СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
POWER CONVERTER

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию силовых преобразователей, а в частности к созданию силовых преобразователей, которые могут быть использованы для сопряжения двигателей, работающих на переменном напряжении с переменной частотой, с электрической сетью или с питающей электрической сетью, которые имеют номинально фиксированные напряжение и частоту. Настоящее изобретение также содержит признаки, которые позволяют силовым преобразователям оставаться подключенными к питающей электрической сети и сохранять управление во время повреждений сети и переходных режимов. Силовые преобразователи особенно хорошо подходят для использования (но без ограничения) с морскими силовыми установками.
Предпосылки к созданию изобретения
Комплект гребного винта морского судна типично вращается на переменной скорости как в прямом, так и в обратном направлениях. Когда на морском судне используют электроэнергию и силовую установку, тогда двигатель, приводящий в движение комплект гребного винта, также должен работать на переменной частоте (в том случае, когда комплект гребного винта приводится в движение непосредственно при помощи ротора двигателя, эта частота будет ориентировочно пропорциональна скорости вращения комплекта гребного винта) и на переменном напряжении (ориентировочно пропорциональном частоте). Энергосистема морского судна имеет номинально фиксированное напряжение и частоту, и поэтому необходимо производить сопряжение двигателя с энергосистемой с использованием силового преобразователя.
Силовой преобразователь типично содержит две части: сетевой мост (мостовую схему), который выпрямляет переменный ток от энергосистемы в постоянный ток (линия постоянного тока), и мост двигателя, который преобразует напряжение постоянного тока в соответствующее напряжение переменного тока для двигателя. Энергосистемы многих морских судов часто считают "слабыми", так как их полная генерирующая мощность почти совпадает с полной нагрузкой. Это означает, что когда к энергосистеме подключены большие нагрузки и включена силовая установка, тогда могут происходить значительные переходные процессы (понижения напряжения питания). Любые понижения напряжения питания или повреждения энергосистемы влияют на работу сетевого моста и его способность создавать напряжение постоянного тока. Поэтому в таких случаях силовой преобразователь обычно отключают, чтобы избежать повреждения различных компонентов. Однако для многих морских применений отключение силового преобразователя и, следовательно, отключение соответствующего тягового оборудования считается неприемлемым.
Поэтому необходимо создать усовершенствованный силовой преобразователь, который может оставаться подключенным к энергосистеме в случае понижения напряжения или ее повреждения.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается силовой преобразователь, который может быть использован для сопряжения двигателя, который требует переменного напряжения на переменной частоте, с питающей электрической сетью, создающей номинально фиксированное напряжение и номинально фиксированную частоту, причем указанный силовой преобразователь содержит:
первый активный выпрямитель/инвертор, электрически подключенный к статору двигателя и содержащий множество полупроводниковых силовых переключающих приборов;
второй активный выпрямитель/инвертор, содержащий множество полупроводниковых силовых переключающих приборов;
линию постоянного тока, подключенную между первым активным выпрямителем/инвертором и вторым активным выпрямителем/инвертором;
фильтр, подключенный между вторым активным выпрямителем/ инвертором и питающей электрической сетью, причем указанный фильтр имеет сетевые клеммы;
первый контроллер для первого активного выпрямителя/инвертора; и
второй контроллер для второго активного выпрямителя/инвертора;
причем первый контроллер использует сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока, несущий информацию о желательном напряжении на линии постоянного тока, чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами первого активного выпрямителя/инвертора так, чтобы достичь желательного уровня напряжения на линии постоянного тока, который соответствует сигналу требуемого напряжения на линии постоянного тока; и
при этом второй контроллер использует сигнал требуемой мощности, несущий информацию об уровне мощности, который необходимо передавать на линию постоянного тока от питающей электрической сети через второй активный выпрямитель/инвертор, и сигнал требуемого напряжения, несущий информацию о напряжении, которое необходимо получить на сетевых клеммах фильтра, чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы достичь желательных уровней мощности и напряжения, которые соответствуют сигналам требуемых мощности и напряжения.
Силовой преобразователь может быть использован для сопряжения двигателя с питающей электрической сетью в тех случаях, когда питающая электрическая сеть работает нормально, но также содержит признаки, которые позволяют ему работать в тех случаях, когда напряжение питающей электрической сети изменяется за счет повреждений или переходных процессов питающей электрической сети. Второй контроллер также позволяет управлять вторым активным выпрямителем/инвертором, чтобы создавать поддержку напряжения питающей электрической сети, когда напряжение питающей электрической сети отклоняется от его номинального значения.
