船用推进变频调速装置保护技术研究

李强，阮会，周艳红



船用推进变频调速装置保护技术研究

李强，阮会，周艳红

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

推进变频调速装置是船用电力推进系统关键组成部分，一旦损坏不能正常运行，将导致全船整个推进系统瘫痪，失去前进动力。基于推进变频调速装置在船用电力推进系统中的重要使命，本文针对船用变频调速装置可能存在的故障类型进行了分析，提出了相应故障类型的保护要求，给出了保护方法，并对关键保护技术进行了试验验证。试验结果满足设计要求，证明了保护方法的可实现与有效，提高了船用动力系统的可靠性，具有较高的理论研究价值和工程应用价值。

变频调速装置 故障类型 保护方法

0 引言

船用电力推进系统主要由推进变压器、推进变频调速装置（又称为推进变频器）、推进电机、开关等组成，如图1所示。推进变频调速装置将船舶电网的交流恒频恒压电转换为频率及电压可调的变频电源，用以改变负载推进电动机及螺旋桨的转速，并最终完成船舶航速及航姿的调节。推进变频调速装置是船用电力推进系统关键组成部分，一旦出现故障不能正常运行，轻则使得船舶不能全速航行，重则导致整个推进系统瘫痪，失去前进动力。

本文重点针对变频调速装置主要保护问题，提出相应的保护措施及设计方法，以期避免变频调速装置相关故障的发生或即使故障发生后，也能快速切除故障，保障全船动力设备安全。

1 保护方法

1.1 过电流保护

目前，船用推进变频器针对过流保护主要采用快速熔断器加电流传感器检测相结合的方式，快速熔断器是目前广泛应用的一种保护措施，在发生过电流时，利用其快速熔断特性和二极管过载特性相配合，使其先期熔断并切断电路，保护器件。快速熔断器具有通过电流越大，熔断时间越短的特点，适合做短路保护，但不宜做过载保护。

变频调速装置过电流保护同时还通过电流传感器检测来实现。电流传感器将检测到的电流信号，经过信号调理板转换成相应的电压信号传送至DSP板，DSP比较检测的电流值与过流阀值，电流一旦超过设定阀值，DSP板将迅速闭锁所有功率器件脉冲，同时分断输入开关柜。当变频调速装置所用功率器件选用IGCT，并且桥臂出现直通时，该方法可起到防止故障扩大的作用。

变频调速装置运行时或工况转变中，当负载突变，电流可能急剧增大。为了保护变频器的安全，当传感器检测到输出电流增大到设定阀值时，控制系统封锁脉冲，同时分断开关柜，以保护变频设备的安全。

此外，还可在变频驱动装置的输入端设置交流断路器，断路器中设置有钟保系统，由断路器中电流检测单元（如电流传感器）实时检测系统输入电流，采样形成输入电流信号，再将电流信号转换为电压信号送至电压比较器，与钟保系统中过流整定值比较。在变频调速装置发生过载或短路时，电流信号超过钟保系统中过流整定阀值，钟保系统可控制快速分断断路器开关。

1.2 过电压保护

变频调速装置过电压保护是变频调速装置中间直流电压达到危险程度后采取的保护措施，在变频调速装置实际运行中引起直流母线过压故障的原因较多，可以采取的措施也较多。

一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面：

1）来自电源输入侧的过电压

电源输入侧的过电压主要为电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、断路器在合闸或断开时形成的操作过电压等，主要特点是电压变化率和幅值都很大。

2)来自负载侧的过电压

主要为电动机因设定频率突降而减速或负载突卸等原因使电动机处于再生发电状态时，通过逆变单元的续流二极管回馈到变频调速装置的中间直流单元中，由于船用电网的孤岛特性，选用的整流单元为二极管不控整流，能量不能回馈电网。此时变频调速装置直流支撑电容充电，使直流母线电压升高，严重时导致过电压。

船用变频调速装置中对过电压的处理主要包括以下两种方法: 1）设定合理控制系统参数，采用延长变频调速装置减速时间的方法来解决。而对于负载突卸过电压故障，可在负载突卸前，将变频调速装置的输出频率作适当提升，减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路，以减少其引起的过电压故障。

