LNG运输船电力推进系统中变频驱动装置的操作和维护

文/上海海事职业技术学院 吴士华

石油资源的日益紧缺，加快了天然气资源的开发和利用步伐。而在天然气运输方面，海上运输是经济、安全、有效和灵活的运输手段之一。近年来，LNG的海上运输业务发展迅速，中海集团也正在筹划建立LNG船队。

图1 单桨LNG运输船的系统组成

LNG运输船采用何种动力推进系统一直存在争论，各大航运公司和ABB、MAN Diesel 、Wartsila、GE 等国际巨头都在研发新一代船舶推进系统的转型。就现状而言，双燃料发电机与电力推进系统的结合，已成为新型LNG运输船的首选。相比其他推进方式，采用电力推进系统对满足环境保护及成本效益的要求有着明显的优势。然而，当电力推进系统广泛应用在LNG运输船时，必需配备相当数量具有电力推进系统知识和管理技能的轮机管理和操作人员。就目前中海集团轮机管理人员的知识结构和管理技能来讲，对相关电力推进系统的专业知识和管理知识知之甚少，难以胜任LNG运输船的轮机管理工作。所以，公司必须未雨绸缪，通过补差培训，加快LNG运输船轮机管理人员的培养，加强电力推进系统理论和维护管理知识的学习，有效提高轮机管理人员电力推进系统的管理技能。

一、LNG运输船电力推进系统概述

LNG运输船电力推进系统的组成主要包括：中压发电机、中压电站、输入电源断路器、输入（隔离）变压器、船用变频器、同步（或异步）电动机、推进器及控制系统组成。图1所示为单桨LNG运输船的典型系统构造。

在电力推进系统中最为重要的设备是船用变频器（也称为可变速船用驱动装置），它的作用是通过驾驶台或机舱控制室操纵手柄改变控制系统的输出触发信号去改变变频器的输出电压的脉宽，从而改变输出三相正弦波的频率，最终改变推进电动机的转速，使推进器的转速从低速到高速之间进行无级调速。所以，变频器既是电力推进系统中最为重要的装置，也是轮机管理人员最想了解的设备。以下围绕船用变频器的组成、功能、操作和维护进行阐述。

二、船用变频器的系统组成和功能

在新型LNG运输船的电力推进系统中，船用变频器通常采用IEGT（注入增强栅晶体管）功率开关元件和三电平中性点箝位（NPC）拓扑结构、PWM（脉宽调制）技术、水冷散热冷却系统的电压源型变频器，以科孚德公司生产的变频器为例，其系统结构如图2所示。

1.整流单元柜

作用是将变压器提供的交流电经整流滤波形成直流电，其组成包括12脉波二极管整流单元、预充电或预励磁系统。

整流单元由去离子水冷却的多个二极管功率元件堆栈组成。电流互感器组装在堆栈里，测量整流单元的输入电流并提供保护。

预充电或预励磁系统是在电源断路器闭合前对直流母线电容进行充电或对变压器进行预励磁，以减少电源断路器闭合时产生的瞬间冲击电流，其组成包括：电源断路器、预励磁变压器和保险丝。只有当中压电源和低压电源的相序一致时，可使用预励磁系统，否则只能用预充电系统。

2.直流母线柜

承载经整流滤波产生的直流母线电压，其组成包括：直流电容器和母线排、电压测量装置、电容放电系统、接地故障检测系统。

直流电容器采用自愈型干式薄膜电容器，电容器的放电电阻接在直流母线的两个极性上，当变频器处于关闭状态时，能够在大约5分钟左右把电容器上的电压放电至<50V（10分钟后闭合接地开关，可以对设备进行维护和保养）；接地故障检测系统由电阻、电压传感器组成，直流母线的中性点通过这套电阻连接到大地，中性点和大地之间的电流随时受到监视，当电流大于设定值时，触发接地故障信号传送到控制器。

3.制动斩波器

制动斩波器安装在直流母线的正极和负极间用于电机制动过程中消耗直流母线上的电能。它的组成结构和相功率单元相同，由压装式IGBT和二极管组成。制动电阻装在变频器柜的外面。

图2 变频器系统结构

4.逆变单元柜

逆变单元使用压装式IGBT的三电平中性点钳位（NPC）形式，每一个逆变器功率堆栈包括：压装式IGBT单元、门触发驱动板和24V门触发驱动电源板、续流二极管堆栈、OV箝位二极管堆栈、箝位电容器。逆变单元柜内还装有接地开关、输出电流互感器。

