專利名稱：基于公共直流母線的船用多變頻器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及應(yīng)用于船舶交流驅(qū)動變頻系統(tǒng)，為多個變頻器組成的系統(tǒng) 提供公共直流電源。其可以廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，尤其適用于具有多驅(qū)動單元 的工程船舶領(lǐng)域。
技術(shù)背景目前，船舶的驅(qū)動領(lǐng)域廣泛使用液壓傳動系統(tǒng)或者是變極電動機傳動，存 在系統(tǒng)復(fù)雜、效率低、維修任務(wù)量大等諸多的缺點，正在逐漸被先進(jìn)的使用變 頻器的交流傳動系統(tǒng)所替代。變頻器交流傳動系統(tǒng)可以克服前述傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 的種種不足，更具有高啟動扭矩、寬廣的無級調(diào)速范圍和可充分發(fā)揮電制動的 特點，代表著本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向。目前我國船舶技術(shù)領(lǐng)域已在工程船舶制造業(yè)中嘗試使用變頻器加異步電動 機構(gòu)成的交流傳動系統(tǒng)，并在初步運用中認(rèn)識了交流傳動的優(yōu)越性。由于受一般變頻器使用方法的影響，目前變頻器在船舶上的運用方式普遍 是一對一的方式，即一個變頻器對應(yīng)驅(qū)動一個負(fù)載異步電動機，每個變頻器都 是獨立接入三相主電源系統(tǒng)。也就是說即使一條船上同時使用了數(shù)個變頻器， 但是每個變頻器和電動機組成的系統(tǒng)都是各自獨立的。這種構(gòu)成方式雖然技術(shù) 簡單，但是沒有充分發(fā)揮變頻器在成組運用時的技術(shù)潛力，其經(jīng)濟性和性能的 優(yōu)越性尚有很大的提高空間。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為多變頻器驅(qū)動系統(tǒng)提供一種公共直流母線技術(shù)，主 要用于船舶領(lǐng)域的絞車負(fù)載、風(fēng)機負(fù)載、泵類負(fù)載等的多變頻器交流驅(qū)動，也 可以延伸到其他領(lǐng)域的同類運用場合。本實用新型的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的一種基于公共直流母線的船用多變頻器系統(tǒng)，包括多組變頻器和異步電動機，其特征在于還包括一個公共直流母線系統(tǒng)和總控單元ccu，所述的公共直流母線系統(tǒng)的輸入端通過公共整流器和輸入濾波器接入船用三相主電源，母線上則并聯(lián)接入公共過壓斬波器和系統(tǒng)絕緣檢測裝置；所述的變頻器的一端并聯(lián) 接入公共直流母線， 一端則與拖動用的異步電動機相連接;所述的總控單元CCU 通過其CPU板和CAN或MODBUS網(wǎng)絡(luò)對所述變頻器系統(tǒng)進(jìn)行控制。 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型的優(yōu)點在于(1) 對船舶內(nèi)主三相電源的容量要求較小。由于共用公共直流母線，當(dāng)多 個變頻器成組協(xié)同工作時，有的變頻器處于牽引消耗電能狀態(tài)，有的變頻器處 于電制動發(fā)出電能的狀態(tài)，電制動變頻器發(fā)出的電能能夠被牽引變頻器所使用。 也就是說，多變頻器共用公共直流母線，系統(tǒng)內(nèi)部可以自然進(jìn)行能量的循環(huán)再 利用，可以極大地減小系統(tǒng)從船舶電網(wǎng)消耗的電能。(2) 具有能量存儲再利用的優(yōu)勢。由于共用公共直流母線，多個變頻器的 中間支撐電容全部并聯(lián)起來，組成了一個巨大的能量存儲設(shè)備。由于過壓斬波 單元設(shè)定的啟動工作電壓通常比三相整流后的直流母線電壓高出很多，即使多 變頻器系統(tǒng)電制動再生的電能大于牽引消耗的電能，多出的電能完全能夠被這 個巨大的能量存儲設(shè)備所儲備，在牽引消耗的電能大于電制動再生的電能時再 消耗掉。說明多變頻器共用公共直流母線，具有能量存儲再利用的優(yōu)勢。(3) 具有系統(tǒng)發(fā)熱量最小的優(yōu)勢。