Двигателем может быть двигатель вращения или линейный двигатель любого подходящего типа. В качестве примеров можно привести асинхронный электродвигатель или синхронный электродвигатель (возбуждаемый при помощи любого подходящего средства, такого как постоянные магниты или обычные или сверхпроводящие обмотки). В случае двигателя вращения, ротор может быть подключен к комплекту гребного винта или к любой другой механической нагрузке, требующей обеспечения работоспособности во время переходных режимов или повреждений (в сети). Однако механическая нагрузка должна нормально сохранять достаточно энергии (в виде инерции, количества движения и т.п.), чтобы поддерживать работу в то время, когда невозможно получить электроэнергию от питающей электрической сети. Линейный двигатель может быть использован в тех применениях, в которых требуется возвратно-поступательное движение.
В том случае, когда двигателем является асинхронный двигатель, первый контроллер преимущественно использует сигнал требуемого магнитного потока, несущий информацию о желательном уровне магнитного потока, который необходимо достичь в двигателе, чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами первого активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры статора, обеспечивающие желательный уровень магнитного потока двигателя. Используемый здесь термин "электрические параметры статора" относится к любому и каждому значению индивидуального напряжения фазы и индивидуального тока фазы, фазы и частоты в многофазном двигателе.
Работой полупроводниковых силовых переключающих приборов в первом активном выпрямителе/инверторе можно управлять с использованием сигналов управления на их управляющих электродах, полученных в соответствии с обычной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Первый контроллер преимущественно сравнивает сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока, несущий информацию о желательном напряжении на линии постоянного тока, с сигналом напряжения обратной связи линии постоянного тока, чтобы определить сигнал необходимого крутящего момента, несущий информацию о желательном уровне крутящего момента, который необходимо получить в двигателе. Первый контроллер затем может управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами первого активного выпрямителя/инвертора, чтобы получить электрические параметры статора, позволяющие обеспечить желательный крутящий момент двигателя. Описанная далее более подробно реализация системы управления основана на векторном управлении, который представляет собой хорошо известную и широко используемую технику. Однако следует иметь в виду, что может быть использован и любой другой подходящий способ реализации системы управления (например, управление полем в дискретное время (DT-FOC) или непосредственное управление крутящим моментом).
Первый контроллер преимущественно выдает сигнал управления, который изменяется в соответствии с преобладающими режимами двигателя, на второй контроллер. Этот сигнал управления затем может быть использован во втором контроллере, чтобы ограничивать уровень мощности, который передают на линию постоянного тока от питающей электрической сети через второй активный выпрямитель/инвертор. Следовательно, сигнал управления не позволяет больше вводить мощность в линию постоянного тока через второй активный выпрямитель/инвертор, когда двигатель достиг предельных физических характеристик (то есть когда двигатель уже работает на своей максимальной скорости вала или, например, с максимальной степенью ускорения).
Второй контроллер преимущественно преобразует сигнал требуемой мощности, несущий информацию об уровне мощности, который необходимо передавать на линию постоянного тока от питающей электрической сети через второй активный выпрямитель/инвертор, в сигнал требуемого тока поперечной оси для второго активного выпрямителя/инвертора, несущий информацию о желательном токе поперечной оси, которого необходимо достичь в питающей электрической сети. Второй контроллер может затем управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры фильтра / питающей электрической сети, позволяющие достичь желательного тока поперечной оси в питающей электрической сети. Используемый здесь термин "электрические параметры фильтра / питающей электрической сети" относится к любому и каждому значению индивидуального напряжения фазы и индивидуального тока фазы, фазы и частоты в многофазной системе активного выпрямителя/ инвертора. Термин "многофазный" типично относится к трехфазной системе, но не исключает использования другого числа фаз. Работой полупроводниковых силовых переключающих приборов во втором активном выпрямителе/инверторе можно также управлять с использованием сигналов управления управляющими электродами, полученных в соответствии с обычной ШИМ.
Сигнал требуемой мощности может быть преобразован в сигнал требуемого тока поперечной оси путем деления сигнала требуемой мощности на сигнал, который соответствует напряжению на сетевых клеммах фильтра. Этот сигнал преимущественно является компонентом поперечной оси напряжения переменного тока, который получают за счет измерения трехфазного напряжения на стороне сети фильтра, и может быть при необходимости отфильтрован.
Второй контроллер преимущественно использует дополнительный сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока, несущий информацию о желательном напряжении на линии постоянного тока, и сравнивает дополнительный сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока с сигналом напряжения обратной связи линии постоянного тока, чтобы определить сигнал требуемого тока поперечной оси для второго активного выпрямителя/инвертора, несущий информацию о желательном токе поперечной оси, которого необходимо достичь в питающей электрической сети. Второй контроллер может затем управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры фильтра / питающей электрической сети, позволяющие обеспечить желательный ток поперечной оси в питающей электрической сети. Описанная далее более подробно реализация системы управления основана на векторном управлении, который представляет собой хорошо известную и широко используемую технику. Однако следует иметь в виду, что может быть использован и любой другой подходящий способ реализации системы управления (например, управление полем в дискретное время (DT-FOC) или непосредственное управление крутящим моментом).