门触发驱动板通过光缆传输控制和监视信号，同时还具有IGBT过流、IGBT 过压、短路检测、门触发驱动电源检测、脉波宽度检测等保护功能，当IGBT发生故障时，将故障反馈信号送到控制器。24V直流门触发驱动电源由变压器、整流器和滤波电容组成。

5.交流输出柜

将PWM调制输出电压转变成正弦波，以获得圆形磁场、减少谐波污染，其组成包括正弦滤波器和接地开关。

在控制柜门打开前，应通过接地开关把直流母线的三个极性点接地，这是在维护保养工作时打开柜门前必须强制执行的程序。

6.dV/dt滤波器

变频器采用三电平中性点二极管箝位拓扑技术，所以输出电压是台阶式的（1/2的直流母线电压）。输出线电压之间的总谐波失真（THD）是传统两电平变频器的一半，通常情况下不需要正弦滤波器。如果需要也只是使用dv/dt 滤波器，用于限制dv/dt变化率和变频器输出电压的过电压。dv/dt滤波器为三相RLC滤波器，连接在变频器的输出端子。滤波器的星型中性点连接到直流母线的中性点。dv/dt 滤波器的截止频率高于20kHz，能适应动态性能要求比较高的应用场合。

7.控制单元柜

柜内的PEC控制器能进行高性能的矢量控制计算并确保变频器的安全操作，其组成包括遥控I/O单元、低压辅助控制单元、数据管理器(操作键盘)等。控制器的基本任务是通过输出信号触发IGBT，改变其输出脉宽，调节电动机的转速和转矩，并执行逻辑控制和安全保护，附加的控制任务还包括：交流输入电源断路器的控制、电机和变频器的保护、辅助控制和串行通信等。

遥控I/O单元通过以太网直接连接到控制器。

8.冷却单元柜

提供整流和逆变单元的去离子冷却水，把变频器的热量传送到热交换器。其组成包括：电动去离子冷却水泵及流量控制、去离子系统及冷却水传导率控制、原水/去离子水热交换器和膨胀槽等。

电动泵输送去离子水冷却功率单元，其流量受到检测和控制，当流量不足时，触发报警和故障信号并传送到控制器。

去离子水的传导率受到检测，当传导率高于上限定值时，打开三通阀使去离子水流过去离子水发生器，传导率便下降；当下降到下限定值时，水阀被关闭，以此来控制去离子水的传导性。如果去离子水的传导率高于最大设定值，则触发故障报警信号并传送到控制器。

膨胀槽的作用是调整冷却水回路的静态压力。

冷却单元出水口的温度受到监测，温度过高时触发报警和故障信号并传送到控制器。

9.外部电气设备

（1）输入电源断路器

输入电源断路器在提供电源的同时，在系统的保护环节中，还起到关键的保护连锁作用。当断路器收到变频器发出的跳闸信号后在100ms内保护跳闸。如：与接地接触器的连锁，冷却水电导率过高，冷却原水温度过高，水压过低、冷却单元漏水、去离子水流量过低、变频器电源欠压、辅助设备电源欠压、控制器故障、时序失步、过电流、过电压、直流母线电压不平衡、接地故障、断路器故障、紧急停止、IGBT门驱动板故障等。变频器正常停止时，电源断路器继续保持闭合，其开闭状态通过辅助继电器反馈给控制器。

（2）输入变压器

在变频器整流单元前端，一般使用12脉波变压器来提高电源质量，对谐波进行过滤并降低共模电压，并阻隔谐波对电网的影响。变压器的设计还考虑了谐波抑制和输入电流限制，能在变频器严重短路的情况下限制故障电流直到输入断路器跳闸断开。

（3）变频电动机

根据船舶设计需要配置专用同步或异步变频电动机。

当变频器工作时，首先将三相交流电通过变压器移相输出2组6脉波交流电，经过2组三相桥式整流器和滤波变成平滑的直流电输出到直流母线，再经逆变器输出脉宽可调的三电平三相阶跃脉动方波，最后经正弦滤波器输出频率可控的三相正弦波去驱动推进电机。逆变器输出脉动方波的脉宽受到IEGT的开关脉冲信号的控制（这种控制方式称为PWM频宽调制模式），开关脉冲信号受到驾驶台或机舱控制手柄的控制（通过PEC控制器）。