由于船舶機械工作的特殊性，在實際的 多變頻器協(xié)同工作中，處于牽引工作的變頻器從公共直流母線上所吸收的電能， 一定要比處于制動工作的變頻器回饋到公共直流母線上的再生電能大，所以再 生回饋到公共直流母線上的能量一般情況下都可以被牽引變頻器完全利用，不 會造成再生能量的累積而過壓，過壓斬波單元自然也就不會工作。這是公共直 流母線方案的最大優(yōu)點。相對而言， 一對一的單個變頻器方式則無法實現(xiàn)這樣 的再生電能的重新利用，必須通過制動電阻器將這部分電能白白的消耗掉，即 不經(jīng)濟，又要造成巨大的發(fā)熱量，給相對狹小船艙里的變頻器設(shè)備造成致命的 危害。(4) 具有系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢。由于共用公共直流母線，每個變頻器都不需 要單獨配套三相整流器和制動斬波器以及制動電阻，而只是共用一個公共整流 器和一個公共過壓斬波單元，其容量都比每個變頻器的總和要小得多，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，直接導(dǎo)致系統(tǒng)的成本較大幅度的降低。(5)具有系統(tǒng)可靠性高的優(yōu)勢。相對一對一的單個變頻器方式，由于共用 公共直流母線，每個變頻器都不需要單獨配套三相整流器和制動斬波器以及制 動電阻，而只是共用一個公共整流器和公共過壓斬波器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。 簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較少的整流器和制動斬波器，使主電路系統(tǒng)的功率線路更加 簡潔，故障點較大程度地減少，相應(yīng)提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

本實用新型有附圖5幅，其中圖1是本實用新型的電氣結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型中公共輸入濾波裝置的內(nèi)部電路示意圖。 圖3是本實用新型中公共整流裝置的內(nèi)部電路示意圖。 圖4是本實用新型中公共過壓斬波單元的內(nèi)部電路示意圖。 圖5是本實用新型的控制軟件流程圖。在圖中1、公共輸入濾波裝置，2、公共整流裝置，3、公共直流母線，4、 公共過壓斬波器，5、系統(tǒng)絕緣檢測裝置，6、變頻器，7、負(fù)載電動機，8、總 控單元。
具體實施方式
如圖1_圖5所示的一種基于公共直流母線的多變頻器系統(tǒng)，其特征在于多 個變頻器各自連接在公共的直流母線上，通過公共的整流裝置接入船舶內(nèi)主三 相電源。公共整流裝置2完成從主三相電源到公共直流電源的轉(zhuǎn)換；公共直流 母線3向各個變頻器6提供直流電源;各個變頻器驅(qū)動各自對應(yīng)的異步電動機7。 系統(tǒng)還包括輸入濾波裝置l、公共過壓斬波單元4、系統(tǒng)絕緣檢測裝置5和總控 單元8。本實用新型所含的輸入濾波裝置1的內(nèi)部電路如圖2所示。主要是以一組 三相濾波電抗器和匹配的三組電容器、三相電磁兼容濾波器組成。根據(jù)系統(tǒng)的 額定輸入電流，針對電網(wǎng)諧波含量的要求和對同一電網(wǎng)上其他設(shè)備的電磁兼容 性要求，計算相應(yīng)的濾波參數(shù)，設(shè)計并制造系統(tǒng)專門的輸入濾波裝置。本實用新型所含的公共整流裝置2的內(nèi)部電路如圖3所示。主要采用普通 的二極管整流裝置，兩組并聯(lián)的冗余方案。由于二極管整流裝置的成本比較低廉，系統(tǒng)可以設(shè)置兩組完全一樣的整流裝置，每組整流裝置的容量都可以滿足 系統(tǒng)額定容量的要求。既使運行中一組整流裝置發(fā)生故障報警，另一組整流裝 置仍然能夠滿足后級變頻器系統(tǒng)的正常運行，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。本實用新型所含的公共直流母線3主要是由銅排和大電纜組成，把公共整流裝置的直流輸出接入每個變頻器的直流輸入端子，公共過壓斬波單元4和系 統(tǒng)絕緣檢觀，裝置5也掛接在公共直流母線上。本實用新型所含的公共過壓斬波單元4的內(nèi)部電路如圖4所示。主要采用 IGBT元件即絕緣柵極大功率晶體管和大功率電阻組成，兩組并聯(lián)的冗余方案。 由于現(xiàn)場工作中過壓情況的多樣性，系統(tǒng)設(shè)置兩組完全一樣的過壓斬波單元， 每組的容量是系統(tǒng)要求的額定容量的一半。