Сигнал, несущий информацию о мощности питающей электрической сети, преимущественно подают на первый контроллер от второго контроллера. Сигнал, несущий информацию о мощности питающей электрической сети, может быть добавлен к выходному сигналу контроллера линии постоянного тока в первом контроллере и использован для определения желательного уровня крутящего момента двигателя. Этот сигнал является эффективным упреждающим предупреждающим сигналом для первого контроллера о том, что больше или меньше мощности следует вводить в линию постоянного тока через второй активный выпрямитель/инвертор. Затем первый контроллер может начинать определять желательный уровень крутящего момента двигателя, ранее момента, когда изменения количества введенной мощности вызовут соответствующие изменения напряжения на линии постоянного тока. Это может быть важным для переходного режима.
Второй контроллер преимущественно сравнивает сигнал требуемого напряжения, несущий информацию об уровне напряжения, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра, с напряжением сигнала обратной связи, измеренным на сетевых клеммах фильтра, чтобы определить сигнал требуемого тока продольной оси для второго активного выпрямителя/инвертора. Второй контроллер может затем управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры фильтра / питающей электрической сети, которые позволяют достичь желательного тока продольной оси в питающей электрической сети.
Второй контроллер может изменять сигнал требуемого тока продольной оси в соответствии с преобладающими параметрами напряжения питающей электрической сети.
Сигнал требуемой мощности может быть получен при помощи контроллера мощности.
Силовой преобразователь дополнительно преимущественно содержит датчик скорости, позволяющий получить сигнал скорости, несущий информацию о скорости движущихся частей двигателя (то есть ротора в случае вращающегося двигателя и транслятора в случае линейного двигателя). Однако в некоторых случаях датчик скорости может быть заменен системой наблюдения скорости, которая использует внутренние сигналы, подаваемые на первый активный выпрямитель/инвертор, чтобы получить сигнал скорости. Контроллер мощности может затем использовать сигнал скорости (полученный от датчика скорости или от системы наблюдения скорости), чтобы получить сигнал требуемой мощности, с использованием любого подходящего способа. Например, сигнал скорости может быть использован как указатель в таблице зависимости сигнала требуемой мощности от скорости. Сигнал скорости может быть пропущен через один или несколько фильтров, чтобы демпфировать любой сдвиг или резонансы кинематической цепи, если они есть.
Контроллер мощности преимущественно получает сигнал требуемой мощности и/или сигнал требуемой скорости от системы управления судна (которая при необходимости может содержать динамическую систему определения места судна). Сигнал требуемой мощности и/или сигнал требуемой скорости также могут быть получены непосредственно от рычагов управления морского судна или т.п.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также устройство, которое содержит множество описанных здесь выше силовых преобразователей, подключенных к общей шине питания питающей электрической сети, создающей номинально фиксированное напряжение и номинально фиксированную частоту, причем сигнал требуемого напряжения, несущий информацию о напряжении, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра каждого силового преобразователя, подают на второй контроллер каждого силового преобразователя от системы административного управления мощностью.
Каждый индивидуальный силовой преобразователь преимущественно содержит понижающий трансформатор, электрически подключенный между объединенным с ним фильтром и общей шиной питания.
Силовой преобразователь особенно хорошо подходит для использования в силовой установке на морских судах. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением предлагается также силовая установка, содержащая двигатель, имеющий статор и ротор, комплект гребного винта, содержащий по меньшей мере одну лопасть, вращаемую при помощи ротора двигателя, и силовой преобразователь в соответствии с описанным здесь выше. Комплект гребного винта может быть объединен с ротором двигателя. Альтернативно, комплект гребного винта может быть установлен на вращающемся валу и ротор двигателя может быть соединен с вращающимся валом непосредственно или косвенно через редуктор.
