文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）11-072-04中圖分類號：TP29

★任新民（招商局重工（深圳）有限公司，深圳518054）

關(guān)鍵詞：AFE變頻；故障；巡航救助船

1　前言

現(xiàn)代化大型巡航救助船圍繞國家“交通強國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議，并以建設(shè)國際一流的現(xiàn)代化專業(yè)救助打撈體系為目標規(guī)劃建造的。該船作為新一代海上救助利器，將為我國的海上經(jīng)濟開發(fā)和發(fā)展保駕護航，進而提高國家防災減災救災和急難險重突發(fā)公共事件處置的保障能力。

該船由上海船舶研究設(shè)計院研發(fā)設(shè)計，是在充分借鑒和傳承8000kW、14000kW海洋救助船成功設(shè)計建造的基礎(chǔ)上，全新開發(fā)的全球最先進的深遠海全天候大功率多功能綜合立體救助船。該船總長136.9米，型寬26.7米，型深11米，建成后具備水面搜尋救助、深遠海拖曳救助、海空立體搜尋救助、應急搶險救助、對外消防滅火、信息傳輸與應急指揮、環(huán)境監(jiān)測保護、深水掃測、援潛救生、飽和潛水、水下救助打撈作業(yè)、對外應急補給等功能，將履行南海水上遇險人員、船舶和航空器搜尋救助。

該船設(shè)計有三個機艙，具有高航速和大拖力等特點，其配備DP3動力定位系統(tǒng)、全海深多波束系統(tǒng)、水下機器人、深拖系統(tǒng)和具有升沉補償能力的250噸起重機等特種設(shè)備，可獨自承擔深水應急救助作業(yè)，將為南海海上運輸、深水油氣資源開發(fā)等提供安全保障，并可參與全球海上搜救和國際救援行動，保障了我國海上運輸通道安全和維護了國家海外利益。

2　拖纜機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1　設(shè)計背景

目前我國南海深水油氣資源開發(fā)尚無大型保障裝備配置，本船必將是深水油氣資源開發(fā)裝備遠距離救助拖航的主拖船。我國的功勛平臺“海洋石油981”，其作業(yè)水深可達3000米，要求300噸以上系柱拖力的拖曳能力才能在正常海況下進行拖航，如遇惡劣海洋環(huán)境條件，則需提供更大的系柱拖力。為滿足上述拖曳需求，本船最大系柱拖力應不小于350噸。根據(jù)中國船級社CCS《海上拖航指南》（2011年）拖纜機拖絞力計算和核定，拖纜機在進行拖曳作業(yè)時要釋放出三分之二繩長。在拖纜機卷筒上尚存有三分之一繩長的情況下，拖纜機拖絞力應與船舶拖曳作業(yè)所發(fā)出的拖航拖力相當或大于拖航拖力較為合理，因此本船設(shè)計配置了500噸拖力的大型拖纜機。

本船又為多功能型現(xiàn)代化船舶，除拖拽外還配備其他功能設(shè)施及其輔助系統(tǒng)如管、線等。設(shè)施多，設(shè)施的操作、維護等所需的人員自然也多，使得船舶空間需求更大。但同時為保證船舶作業(yè)的靈活機動性，船舶體積又不能過大，故船舶在設(shè)計時如何就空間和功能配套需求問題進行協(xié)調(diào)，是設(shè)計的難點。

綜合以上因素，最終本船的拖纜機采用AFE變頻驅(qū)動控制技術(shù)，既能滿足大拖力需求，又能省空間，還能提高船舶供電質(zhì)量，一舉三得。

2.2　設(shè)計原理

為實現(xiàn)500噸大拖力，同時受電機市場貨源影響，本船選用了3相AC690V的拖纜電機。結(jié)合電制配置要求：AC6600V/AC400V/AC230V，本船最終選用了3相AC400V作為輸入電壓，通過變頻技術(shù)實現(xiàn)3相AC690V輸出電壓。

變頻技術(shù)分為AFE（Active Front End Inverter）和DFE（Diode Front End Inverter）：AFE變頻器采用主動整流技術(shù)，其輸入端使用可控硅等器件如IGBT或IGCT等來實現(xiàn)整流過程；DFE變頻器采用二極管整流技術(shù)，其輸入端使用二極管整流橋來實現(xiàn)整流過程。二者在成本、體積及對全船電網(wǎng)影響上互有優(yōu)劣：AFE成本大、體積小、共模電壓影響大；DFE成本小、體積大、共模電壓影響小。所以因AFE的共模電壓影響大，在使用系數(shù)高的電力推進船舶上通常采用DFE的變頻技術(shù)。

本船的大拖力拖纜機，因其使用系數(shù)低、船舶空間緊張等因素，采用了AFE的變頻技術(shù)。該變頻器由前端濾波單元（LCL）、IGBT整流單元、直流母排、IGBT逆變單元組成。AFE變頻器采用IGBT作為整流和逆變的功率元器件，并采用正弦脈寬調(diào)制模式（SPWM），從而實現(xiàn)變頻系統(tǒng)從AC、DC到AC的變頻目的。

為實現(xiàn)3相AC690V輸出電壓，該變頻器采用BOOST升壓模式，并利用濾波器內(nèi)電感和電容的儲能特性，通過IGBT的開關(guān)特性，將輸入的AC400V通過整流升壓至DC910V；再通過IGBT逆變單元輸出3相AC690V供電給拖纜電機。拖纜機配電圖如圖1所示。

圖1 拖纜機配電圖

3　拖纜機的調(diào)試

本船的拖纜機采用三路主電源供電，其中主電源兩路由前機艙AC 400V配電板ASB1的兩段母排（BUS-21&BUS-22）提供；備用電源一路由左機艙AC 400V配電板ASB2的母排BUS-24提供，其也為應急電源。在正常工況下，拖纜機由兩路主電源供電，當兩路主電源故障時，由備用電源提供用于終止安全作業(yè)，如圖1所示。