在系統(tǒng)過壓情況不嚴(yán)重時，可以只 投入一組工作；如果仍然不能夠有效抑制過壓，才把另一組投入工作；而且在 運行中如果一組發(fā)生故障報警，另一組仍然能夠滿足系統(tǒng)一般情況下的正常運 行。這樣做并不增加成本，但是可以極大提高系統(tǒng)的工作可靠性。本實用新型所含的系統(tǒng)絕緣檢測裝置5主要是由電流互感器和電子執(zhí)行電 路組成，電流互感器實時在線檢測整個公共直流母線系統(tǒng)的泄漏電流，電子執(zhí) 行電路根據(jù)設(shè)定的泄漏電流警戒值進(jìn)行故障報警。本實用新型所含的各個變頻器6可以根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載的需要選用各種各樣的 工業(yè)變頻器。目前主流品牌的變頻器都可以用來實現(xiàn)本實用新型。在使用中需 要將母線直流電源直接接入各個變頻器的直流輸入端子，并對變頻器控制界面 進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可。本實用新型所含的總控單元8主要是一個以網(wǎng)關(guān)板、數(shù)字量采集板、模擬 量采集板、開關(guān)量輸出板等控制線路板組成的電子控制機箱，機箱內(nèi)部背板總 線為RS485或者CAN，總控單元自身外掛一個液晶顯示屏?？偪貑卧獌?nèi)部線路 板上運行有系統(tǒng)管理軟件、故障監(jiān)視和處理軟件以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊軟件。在總控單元CCU得電以后，系統(tǒng)自動復(fù)位，主控CPU開始運行，主程序 開始被執(zhí)行。首先進(jìn)行CPU控制系統(tǒng)的初始化配置，使各個功能外設(shè)按照在本 系統(tǒng)中的設(shè)定功能進(jìn)行配置，確保CPU控制系統(tǒng)能夠長期的穩(wěn)定可靠運行。然 后進(jìn)行程序基本控制參數(shù)和變量的初始化設(shè)置，使得系統(tǒng)在得電后正式開始運 行之前各個參數(shù)和變量已經(jīng)處于設(shè)定狀態(tài)，避免處于隨機狀態(tài)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的狀態(tài)不確定，從而產(chǎn)生無法預(yù)知的嚴(yán)重后果。接著進(jìn)行系統(tǒng)控制端口的初始化 配置，目的也是使得系統(tǒng)在正式開始運行之前各個端口已經(jīng)處于設(shè)定狀態(tài)，避 免處于隨機狀態(tài)導(dǎo)致無法預(yù)知的嚴(yán)重后果。然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)外設(shè)的初始 化配置，按照約定的通訊協(xié)議的要求，對通訊的波特率、幀頭、幀尾進(jìn)行設(shè)定， 確保和系統(tǒng)外部相關(guān)設(shè)備的通訊數(shù)據(jù)傳輸暢通無誤。隨后就是對本多變頻器系 統(tǒng)特定的一些控制參數(shù)如充電時間、各種保護(hù)動作的執(zhí)行時間等進(jìn)行初始化設(shè) 置。最后是對本系統(tǒng)控制使用到的CPU中斷進(jìn)行初始化配置，在定義了各個中 斷向量、設(shè)定了各個中斷的優(yōu)先級后，依次開放各個使用到的中斷。在進(jìn)行完 上述所有的初始化配置以后，主程序開始進(jìn)入設(shè)定的主循環(huán)程序往復(fù)執(zhí)行，等 待中斷的發(fā)生如果沒有中斷發(fā)生，就在主循環(huán)程序往復(fù)執(zhí)行，等待中斷的發(fā)生； 一旦有設(shè)定的中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序；如果在執(zhí)行一個中 斷的過程中，有更高優(yōu)先級的另一個中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)入執(zhí)行優(yōu)先級更高的中斷 程序；在優(yōu)先級較高的中斷程序執(zhí)行完以后，繼續(xù)執(zhí)行被中斷了的較低優(yōu)先級 的中斷程序。(1) 主循環(huán)程序流程說明在主循環(huán)程序中，首先進(jìn)行主控程序的定時變量的累加計數(shù)，用于程序的 運行時序控制和運行指示燈控制。