Множество силовых установок могут быть использованы на одном морском судне. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением предлагается также морское судно, имеющее питающую электрическую сеть, создающую номинально фиксированное напряжение и номинально фиксированную частоту и имеющую общую шину питания, и множество силовых установок, описанных здесь выше. Соответствующие силовые преобразователи множества силовых установок подключены к общей шине питания, причем сигнал требуемого напряжения, несущий информацию о напряжении, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра каждого силового преобразователя, создают при помощи системы административного управления мощностью.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ управления работой силового преобразователя, который может быть использован для сопряжения двигателя, который требует переменного напряжения с переменной частотой, с питающей электрической сетью, создающей номинально фиксированное напряжение и номинально фиксированную частоту, причем силовой преобразователь содержит:
первый активный выпрямитель/инвертор, электрически подключенный к статору двигателя и содержащий множество полупроводниковых силовых переключающих приборов;
второй активный выпрямитель/инвертор, содержащий множество полупроводниковых силовых переключающих приборов;
линию постоянного тока, подключенную между первым активным выпрямителем/инвертором и вторым активным выпрямителем/инвертором;
фильтр, подключенный между вторым активным выпрямителем/инвертором и питающей электрической сетью, причем фильтр содержит сетевые клеммы;
первый контроллер для первого активного выпрямителя/инвертора; и второй контроллер для второго активного выпрямителя/инвертора;
причем указанный способ включает в себя следующие операции:
использование первого контроллера, который использует сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока, несущий информацию о желательном напряжении на линии постоянного тока, чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами первого активного выпрямителя/инвертора так, чтобы достичь желательного уровня напряжения на линии постоянного тока, который соответствует сигналу требуемого напряжения на линии постоянного тока;
использование второго контроллера, который использует сигнал требуемой мощности, несущий информацию об уровне мощности, который необходимо передавать на линию постоянного тока от питающей электрической сети через второй активный выпрямитель/инвертор, и сигнал требуемого напряжения, несущий информацию о напряжении, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра, чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы достичь желательных уровней мощности и напряжения, которые соответствуют сигналам требуемых мощности и напряжения.
Способ может также содержать дополнительные операции, как это описано далее более подробно.
Первый контроллер может использовать сигнал требуемого магнитного потока, несущий информацию о желательном уровне магнитного потока, которого необходимо достичь в двигателе, чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами первого активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры статора, позволяющие достичь желательного магнитного потока двигателя.
Первый контроллер может сравнивать сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока, несущий информацию о желательном напряжении на линии постоянного тока, с сигналом напряжения обратной связи линии постоянного тока, чтобы определить сигнал необходимого крутящего момента, несущий информацию о желательном уровне крутящего момента, которого необходимо достичь в двигателе, и чтобы управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами первого активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры статора, которые позволяют достичь желательного крутящего момента двигателя.
Первый контроллер может создавать сигнал управления, который изменяется в соответствии с преобладающими режимами двигателя, на второй контроллер. Второй контроллер может затем использовать сигнал управления, чтобы ограничивать уровень мощности, который передают на линию постоянного тока от питающей электрической сети через второй активный выпрямитель/инвертор.
Второй контроллер может преобразовывать сигнал требуемой мощности, несущий информацию об уровне мощности, который необходимо передавать на линию постоянного тока от питающей электрической сети через второй активный выпрямитель/инвертор, в сигнал требуемого тока поперечной оси для второго активного выпрямителя/инвертора, несущий информацию о желательном токе поперечной оси, которого необходимо достичь в питающей электрической сети, и может управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры фильтра / питающей электрической сети, позволяющие достичь желательного тока поперечной оси в питающей электрической сети. Сигнал требуемой мощности может быть преобразован в сигнал требуемого тока поперечной оси, путем деления сигнала требуемой мощности на сигнал, который соответствует напряжению на сетевых клеммах фильтра.
Второй контроллер может использовать дополнительный сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока, несущий информацию о желательном напряжении на линии постоянного тока, и может сравнивать дополнительный сигнал требуемого напряжения на линии постоянного тока с сигналом напряжения обратной связи линии постоянного тока, чтобы определить сигнал требуемого тока поперечной оси для второго активного выпрямителя/инвертора, несущий информацию о желательном токе поперечной оси, которого необходимо достичь в питающей электрической сети во время пуска. Второй контроллер может затем управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры фильтра / питающей электрической сети, позволяющие достичь желательного тока поперечной оси в питающей электрической сети.
Второй контроллер может подавать сигнал, несущий информацию о мощности питающей электрической сети, на первый контроллер. Сигнал, несущий информацию о мощности питающей электрической сети, может быть добавлен к выходному сигналу контроллера линии постоянного тока в первом контроллере и использован для определения желательного уровня крутящего момента двигателя.
Второй контроллер может сравнивать сигнал требуемого напряжения, несущий информацию об уровне напряжения, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра, с сигналом напряжения обратной связи, измеренным на сетевых клеммах фильтра, чтобы определить сигнал требуемого тока продольной оси для второго активного выпрямителя/инвертора, и может управлять полупроводниковыми силовыми переключающими приборами второго активного выпрямителя/инвертора так, чтобы получить электрические параметры фильтра / питающей электрической сети, позволяющие достичь желательного тока продольной оси в питающей электрической сети во время понижения напряжения питающей электрической сети.