三、船用变频器的日常操作

变频器的操作主要包括：变频器运行前检查、变频器参数的管理和设置、变频器的预备运行等。

1.变频器运行前检查

（1）检查确认所有连接到I/O控制板上的控制信号线是否正确连接。

（2）测量高、低压电缆的绝缘电阻（必须大于 1MΩ）。测量绝缘时，连接于直流母线中点和大地之间的接地电阻和电压传感器必须断开。

（3）检查辅助电源、风扇、冷却系统、整流柜、逆变柜和直流母线柜加热器是否正常。

（4）检查控制柜输入电压，确认所有的门驱动板上只有(绿色)LED指示灯亮。

（5）检查遥控I/O模块、操作键盘、PEC的I/O接口和电源，通过键盘显示检查控制器的CPU以及PIB100G控制板的初始化完成状态。

（6）检查光缆传输是否正常，TIB控制板上的LED指示灯应为绿色。

（7）在关闭变频器柜门之前，检查是否有遗留的工具、柜子内是否干净。关闭变频器柜门后，把钥匙放回互锁保护位置。

（8）断开接地开关和其他所有的接地装置，把接地开关钥匙放回互锁保护位置。

（9）解开输入电源断路器和预充电断路器的连锁保护。

（10）按下键盘复位键或遥控复位键清除所有的报警和故障，若有报警或故障，予以排除，当所有的报警和故障清除后，变频器便处于运行准备状态，等待接收遥控启动命令。

（11）通过键盘检查是否在正常运行模式(参数P2.0，1=Running Mode，0=Normal)。检查编码器模式设置是否正确(参数P2.12，0=无编码器；1=带编码器；2=编码器只用于启动)。

2.变频器参数的管理和操作

1）操作模式和转换

变频器参数的管理和操作由键盘实现。有两种操作模式，模式转换方式是在整流单元柜面板上的操作键盘上进行的。

本地模式用于变频器系统的测试、调试和应急操作。可以通过键盘执行：启动/停止命令、简单的转速调节和控制方式选择。在本地模式下，遥控命令和 I/O无效，操作键盘是唯一的操作设备。

正常运行模式用于系统的遥控，可以通过遥控指令执行：启动/停止命令、转速调节功能、转速估计或转速反馈的磁场或转矩矢量控制、辅助管理功能等。除了测试、调试和应急操作外，变频器必须工作在正常运行模式。

变频器可以在运行时从正常运行模式切换到本地模式，在停止时才能从本地模式切换到正常运行模式。

2）操作键盘和操作

操作键盘能够提供本地的电机控制、系统设置、参数修改、输入输出的确认、数据测量、状态显示、故障诊断等功能。

根据不同的功能，所有的参数被分在不同的菜单组里。共有五组：“0”系统菜单，系统设置；“1”测量菜单，变频器监视；“2”本地模式，控制模式选择和参数设定；“3”故障菜单，当前跳闸故障；“4”报警菜单，当前报警。

在菜单的不同组别中包含有具体的参数列表，它是根据菜单的不同功能定义的，通过参数的类型和功能方便地进行浏览。每一个参数都具有一个参数号码，该号码包括一个指定的前缀P+菜单号码和参数号，中间用小数点隔离。如在菜单“1”中的电机电流参数号码是P1.03。使用“ESC”、“RIGHT”、“LEFT”、“DOWN”、“UP”键可以方便地浏览任意参数，参数修改必须先输入密码。

键盘故障或者连接断开会产生报警，在正常模式下该报警不中断变频器的运行，在本地模式下，驱动器会继续运行在键盘转速或者当前转速下，经过预置时间后，驱动器会自动停止运行。

3.变频器的预运行操作

预运行程序用于确认变频器的运行正确性以及控制方式、控制顺序是否正常。当所有运行前的检查工作结束后，通过键盘选择正常运行模式 (参数P2.01)，控制器自动地切换到无编码器矢量控制方式。在正常运行模式，控制器使用遥控的转速调节、遥控启动/停止命令和紧急停止命令。