3.1　出現(xiàn)的問題

在調(diào)試拖纜機變頻器時會出現(xiàn)以下問題：

（1）絕緣低報警：拖纜機電源由前機艙AC 400V配電板ASB1提供，母排BUS-21和BUS-22之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，拖纜機在加速或減速操作時，此兩段配電母排（BUS-21&BUS-22）上的絕緣監(jiān)測裝置會發(fā)出絕緣低報警；

（2）諧波高報警：同（1）一樣的供電和操作情況下，監(jiān)測前機艙AC 400V配電板ASB1上兩段母排的電網(wǎng)質(zhì)量檢測儀，測到的諧波值超過5%，最高值達9%～10%；

（3）共模電壓影響：同（1）一樣的供電和操作情況下，前機艙AC 400V配電板ASB1會不時出現(xiàn)共模電壓，峰值電壓達580V，引起該配電板上配備整流單元的設(shè)備如其他軟啟動器、AC/DC電源模塊等燒毀；

（4）整流單元內(nèi)部環(huán)流：當拖纜機由一個變壓器供電時，即母排BUS-21和BUS-22之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合時，兩組IGBT整流單元之間會出現(xiàn)經(jīng)由DC 910V直流母排的內(nèi)部環(huán)形電流，該內(nèi)部環(huán)流會引起兩個整流單元出現(xiàn)過流而故障，如圖2所示。

圖2 整流單元內(nèi)部環(huán)流示意圖

3.2　原因分析及解決

經(jīng)不斷排查和測試，我們分析出現(xiàn)以上問題的主要原因是變頻器內(nèi)部控制采用了BOOST升壓方案而導致。Boost升壓電路是六種基本斬波電路之一，也是一種開關(guān)型直流升壓電路，它可以使輸出的電壓高于輸入的電壓。其原理是通過控制開關(guān)通斷來控制電感存儲和釋放能量，從而使輸出電壓比輸入電壓高，如圖3所示。

圖3 Boost升壓電路示意圖

在G導通時，電感L通過圖3中的回路1存儲能量，此時二極管D截止，后級電路即輸出電路由電容C供電；當G截止時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流并不會馬上變?yōu)?，而是緩慢變成0。原電路已斷開，于是電感的電流只能通過圖3中的回路2釋放能量，此時二極管D導通，電感L給電容C充電，電容兩端電壓升高，此時輸出電壓V的輸出已經(jīng)高于輸入電壓V的輸入，實現(xiàn)升壓。當G的通斷過程不斷重復，就可以在電容C的兩端得到高于輸入電壓的電源。

基于上述Boost升壓電路的原理，我們提出了分析和解決方案，如下：

（1）分析原因：拖纜機的電源來自AC 400V配電板，而拖纜機電機是AC 690V。拖纜機變頻器將輸入的AC 400V通過整流升壓單元（由LCL濾波單元和IGBT整流單元組成）將電壓升至DC 910V，再通過逆變模塊轉(zhuǎn)換成AC 690V輸出給電機。由于拖纜機變頻器采用Boost升壓時，須利用整流單元前端LCL濾波單元，因此削弱了前端LCL濾波單元的濾波功能，導致LCL濾波單元的濾波功能失效或降容，即此時LCL濾波單元兼具升壓和濾波用途，但二者不可兼得，最終導致變頻器內(nèi)部的諧波及共模電壓未能得到有效的抑制和消除。

（2）解決方案：為解決以上問題，須設(shè)法消除或隔離變頻器的諧波及共模電壓。由于變頻器Boost升壓整流單元是造成諧波及共模電壓的根源，故取消整流單元Boost升壓模式，僅保持LCL濾波單元的濾波功能。同時為了保證直流母排的電壓DC 910V，須將IGBT整流單元的輸入電壓升至AC 690V，為此須在2臺IGBT整流單元的前端各增設(shè)一臺400VAC/690VAC/1000kVA的升壓變壓器，如圖4所示，此變壓器不僅有升壓作用，還有隔離功能。

圖4 增設(shè)升壓變壓器后電路圖

通過在拖纜機變頻器調(diào)試期間的觀察，我們發(fā)現(xiàn)AC 230V配電板上配有隔離功能裝置如AC/DC電源模塊的用電設(shè)備一直在正常運行，可以確定變壓器對變頻器諧波及共模電壓有隔離作用。因此，增加升壓變壓器改變原來的控制方案，同樣會起到隔離拖纜機變頻器的諧波和共模電壓作用，不僅達到了拖纜機工作時不影響AC 400V主配電系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，也有效防止了諧波和共模電壓帶來的不利影響。

4  結(jié)語

海上的環(huán)境比陸地上更多樣、更復雜、更多變，因此對裝置的設(shè)計和應用更苛刻，要求也更高。通過本文對AFE變頻技術(shù)在大型巡航救助船上的應用及故障分析，希望能加深大家對變頻技術(shù)的設(shè)計及應用要求的了解，并能為AFE變頻技術(shù)在后續(xù)項目上的推廣應用提供寶貴經(jīng)驗。

作者簡介：

任新民（1966-），男，廣東深圳人，副高級工程師，現(xiàn)就職于招商局重工（深圳）有限公司，主要從事船舶和海工修造技術(shù)管理工作。

參考文獻：

[1] 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術(shù)第5版[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009 : 123 - 124.

[2] 王志強. 精通開關(guān)電源設(shè)計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008 : 31 - 40.

[3] 中國船級社. 海上拖航指南(2011) [S].

摘自《自動化博覽》2023年11月刊