1为本发明选型方法流程图；

图2为本发明热计算模型；

图3为本发明基波频率10Hz的热计算结果示意图；

图4为本发明基波频率1Hz的热计算结果示意图；

图5为本发明基波频率0.1Hz的热计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明公开的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，包括如下步骤：

1），选择待确认开关器件型号，建立基于不同型号开关器件的数据库。

其中所述的数据库包含应用于市场的IGBT、IGCT、IEGT等开关器件的管压降、导通电压、额定电流、导通电阻、开关损耗（以电流为变量的图形）等数据。数据库包含市面上器件数据手册，对于各家厂商的IGBT、IGCT、IEGT等器件具体参数建立数据表单，其表单包含器件承受最大电压、导通最大电流管压降，器件内阻、器件开关损耗以电流幅值为变量的函数、器件的稳态热阻、器件的动态热阻、器件的热容、器件承受最大温度等参数。

所述的数据库可以增加器件。所述的数据库根据最大电压等级或者最大电流等参数进行分类。

2），输入破冰船工况与拓扑结构，根据程序计算的独特性，针对不同破冰船推进系统拓扑结构提出不同的计算程序。

所述的破冰船工况包括破冰船破冰工作下冲击负载下的额定电压、额定电流、额定转矩、最大转矩、额定转速、最小转速（取额定转速0.02倍）、推进装置电流、基波频率和器件开关频率。

3），考虑到热熔和热阻的影响，以串并联方式建立包含热阻与热熔的热计算模型，即热计算模型由器件的热阻与热容串联而成，将热计算模型等效为对于不同频率拥有不同波动特性的动态热阻抗模型。

所述的热计算模型以热阻与热容为主体，建立起热电路模型，如图2所示，其中R为热阻，C为热容，以功耗为输入，根据此模型能得到器件温度变化曲线，其变化曲线和输入工况中有关，例如附图2列出其余工况相同，仅转速存在差异的情况下，某一器件温度变化曲线。所述的热计算结果以时间为横坐标，温度为纵坐标，生成温度随时间波动的曲线如图3至图5所示。

4），根据破冰船破冰工作下最大转矩、最低转速以及推进装置电流、基波频率、器件开关频率计算得到破冰船功耗结果，将功耗结果带入热计算模型与预设温度对比，进行热计算得到温度波形，所述判断流程在于计算结果与预设温度之间的对比，对于热计算取最大值。

其中功耗计算程序考虑到不同破冰船推进变频器拓扑结构的不同，这些拓扑包含三相全桥逆变器、多电平中点钳位型（NPC）逆变器、多电平中点有源钳位型（ANPC）逆变器、单位串联多电平逆变器等。

损耗计算方法以上述数据表单以及工况作为输入。所述的计算方法对破冰极端工况独立计算，所述的极端工况指最大电流为额定电流值A倍，A值可选择1～10任意值，最低转速为额定值B倍，B可选择0.01～0.99任意值。所述的计算方法计算结果包含器件产生损耗，以功率单位瓦特作为结果单位，选取破冰船极端工况结果作为损耗输出结果。所述损耗输出结果作为下一步热计算的输入。

首先假设平均损耗在半个基波周期中导通，形成一个两倍于平均值且周期为基波一半的矩形块。对于此时的开关器件温度计算如下：

式中

为温升，ω为基波角速度，

为得到的器件损耗，R为器件热阻，τ为考虑器件热容情况下的时间常数，R和τ均在官方器件手册中热阻数据。

5），将热计算结果数据导入数据库，比较最高点温度与所设定温度范围，对比得出选型：判断温度峰值是否满足要求，是则选择该开关器件并停止选型。

6），否则根据数据库判断开关器件的功耗结果在相似工况等级下是否满足要求：是则根据数据库中给出的备选开关器件，选择任意备选器件并重复步骤4）；否则通过手动输入选择新的开关器件型号并重复步骤2）。

推荐算法包含计算结果数据库，每一次选型计算的过程均保存于数据库中，将上述计算结果与器件参数数据库中器件限值相比较，若无计算结果超过限值则选型成功，反之选型失败；在选型失败后根据数据库保存历史结果，将推荐符合工况的器件。

若无符合条件的器件，则程序结束。

本发明利用现有市面上的器件构建成包含电压、电流、内阻、热容模型、开关损耗特性曲线在内的数据库，同时数据库包含选型方法应用中产生的结果文件；其结果文件包含不同条件下计算得到的损耗、温度结果。

本发明应用于破冰船的损耗和温度算法根据破冰船特有的极端工况条件以及器件特性计算，输入参数简洁，结果准确可靠。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于：包括如下步骤

2），输入破冰船工况与拓扑结构，所述的破冰船工况包括破冰船破冰工作下冲击负载下的额定电压、额定电流、额定转矩、最大转矩、额定转速、最小转速、推进装置电流、基波频率和器件开关频率；

3），以串并联方式建立包含热阻与热熔的热计算模型，将热计算模型等效为对于不同频率拥有不同波动特性的动态热阻抗模型；

4），根据破冰船破冰工作最大转矩、最低转速以及推进装置电流、基波频率、器件开关频率计算得到破冰船功耗结果，将功耗结果带入热计算模型与预设温度对比，进行热计算得到温度波形；

6），否则根据数据库判断开关器件的功耗结果在相似工况等级下是否满足要求：是则根据数据库中给出的备选开关器件进行选择，将此结果带入模型并重复步骤4）；否则通过手动输入选择新的开关器件型号并重复步骤2）。

2.根据权利要求1所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于，所述的数据库包含开关器件的管压降、导通电压、额定电流、导通电阻、开关损耗。

3.根据权利要求2所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于，所述的开关器件为IGBT、IGCT或IEGT。

4.根据权利要求1所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于，所述的数据库根据最大电压等级或者最大电流进行分类。

5.根据权利要求1所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于，所述的最小转速取额定转速0.02倍。

6.根据权利要求1所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于，所述步骤4）中的热计算模型包含器件产生的损耗，若平均损耗在半个基波周期中导通，形成一个两倍于平均值且周期为基波一半的矩形块，则此时的开关器件热计算模型如下：

式中

为温升，ω为基波角速度，

Figure DEST_PATH_904076DEST_PATH_IMAGE005

7.根据权利要求6所述的一种破冰船推进变频器开关器件选型方法，其特征在于，所述的功耗计算程序依据的拓扑结构包含三相全桥逆变器、多电平中点钳位型逆变器、多电平中点有源钳位型逆变器以及单位串联多电平逆变器。