當(dāng)計數(shù)值達(dá)到主控定時設(shè)定值時，程序?qū)⒅?控定時計數(shù)標(biāo)志設(shè)定為有效，轉(zhuǎn)而執(zhí)行主控工作程序。如果計數(shù)值沒有達(dá)到主控定時設(shè)定值，則轉(zhuǎn)而判斷計數(shù)值是否達(dá)到各指示燈的計時設(shè)定值；如果達(dá)到 各指示燈的計時設(shè)定值，程序?qū)严鄳?yīng)的指示燈的端口設(shè)定為有效，相應(yīng)的指 示燈被點亮，同時把計數(shù)值清除，回歸零值重新開始累加計數(shù)；如果沒有達(dá)到 各指示燈的計時設(shè)定值，程序?qū)⒗^續(xù)向下執(zhí)行。接著程序?qū)?zhí)行控制系統(tǒng)的內(nèi) 網(wǎng)CAN通訊的主幀發(fā)送程序，在CAN通訊的主幀發(fā)送完成以后，程序?qū)⒎祷?開始的主控程序的定時變量的累加計數(shù)，開始新一輪的循環(huán)。(2) 主控工作程序流程說明在主控工作程序中，首先進(jìn)行整個控制系統(tǒng)的所有輸入輸出量的采集和處 理，主要的采集量包括整個系統(tǒng)的三相輸入主工作電源電壓、公共直流母線上 的直流電壓、公共過壓斬波單元的工作電流、各個變頻器的基本狀態(tài)等。采集 量中還包括整個船用變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)是處于網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)還是處于端子控制狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和測試，端子控制狀態(tài)則用于系 統(tǒng)的正常工作。如果是處于網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)，則程序轉(zhuǎn)向讀取來自觸摸操作屏的 輸入控制數(shù)據(jù)，然后根據(jù)觸摸操作屏的控制數(shù)據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)的調(diào)試和測試程序， 操作人員可以按照使用維護(hù)手冊中的說明逐步進(jìn)行調(diào)試和測試。如果是處于端 子控制狀態(tài)，則程序轉(zhuǎn)向判斷本變頻系統(tǒng)是否已經(jīng)初始化，如果已經(jīng)進(jìn)行過初 始化，則繼續(xù)向下執(zhí)行，否則必須先初始化變頻系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和 穩(wěn)定性。在確認(rèn)本系統(tǒng)初始化全部完成以后，程序轉(zhuǎn)向判斷系統(tǒng)是否處于讀取 各個變頻器的參數(shù)狀態(tài)，如果不處于該狀態(tài)，直接轉(zhuǎn)入負(fù)載附屬控制設(shè)備的故障檢測及處理程序；否則通過系統(tǒng)內(nèi)部的CAN通訊或者M(jìn)ODBUS網(wǎng)絡(luò)通訊依 次讀取各個變頻器的工作參數(shù)，完成后轉(zhuǎn)入負(fù)載附屬控制設(shè)備的故障檢測及處 理程序。在故障檢測及處理程序中，主要對各個變頻器對應(yīng)的負(fù)載附屬控制設(shè) 備的故障狀態(tài)進(jìn)行檢測，如各個負(fù)載電機的外部通風(fēng)機、電液剎車裝置、龜磁 剎車裝置、電機的電加熱裝置等的狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常，則對應(yīng)調(diào)動執(zhí)行相應(yīng) 的故障保護(hù)和報警程序，確保船用變頻系統(tǒng)和其相應(yīng)的負(fù)載系統(tǒng)的可靠工作。 故障檢測及處理程序還要對整個變頻系統(tǒng)的所有主電路快速熔斷器的故障狀態(tài) 進(jìn)行檢測，如各個變頻器的電源輸入熔斷器、公共整流裝置的熔斷器、公共過 壓斬波單元的熔斷器等的狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常，則對應(yīng)調(diào)用相應(yīng)的故障保護(hù)和 報警程序，確保整個船用變頻系統(tǒng)的可靠工作。