Термин "понижение напряжения" питающей электрической сети относится к ситуации, когда напряжение питающей электрической сети становится меньше номинального значения в результате симметричного или асимметричного короткого замыкания (повреждения) сети, или просто в результате переключения больших индуктивных компонентов (например, таких как трансформатор или гармонический фильтр), подключенных к питающей электрической сети.
Второй контроллер может изменять сигнал требуемого тока продольной оси в соответствии с преобладающими параметрами напряжения питающей электрической сети во время понижения напряжения питающей электрической сети.
Сигнал требуемой мощности может быть создан при помощи контроллера мощности.
Может быть получен сигнал скорости, несущий информацию о скорости перемещения подвижных частей двигателя, и контроллер мощности может использовать этот сигнал скорости для получения сигнала требуемой мощности. Сигнал скорости может быть получен с использованием любого подходящего способа и может быть пропущен через один или несколько фильтров, которые также позволяют произвести демпфирование любого сдвига или резонансов в кинематической цепи.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ управления работой множества силовых преобразователей, описанных здесь выше и подключенных к общей шине питания питающей электрической сети, создающей номинально фиксированное напряжение и номинально фиксированную частоту, причем указанный способ включает в себя операцию подачи сигнала требуемого напряжения, несущего информацию о напряжении, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра каждого силового преобразователя, на второй контроллер каждого силового преобразователя, от системы административного управления мощностью.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ управления работой силовой установки, которая содержит двигатель, требующий переменного напряжения с переменной частотой, и который имеет статор и ротор, комплект гребного винта, содержащий по меньшей мере одну лопасть, вращаемую при помощи ротора двигателя, и силовой преобразователь, который сопрягает двигатель с питающей электрической сетью, создающей номинально фиксированное напряжение и номинально фиксированную частоту, причем силовой преобразователь содержит:
первый активный выпрямитель/инвертор, электрически подключенный к статору двигателя и содержащий множество полупроводниковых силовых переключающих приборов;
второй активный выпрямитель/инвертор, содержащий множество полупроводниковых силовых переключающих приборов;
линию постоянного тока, подключенную между первым активным выпрямителем/инвертором и вторым активным выпрямителем/инвертором;
фильтр, подключенный между вторым активным выпрямителем/инвертором и питающей электрической сетью, причем фильтр имеет сетевые клеммы;
первый контроллер для первого активного выпрямителя/инвертора; и
второй контроллер для второго активного выпрямителя/инвертора;
причем в ответ на изменение желательной тяги силовой установки, способ включает в себя следующие операции:
управление вторым активным выпрямителем/инвертором, чтобы изменять уровень мощности, вводимый в линию постоянного тока, так чтобы напряжение на линии постоянного тока изменялось (отклонялось) от желательного уровня; и
управление первым активным выпрямителем/инвертором, чтобы подавать достаточный ток из линии постоянного тока через первый активный выпрямитель/инвертор в двигатель, чтобы восстанавливать желательный уровень напряжения на линии постоянного тока и достигать желательной тяги.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показано, как может быть использован силовой преобразователь в соответствии с настоящим изобретением для сопряжения между двигателем и шиной питания питающей электрической сети с фиксированной частотой.
На фиг.2 схематично показано, как несколько силовых преобразователей в соответствии с настоящим изобретением могут быть подключены к шине питания морской силовой установки.
Топология силового преобразователя
Базовая топология силового преобразователя будет рассмотрена далее со ссылкой на фиг.1 и 2. Несмотря на то, что силовой преобразователь будет описан далее в контексте электрических морских силовых установок, специалисты легко поймут, что возможны и другие виды его использования. Например, силовой преобразователь может быть использован как часть системы привода для насосов, вентиляторов, компрессоров или других нагрузок промышленного типа.
Комплект 2 гребного винта электрической морской силовой установки приводится в движение при помощи ротора (не показан) переменной скорости асинхронного двигателя 4 переменного тока. Комплект 2 гребного винта обычно содержит несколько лопастей, установленных на валу вращения с фиксированным шагом. Вал вращения может быть непосредственно подключен к ротору двигателя 4 или может быть подключен косвенно через редуктор (не показан), который используют для регулировки скорости вала. Скорость, на которой комплект 2 гребного винта должен вращаться, зависит от скорости морского судна и уровня или направления тяги, требуемой для приведения в движение судна. Однако, так как скорость вращения изменяется, напряжение и частота, приложенные к клеммам двигателя 4, также должны изменяться.