2）设置制动单元吸收直流母线过电压

目前针对船用电网的孤岛特性，在直流单元出现过电压时不能将能量回馈至船用电网。船用变频调速装置直流母线过压常用的方法为在直流单元直流侧并联制动单元，通过开关器件将这部分能量消耗在制动电阻上，保护变频调速装置的安全，同时提高电机的制动能力。

制动单元根据功率器件、主回路拓扑结构的不同主要有以下几种型式，如图3所示。图3（a）、（b）分别为IGBT、IGCT两电平制动单元结构型式，图3（c）、（d）分别为IGBT、IGCT三电平制动单元结构型式。图中R为制动电阻。

3）设置避雷器或压敏电阻

避雷器、压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结而成的非线性电阻元件，具有明显的击穿电压。在施加电压低于击穿电压时，漏电流仅为毫安级，损耗小；在施加电压超过击穿电压时，可以通过很大的浪涌电流，对雷击过电压、操作过电压有很好的吸收效果。

1.3 中点电位不平衡保护

目前，由于电力电子器件耐压水平的原因，中压船用推进变频调速装置主电路主要采用三电平结构型式。变频调速装置直流侧包含正母线、负母线和零母线。正母线与零母线之间、负母线与零母线之间分别安装有直流支撑电容组，正负两组支撑电容上电压不均衡称为中点电位不平衡。

中点电压不平衡问题是二极管钳位型三电平逆变器固有的问题，而中点电压的不平衡会造成严重的危害：

1）增加输出电压低次谐波，导致输出电压波形畸变，降低输出波形质量；

2）带电机负载时电压中含低次谐波，使电机产生脉动转矩，影响调速性能；

3）开关器件受压不均衡，可能导致功率器件及直流侧电容的损坏。

基于中点电位不平衡带来的危害，为了保证变频调速装置的正常运行，同时保证负载的安全，应努力使变频驱动装置直流单元中性点电压保持平衡。

为此，可在控制策略中对中点不平衡电压进行抑制。目前，针对中点电位不平衡问题我们提出了一种实现简单、适用的控制方法，该方法根据实时检测直流母线两组直流母线电压及输出电流的方向，实时调整各桥臂的调制波幅值，进而调整两组正负支撑电容组充放电时间使其电压最终达到平衡。该方法经过仿真与试验验证，对中点不平衡抑制有很好的效果。目前，该技术已成功应用于我所BP-7推进变频器上。

1.4 零电平保护

基于IGCT三电平H桥或全桥拓扑结构的变频调速装置，在正常工作时，为了满足负载电感续流要求和保证IGCT正常关断，输出相电压瞬态电平必须有零电平过度，但当其停机紧急停机或故障停机时，可能存在直接由1电平或-1电平直接跳变到脉冲全封锁状态，由于IGCT是电流源型功率器件，这种未经零电平过渡的开关过程将导致某些功率器件无法关断，同时因为负载电感续流原因，出现单个功率器件承受全压的现象，导致IGCT功率器件因过压而损坏。

为了提高设备的可靠性，在光纤板硬件电路设计时加入了零电平保护功能，在PWM波禁止时，先输出1ms左右的零电平脉冲，再封锁脉冲，使所有功率器件正常关断，保证设备的安全。

1.5 短路电子保护

当变频调速装置逆变单元或输出侧发生短路故障时，流经功率器件上的电流急剧上升，若不采取恰当的保护措施，将可能造成功率器件的损坏，甚至导致全船动力系统的瘫痪。

1）瞬态过电流电子保护工作原理

变频调速装置发生内部瞬态过流故障过程是一个微秒级大电流振荡放电过程。采用传统的短路过流保护方法，在如此短的时间内要达到保护器件的目的是非常困难的。

对此，考虑采用一种实时性更为可靠的检测判定方法：直接通过对限流电感上的电压进行阀值检定，判断主回路是否发生短路过流。DC-link环节限流电感电压变化能直接反映主回路电流的变化。对限流电感线圈采取抽头的做法，并在抽头处安装一阀值判定电路，可无延时地反映出限流电感电压大小。通过阀值判定电路对该电压的比较，获得主回路是否发生短路过流故障的信息。在出现短路过电流后，不立即关断IGCT，而是利用IGCT通态条件下可承受大电流的特点，将所有桥臂上的IGCT器件全部开通以分担短路电流。