隨后程序進(jìn)入系統(tǒng)控制程序， 首先執(zhí)行具有較高安全保護(hù)等級的電液剎車邏輯控制程序根據(jù)有效工作狀態(tài) 進(jìn)行相應(yīng)的電液剎車的抱閘、釋放等控制；然后執(zhí)行系統(tǒng)的基本功能控制如緊急停車控制邏輯、系統(tǒng)復(fù)位邏輯、應(yīng)急運行控制邏輯、各控制柜體門開關(guān)連 鎖控制邏輯等。執(zhí)行完這些功能邏輯控制以后，開始執(zhí)行公共直流母線系統(tǒng)的 充電控制。由于多變頻器的直流輸入端互相并聯(lián)，系統(tǒng)的電容量很大，如果直 接閉合主接觸器上電，瞬時會產(chǎn)生巨大的輸入電流，不僅對輸入電源系統(tǒng)造成 很大的沖擊，而且也有損電容器的壽命，所以必須控制充電電流，通過控制充 電接觸器接入充電限流電阻，使得輸入電源可以給公共直流母線系統(tǒng)進(jìn)行平滑 充電，充電電流限制在系統(tǒng)的額定工作電流以內(nèi)，避免對輸入電源系統(tǒng)造成沖 擊。在公共直流母線上的電壓建立起來以后，再閉合主接觸器，此時系統(tǒng)才算 備妥，向外部控制系統(tǒng)發(fā)出備妥信息，系統(tǒng)才可以響應(yīng)運行控制命令，各個變頻器才可以正式開始工作。在各個變頻器允許正式工作以后，執(zhí)行負(fù)載電機的 外部風(fēng)機控制程序由于變頻器驅(qū)動的負(fù)載電機允許長時間工作在極低轉(zhuǎn)速工 況，此時電機的發(fā)熱很嚴(yán)重，必須有單獨的外部風(fēng)機進(jìn)行強迫風(fēng)冷，才能夠保 證電機的長期可靠運行。在各個變頻器允許正式工作以后，同時執(zhí)行負(fù)載電機 的轉(zhuǎn)向和纜繩收放狀態(tài)的邏輯處理，使系統(tǒng)接收的對收放纜繩的控制命令轉(zhuǎn)化 為相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)向命令，供相應(yīng)的變頻器運行。在執(zhí)行完上述基本控制程序以 后，程序轉(zhuǎn)向執(zhí)行信息處理逋過系統(tǒng)內(nèi)部的通訊網(wǎng)絡(luò)，搜集各個變頻器的工 作信息參數(shù)和公共直流母線系統(tǒng)的工作信息參數(shù)，然后分類向本地柜體上的觸 摸顯示屏發(fā)送相關(guān)的運行數(shù)據(jù)信息，以及向遠(yuǎn)程的船機控制室發(fā)送系統(tǒng)的運行 數(shù)據(jù)信息。至此主控工作程序的功能全部執(zhí)行完畢，程序跳出主控工作程序， 繼續(xù)執(zhí)行前訴的主循環(huán)程序，在下一輪的循環(huán)中重復(fù)執(zhí)行主控工作程序。
權(quán)利要求1、一種基于公共直流母線的船用多變頻器系統(tǒng)，包括多組變頻器和異步電動機，其特征在于還包括一個公共直流母線系統(tǒng)(3)和總控單元CCU(8)，所述的公共直流母線系統(tǒng)的輸入端通過公共整流器(2)和輸入濾波器(1)接入船用三相主電源，母線上則并聯(lián)接入公共過壓斬波器(4)和系統(tǒng)絕緣檢測裝置(5)；所述的變頻器(6)的一端并聯(lián)接入公共直流母線(3)，一端則與拖動用的異步電動機(7)相連接；所述的總控單元CCU通過其CPU板和CAN或MODBUS網(wǎng)絡(luò)對所述變頻器系統(tǒng)進(jìn)行控制。
專利摘要本實用新型公開了一種基于公共直流母線技術(shù)的船用多變頻器系統(tǒng)，其特征在于多個變頻器各自連接在公共的直流母線上，通過公共的整流裝置接入船舶內(nèi)主三相電源。公共整流裝置完成從主三相電源到公共直流電源的轉(zhuǎn)換，通過公共直流母線向各個變頻器提供直流電源，各個變頻器驅(qū)動各自對應(yīng)的異步電動機。所述的船用多變頻器系統(tǒng)只需一組公共的輸入濾波裝置、一組公共的三相整流裝置、一組公共的過壓斬波單元和一組公共的絕緣檢測裝置，就可以為多變頻器組成的后級系統(tǒng)提供可靠的工作保障。極大地提高了整個系統(tǒng)的工作可靠性。本實用新型主要應(yīng)用在船舶交流驅(qū)動變頻系統(tǒng)，用于船舶的絞車負(fù)載、風(fēng)機負(fù)載、泵類負(fù)載等的多變頻器交流驅(qū)動。
文檔編號H02P27/04GK201113911SQ20072001532
公開日2008年9月10日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
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