Клеммы двигателя 4 подключены к клеммам переменного тока трехфазного моста 10 двигателя, который при нормальной работе действует как инвертор, чтобы подавать питание на двигатель от линии 12 постоянного тока. Мост 10 двигателя имеет обычную трехфазную двухуровневую топологию с рядом полупроводниковых силовых переключающих приборов, которые имеют полное управление и регулировку с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако на практике мост 10 двигателя может иметь любую подходящую топологию, например, такую как трехуровневая топология с фиксированной нейтральной точкой или многоуровневая топология. На управляющие электроды полупроводниковых силовых переключающих приборов поступают сигналы управления полупроводниковыми силовыми переключающими приборами моста 10 двигателя, как это описано далее более подробно.
Питающая электрическая сеть морского судна (фиг.2) работает на номинально фиксированной частоте и содержит общую шину питания переменного тока (называемую просто "шина"), на которую поступает питание от генератора 28 переменного тока. Питание поступает на клеммы переменного тока сетевого моста 14 от шины питания через понижающий трансформатор 6 и фильтруется при помощи индукторов 16 (и других возможных фильтров). Защитное распределительное устройство (не показано) может быть предусмотрено для обеспечения надежного соединения с шиной питания и для изоляции силовой установки от питающей электрической сети в соответствии с различными эксплуатационными и не эксплуатационными требованиями.
Сетевой мост 14 при нормальной работе действует как активный выпрямитель и подает питание от шины питания на линию 12 постоянного тока. Сетевой мост 14 имеет аналогичную трехфазную двухуровневую топологию, что и мост 10 двигателя, с рядом полупроводниковых силовых переключающих приборов, которые имеют полное управление и регулировку с использованием ШИМ. Однако на практике сетевой мост 14 может иметь любую подходящую топологию, как уже было указано здесь выше для моста 10 двигателя. Основное управление входным напряжением постоянного тока моста 10 двигателя осуществляют за счет управления мостом двигателя. Сетевым мостом 14 управляют так, чтобы регулировать два основных параметра, а именно активную мощность и сетевое напряжение. Подробное описание стратегии управления приведено ниже.
Ниже подробно описано также, как подают сигналы управления на управляющие электроды, которые используют для управления полупроводниковыми силовыми переключающими приборами сетевого моста 14.
В данном случае используют активное выпрямление (как первичный режим работы сетевого моста 14) для преобразования энергии от клемм переменного тока трехфазного сетевого моста в энергию линии постоянного тока, и обратное преобразование (как первичный режим работы моста 10 двигателя) для преобразования энергии от линии постоянного тока трехфазного моста двигателя в энергию на клеммах переменного тока двигателя. Однако специалисты легко поймут, что время от времени необходимо или желательно использовать мост 10 двигателя как активный выпрямитель, а сетевой мост 14 как инвертор. Например, в ситуации, когда происходит торможение морского судна, силовая установка может быть приспособлена для поддержки рекуперации энергии. В этом случае двигатель 4 может работать в режиме генерации, чтобы возвращать энергию назад в питающую электрическую сеть (или в демпфирующий резистор) через мост 10 двигателя, работающий как активный выпрямитель, и сетевой мост 14, работающий как инвертор.
В тех ситуациях, когда происходит понижение напряжения питающей электрической сети, сетевой мост 14 может работать в режиме активного выпрямителя или в режиме инвертора для того, чтобы подавать реактивный ток в питающую электрическую сеть, чтобы противодействовать понижению напряжения.
Топология морской силовой установки
Как уже было указано здесь выше, несколько силовых преобразователей могут быть подключены к общей шине питания переменного тока питающей электрической сети с номинально фиксированной частотой, чтобы образовать морскую силовую установку. Это показано схематично на фиг.2. Каждый силовой преобразователь 1a-1d содержит соответствующий объединенный с ним фильтр 16a-16d и понижающий трансформатор 6a-6d.
В обычной морской силовой установке желательное напряжение питающей электрической сети типично устанавливают (задают) при помощи системы 26 административного управления мощностью, и соответствующий сигнал управления подают на автоматический регулятор 30 напряжения (AVR) каждого генератора 28. В устройстве, показанном на фиг.2, система 26 административного управления мощностью также подает сигнал VBUS* требуемого напряжения на каждый силовой преобразователь 1a-1d. Сигнал VBUS* требуемого напряжения отражает желательное напряжение, которого необходимо достичь на сетевых клеммах каждого фильтра 16a-16d при нормальной работе силового преобразователя.
Большой индуктивный компонент в виде трансформатора 32 также подключен к общей шине питания, как это показано на фиг.2.