对于正常模式下的预备启动，必须做好以下检验程序：

（1）检查辅助设备是否已按要求启动；

（2）触发一个遥控跳闸命令，检查键盘上的故障显示和跳闸动作是否对应；

（3）检查启动运行允许条件是否满足；

（4）发出遥控启动指令并设定某个转速，检查电动机转向和转速是否和指令一致；

（5）改变转速并检查转速是否和指令一致并观察转矩限制作用；

（6）检验其他的遥控指令是否有效，如快速停止或复位等。

四、安全防护措施和维护管理

船舶电力推进系统的变频器使用6600V电压，即使断开主电源及辅助电源，系统仍旧会存在高电压。因此在进行任何操作前，断开所有外部电源，并确保所有电容器已被放电、变频系统已经接地。10分钟后，才能打开柜门。变频器在一天中的关断次数不能超过10次，不能连续地关断3次，2次时间间隔不能少于30秒。进行维护之前需要执行必要的变频器关断操作流程，如果没有进行这些操作，可能导致机损或人员伤亡。

1.工具配备和人员安全装备

检修工作时配备的工具除了常用电工工具外还需要：

（1）中压电压表（最高至8KV交流和13KV直流）；

（2）3套以上三相接地短路导线；

（3）用来连接/断开接地引线的绝缘扳手；

操作人员的安全装备除了常用电工安全装备外还需要：

（1）防火防电弧的外套；

（2）中压安全手套；

（3）配以完整面罩的安全帽；

（3）保护耳罩；

（4）安全高压绝缘鞋。

2.钥匙互锁系统

变频器必须通过钥匙互锁系统执行柜门开启流程，其钥匙不可配制备用。以确保打开柜门前所有接地开关都已接地。柜门开启流程如下：

（1）断开主电源断路器，闭合电源接地开关，从Box 1中拿出钥匙X；

（2）断开预充电电源（400V）断路器开关，拿出钥匙A；

（3）用钥匙X和A打开Box 2，等待10分钟直到电容器放电结束；

（4）从Box 2中拿出钥匙B，闭合变频器接地开关，拿出钥匙C；

（5）用钥匙C打开Box 3，拿出钥匙D打开所有变频器的中压柜门。

表1 变频器的周期性维护内容时间表

3.日常检查和定期维护

由于机舱环境的温度、湿度、盐雾、酸碱度、粉尘、振动等因素的影响，以及电器件的老化等原因，都可能导致变频器存在故障隐患。因此，必须对变频器进行日常运行检查和定期维护。在对变频器进行维护工作之前，应先确保系统已经安全接地。

1）变频器的日常运行检查

（1）观察操作键盘显示是否清楚，是否缺字少符，记录各项显示参数，发现异常应即时查找原因。

（2）观察环境温度、湿度、振动、灰尘、气体、油雾、水滴、杂物、危险品等，并记录环境温度（应不超过40℃）。保持环境整洁、通风照明良好。

（3）检查变频器过滤网的脏堵情况，及时清洁。

（4）检查逆变单元柜出风口温度（应不超过80℃）。

（5）检查并记录变压器温度（应不超过80℃），有无异常的鸣叫、异味。

（6）检查主电路、控制电路输入电压是否正常。

（7）检查整流单元和逆变单元有无异常声音或振动。

（8）检查冷却单元有无异常声音或振动。

（9）变频器停机后再恢复运行，如果环境潮湿，先打开主电源、控制电源和辅助电源，使变频器通风半小时，以驱除变频器内部潮气，然后再启动。

2）变频器的定期维护

为保证变频器安全可靠运行，周期性维护是至关重要的，变频器的周期性维护内容时间见表1.

在日常管理维护保养时，要注意做好以下工作：

（1）负责人制度。明确设备责任人。

（2）技术档案和保养记录。包括：变频器随机技术资料、参数设置步骤表、运行参数记录、巡检和维护记录、故障处理过程记录、备件库存动态记录。

（3）安全管理操作规程。应根据变频器类型制订各项操作规程，包括：现场手动操作规程、遥控自动操作规程，变频器关断操作规程、变频器启动操作规程、变频器柜门开启及接地操作规程、安全防护规范等。

（4）故障检修操作规程。制订故障应急预案，当发生故障时采取有效的措施，迅速组织维修人员和防护人员，依据报警信息查明故障，消除故障原因。严禁在故障不明的情况下复位再开机，更不允许在原因不明的情况下将故障信号短接后开机。