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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）11-072-04中圖分類號(hào)：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(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議，并以建設(shè)國(guó)際一流的現(xiàn)代化專業(yè)救助打撈體系為目標(biāo)規(guī)劃建造的。該船作為新一代海上救助利器，將為我國(guó)的海上經(jīng)濟(jì)開發(fā)和發(fā)展保駕護(hù)航，進(jìn)而提高國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)和急難險(xiǎn)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(jì)院研發(fā)設(shè)計(jì)，是在充分借鑒和傳承8000kW、14000kW海洋救助船成功設(shè)計(jì)建造的基礎(chǔ)上，全新開發(fā)的全球最先進(jìn)的深遠(yuǎn)海全天候大功率多功能綜合立體救助船。該船總長(zhǎng)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(yuǎn)海拖曳救助、?？樟Ⅲw搜尋救助、應(yīng)急搶險(xiǎn)救助、對(duì)外消防滅火、信息傳輸與應(yīng)急指揮、環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)、深水掃測(cè)、援潛救生、飽和潛水、水下救助打撈作業(yè)、對(duì)外應(yīng)急補(bǔ)給等功能，將履行南海水上遇險(xiǎn)人員、船舶和航空器搜尋救助。

該船設(shè)計(jì)有三個(gè)機(jī)艙，具有高航速和大拖力等特點(diǎn)，其配備DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)、全海深多波束系統(tǒng)、水下機(jī)器人、深拖系統(tǒng)和具有升沉補(bǔ)償能力的250噸起重機(jī)等特種設(shè)備，可獨(dú)自承擔(dān)深水應(yīng)急救助作業(yè)，將為南海海上運(yùn)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(guó)際救援行動(dòng)，保障了我國(guó)海上運(yùn)輸通道安全和維護(hù)了國(guó)家海外利益。

2　拖纜機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)背景

目前我國(guó)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(yuǎn)距離救助拖航的主拖船。我國(guó)的功勛平臺(tái)“海洋石油981”，其作業(yè)水深可達(dá)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(jìn)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(yīng)不小于350噸。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社CCS《海上拖航指南》（2011年）拖纜機(jī)拖絞力計(jì)算和核定，拖纜機(jī)在進(jìn)行拖曳作業(yè)時(shí)要釋放出三分之二繩長(zhǎng)。在拖纜機(jī)卷筒上尚存有三分之一繩長(zhǎng)的情況下，拖纜機(jī)拖絞力應(yīng)與船舶拖曳作業(yè)所發(fā)出的拖航拖力相當(dāng)或大于拖航拖力較為合理，因此本船設(shè)計(jì)配置了500噸拖力的大型拖纜機(jī)。

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(hù)等所需的人員自然也多，使得船舶空間需求更大。但同時(shí)為保證船舶作業(yè)的靈活機(jī)動(dòng)性，船舶體積又不能過大，故船舶在設(shè)計(jì)時(shí)如何就空間和功能配套需求問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

綜合以上因素，最終本船的拖纜機(jī)采用AFE變頻驅(qū)動(dòng)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(jì)原理

為實(shí)現(xiàn)500噸大拖力，同時(shí)受電機(jī)市場(chǎng)貨源影響，本船選用了3相AC690V的拖纜電機(jī)。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(shí)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(dòng)整流技術(shù)，其輸入端使用可控硅等器件如IGBT或IGCT等來實(shí)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(shí)現(xiàn)整流過程。二者在成本、體積及對(duì)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(jìn)船舶上通常采用DFE的變頻技術(shù)。

本船的大拖力拖纜機(jī)，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(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)從AC、DC到AC的變頻目的。

為實(shí)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(chǔ)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(jī)。拖纜機(jī)配電圖如圖1所示。

圖1 拖纜機(jī)配電圖

3　拖纜機(jī)的調(diào)試

本船的拖纜機(jī)采用三路主電源供電，其中主電源兩路由前機(jī)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(jī)艙AC 400V配電板ASB2的母排BUS-24提供，其也為應(yīng)急電源。在正常工況下，拖纜機(jī)由兩路主電源供電，當(dāng)兩路主電源故障時(shí)，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(jī)變頻器時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問題：

（1）絕緣低報(bào)警：拖纜機(jī)電源由前機(jī)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(jī)在加速或減速操作時(shí)，此兩段配電母排（BUS-21&BUS-22）上的絕緣監(jiān)測(cè)裝置會(huì)發(fā)出絕緣低報(bào)警；

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

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

（4）整流單元內(nèi)部環(huán)流：當(dāng)拖纜機(jī)由一個(gè)變壓器供電時(shí)，即母排BUS-21和BUS-22之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合時(shí)，兩組IGBT整流單元之間會(huì)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(huì)引起兩個(gè)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(cè)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(dǎo)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(chǔ)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(dǎo)通時(shí)，電感L通過圖3中的回路1存儲(chǔ)能量，此時(shí)二極管D截止，后級(jí)電路即輸出電路由電容C供電；當(dāng)G截止時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流并不會(huì)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(shí)二極管D導(dǎo)通，電感L給電容C充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)輸出電壓V的輸出已經(jīng)高于輸入電壓V的輸入，實(shí)現(xiàn)升壓。當(dāng)G的通斷過程不斷重復(fù)，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(jī)的電源來自AC 400V配電板，而拖纜機(jī)電機(jī)是AC 690V。拖纜機(jī)變頻器將輸入的AC 400V通過整流升壓?jiǎn)卧ㄓ蒐CL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(jī)。由于拖纜機(jī)變頻器采用Boost升壓時(shí)，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(dǎo)致LCL濾波單元的濾波功能失效或降容，即此時(shí)LCL濾波單元兼具升壓和濾波用途，但二者不可兼得，最終導(dǎo)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(shí)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(tái)IGBT整流單元的前端各增設(shè)一臺(tái)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(jī)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(yùn)行，可以確定變壓器對(duì)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?cè)瓉淼目刂品桨?，同樣?huì)起到隔離拖纜機(jī)變頻器的諧波和共模電壓作用，不僅達(dá)到了拖纜機(jī)工作時(shí)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(fù)雜、更多變，因此對(duì)裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用更苛刻，要求也更高。通過本文對(duì)AFE變頻技術(shù)在大型巡航救助船上的應(yīng)用及故障分析，希望能加深大家對(duì)變頻技術(shù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求的了解，并能為AFE變頻技術(shù)在后續(xù)項(xiàng)目上的推廣應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

作者簡(jiǎn)介：

任新民（1966-），男，廣東深圳人，副高級(jí)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(xiàn)：

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[3] 中國(guó)船級(jí)社. 海上拖航指南(2011) [S].

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