Управление мостом двигателя
Контроллер 18 моста двигателя подает сигналы управления на управляющие электроды полупроводниковых силовых переключающих приборов моста 10 двигателя, в результате чего они включаются и выключаются, создавая специфическое напряжение, подаваемое на клеммы двигателя 4. Контроллер 18 моста двигателя регулирует подаваемое напряжение на основании сигнала Ф* требуемого магнитного потока, который отражает желательный уровень магнитного потока, которого необходимо достичь в двигателе 4, на основании сигнала VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока, который отражает желательное напряжение на линии постоянного тока, на основании сигнала VDC_FB напряжения обратной связи линии постоянного тока, который несет информацию о фактическом напряжении на линии постоянного тока, на основании одного или нескольких сигналов обратной связи, полученных за счет измерения токов фаз IU, IV и IW двигателя, и на основании сигнала POWER_FF прямой связи по мощности, который несет информацию о мощности питающей электрической сети. Сигнал Ф* требуемого магнитного потока и сигнал VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока обычно задают постоянными для специфической конфигурации привода. Разность между сигналом VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока и сигналом VDC_FB обратной связи линии постоянного тока используют для создания сигнала необходимого крутящего момента для двигателя 4. В подходящей схеме управления, такой как схема векторного управления, может быть использован полученный сигнал необходимого крутящего момента и сигнал Ф* требуемого магнитного потока для выработки соответствующей диаграммы переключения для полупроводниковых силовых переключающих приборов моста 10 двигателя.
Специалисты легко поймут, что сигнал Ф* требуемого магнитного потока может быть исключен, если двигателем 4 переменного тока является синхронный электродвигатель. В этом случае диаграмма переключения для полупроводниковых силовых переключающих приборов моста 10 двигателя может быть получена единственно на основе желательного сигнала необходимого крутящего момента.
Управление сетевым мостом
Контроллер 20 сетевого моста подает сигналы управления на управляющие электроды полупроводниковых силовых переключающих приборов сетевого моста 14, в результате чего они включаются и выключаются, создавая специфическое напряжение, приложенное к клеммам фильтра. Контроллер 20 сетевого моста регулирует приложенное напряжение на основании сигнала Р* требуемой мощности, который отображает уровень мощности, которую необходимо передавать на линию 12 постоянного тока от общей шины питания через сетевой мост 14, причем этот сигнал поступает от контроллера 24 скорости/мощности, на основании сигнала VBUS* требуемого напряжения, который отображает желательное напряжение, которого необходимо достичь на сетевых клеммах фильтра 16, причем этот сигнал поступает от системы 26 административного управления мощностью, на основании одного или нескольких сигналов (V_NET и I_NET) обратной связи, полученных за счет измерения напряжений VR, VY и VB (напряжений в фазах так называемых красного (R), желтого (Y) и синего (В) проводов трехфазной сети, по которым поступает питание на сетевой мост 14 от общей шины питания) и на основании измерений токов IR, IY и IB в фазах сетевого моста, и на основании сигнала IDC_LIM управления, который используют, чтобы ограничивать уровень мощности, который передают на линию постоянного тока от общей шины питания. Сигнал Р* требуемой мощности делят на преобладающее напряжение VQ_NET поперечной оси, чтобы получить сигнал требуемого тока поперечной оси (то есть сигнал требуемого активного тока). Сигнал Р* требуемой мощности также сравнивают с сигналом требуемого напряжения VBUS*, чтобы получить сигнал требуемого реактивного тока. Подходящая схема управления, такая как векторная схема управления, позволяет использовать полученные сигналы требуемых активного тока и реактивного тока, чтобы создать соответствующую диаграмму переключения для полупроводниковых силовых переключающих приборов сетевого моста 14.
Работа морской силовой установки
Далее описана работа одной из возможных реализации приведенной выше топологии морской силовой установки. При пуске скорость вала равна нулю и сигнал VDC_NET* требуемого напряжения на линии постоянного тока, поступающий на контроллер 20 сетевого моста, задает напряжение 950 В. Сигнал VDC_NET* требуемого напряжения на линии постоянного тока используют только при пуске, причем обычно он является постоянным для специфической конфигурации привода. Полупроводниковые силовые переключающие приборы в сетевом мосте 14 под управлением контроллера 20 сетевого моста позволяют довести напряжение (VDC) на линии постоянного тока до 950 В.
Одновременно, сигнал VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока, поступающий на контроллер 18 моста двигателя, задает напряжение 1000 В.