针对以上原理，对三电平H桥结构变频调速装置电子保护方案设计如图4所示。

具体工作步骤如下：

a) 当主回路中发生过电流故障时，直流母线中的电流迅速上升，当阀值比较电路判定出现短路过流故障时，控制器控制IGCT驱动将主回路中IGCT全部开通，同时发出变频调速装置前端断路器分闸指令；

b) IGCT全部开通后，直流母线电流继续上升，同时直流电容支路电流也在上升，当该电流达到IGBT短路保护电流阀值，IGBT短路保护关断器件，使直流电容与直流母线脱开；

c) 直流电容与直流母线脱开后，直流母线中的电流将会迅速下降，待电流降至安全范围，控制板发出IGCT关断指令，直流母线电容开始放电。

2）试验验证

为了验证电子保护方案的正确性与有效性，搭建了短路电子保护实验平台，主电路示意图如图5所示。

直流母线电压1800 V；C为10 mF直流滤波电容；K选用3300 V/1500 A的IGBT，短路前保持开通状态；DC-link环节由及构成，其中为8 μH水冷电感，2 μH处取抽头；平台采用双桥臂，桥臂采用的功率器件为5SHX19L6010型IGCT。

图6为短路保护试验波形，其中图6（a）为保护动作前后K管、T1管端电压及直流母线电流变化波形，图6（b）为限流电感上的电压变化波形。

可以看出，T1管开通，直流母线电流迅速上升（图6（a）中4通道），同时限流电感上出现一电压脉冲（图6（b）中2通道）；直流母线电流升至K管过流保护动作，K管关断并出现关断过电压（图6（a）中3通道）；直流母线电流下降，随后T1、T2管关断（图6（a）中1通道）。整个过流保护完成的时间在40 μs以内，可满足保护需要。

1.6 直通闭锁保护

变频调速装置功率器件开通、关断特性不同，存在时延现象，为了避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通，导致功率器件短路而瞬间过流损坏，必须设置死区时间，死区时间根据功率器件的开关特性而定，取决于功率元件制作工艺，在保证器件安全的前提下，越小越好，一般为μs级。

为了提高设备可靠性，为了满足船用装置可靠性要求，一方面可通过提高控制系统的抗干扰能力，另一方面通过研究直通闭锁技术，在死区生成电路失效的前提下，通过判断直通现象及时封锁脉冲，在直通电流大于器件最大关断电流前封锁脉冲，保护功率器件的安全。

为了验证直通闭锁硬件电路设计正确有效，人为产生直通的驱动信号，测试直通闭锁电路直通发生后到脉冲封锁响应时间，试验结果如图7所示。

wave1和wave2分别为三电平H桥逆变单元中T1、T3两个IGCT驱动脉冲波形，wave3为光纤驱动板上PWM使能信号。由图可以看出，当wave1和wave2同时有开通状态（低电平表示开通）出现时，则wave3变低电平（低电平表示禁止），此时wave1和wave2变高电平，对应IGCT关断。

从直通发生到脉冲封锁响应时间为201 ns，满足设计要求。

1.7 其它保护

变频调速装置除了各组成单元的自身故障需采取保护措施外，还需对变频调速装置其它故障进行保护，主要包括：控制系统掉电保护、接地保护、器件及设备过温保护、冷却系统故障保护等。

2 总结

本文通过对船用变频调速装置可能存在的其它故障类型进行了分析，提出了相应故障类型的保护要求，给出了具体保护方法。并对关键保护技术进行了试验验证，试验结果满足设计要求，证明了保护方法的可实现与有效，提高了船用动力系统的可靠性，具有较高的理论研究价值和工程应用价值。

[1] 李国栋，毛承雄，陆继明，崔艳艳. 基于IGCT串联的三电平高压变频器直流环节研究. 中国电机工程学报, 2007，27（1）：82-87.

[2] 胡兆庆, 毛承雄, 陆继明. 高压变频器中快熔模型及IGCT保护. 高压电器, 2005，41（2）.

[3] 陈坚编著. 电力电子学—电力电子变换和控制技术(第一版). 北京: 高等教育出版社,2001.

[4] GJB1391-92. 故障模式、影响及危害性分析程序.

Research on Protection Technology of Marine Propulsion Frequency Converter

Li Qiang，Ruan Hui，Zhou Yanhong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2014）09-0071-05

2014-07-15

国家科技支撑计划项目（2012BAG03B01）

李强（1978-），男，高级工程师。研究方向：电力电子与电气传动。