Когда морская силовая установка создает силу тяги для приведения в движение морского судна, полупроводниковые силовые переключающие приборы моста 10 двигателя начинают работать, и контроллер 18 моста двигателя управляет током продольной оси так, чтобы получить необходимый магнитный поток двигателя 4. Когда напряжение на линии постоянного тока меньше чем сигнал VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока, контроллер (не показан) линии постоянного тока в контроллере 18 моста двигателя задает отрицательный ток поперечной оси в двигателе 4 (чтобы возвращать мощность в линию 12 постоянного тока), однако это требование блокируется, так как вал комплекта 2 гребного винта не вращается и, следовательно, на валу нет мощности.
Сигнал тяги поступает на морскую силовую установку непосредственно в виде сигнала Р* требуемой мощности или в виде сигнала N* требуемой скорости. Эти сигналы мощности и скорости могут поступать на контроллер 24 скорости/мощности непосредственно от рычагов управления на мосту морского судна или от системы управления судна, причем на фиг.1 они обозначены как сигналы управления судном. Сигнал N* требуемой скорости преобразуют в сигнал Р* требуемой мощности при помощи контроллера 24 скорости/мощности в контуре управления скоростью, на основании действительной скорости N двигателя 4, которую измеряют при помощи датчика 22 скорости. При поступлении сигнала Р* требуемой мощности на контроллер 20 сетевого моста, напряжение на линии постоянного тока будет расти. Когда напряжение на линии постоянного тока достигнет уровня, заданного при помощи сигнала VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока, контроллер линии постоянного тока контроллера 18 моста двигателя начинает запрашивать положительный ток поперечной оси, в попытке ограничить напряжение на линии постоянного тока на желательном заданном уровне, и начнет ускорять вал комплекта 2 гребного винта.
Когда напряжение на линии постоянного тока больше, чем заданное сигналом VDC_NET* требуемого напряжения на линии постоянного тока, управление напряжением в контроллере 20 сетевого моста блокировано.
Величина передачи мощности через сетевой мост 14 ограничена за счет сигнала, полученного из сигнала Р* требуемой мощности.
После достижения начального устойчивого состояния, силовой преобразователь будет работать в динамическом режиме для выполнения изменяющихся требований к тяге. Например, когда необходимо увеличить тягу (то есть когда увеличивают сигнал Р* требуемой мощности), тогда контроллер 20 сетевого моста побуждает сетевой мост 14 направлять больше мощности от питающей электрической сети в линию 12 постоянного тока. Увеличение мощности, которую направляют в линию 12 постоянного тока, приводит к повышению напряжения на линии постоянного тока. Контроллер 18 моста двигателя в ответ на это увеличение напряжения на линии постоянного тока побуждает мост 10 двигателя отбирать больше мощности от линии 12 постоянного тока и подавать ее на двигатель 4, до тех пор, пока не будет достигнуто новое устойчивое состояние (когда количество мощности, подаваемой от питающей электрической сети в линию 12 постоянного тока, будет равно количеству мощности, которое поступает от линии постоянного тока на двигатель 4). В этом устойчивом состоянии напряжение на линии постоянного тока соответствует заданному сигналом VDC_MOT* требуемого напряжения на линии постоянного тока. Для уменьшения тяги требуется противоположное действие управления.
Питающая электрическая сеть, показанная на фиг.2, представляет собой так называемую "слабую сеть", так как ее полная генерирующая способность почти совпадает с полной нагрузкой. В случае понижения напряжения питающей электрической сети (вызванного, например, включением трансформатора 32), силовой преобразователь обнаруживает это пониженное напряжение как изменение сигнала V_NET обратной связи, полученного за счет измерений трехфазного напряжения VR, VY и VB, и затем контроллер 20 сетевого моста задает сигнал соответствующего требуемого реактивного тока, чтобы подавать реактивный ток назад в общую шину питания. Это позволяет компенсировать ток, который был отобран трансформатором 32, и позволяет восстановить напряжение в питающей электрической сети.
В случае серьезного повреждения в общей шине питания, которое вызывает сильное понижение напряжения питающей электрической сети, силовой преобразователь устанавливает сигнал Р* требуемой мощности на нуль и будет подавать реактивный ток назад в общую шину питания, до тех пор, пока не восстановится нормальное напряжение питающей электрической сети (на практике, это может быть обеспечено при помощи контроллера 20 сетевого моста, который эффективно блокирует в течение серьезного повреждения сигнал Р* требуемой мощности, поступающий от контроллера 24 скорости/мощности). В течение этого времени напряжение на линии постоянного тока поддерживается при помощи моста 10 двигателя и кинетической энергии движения комплекта 2 гребного винта и количества движения морского судна.
Для того чтобы улучшить переходный режим силового преобразователя, два сигнала управления пропускают между контроллерами моста двигателя и сетевого моста. Более конкретно, контроллер 20 сетевого моста снабжает контроллер 18 моста двигателя сигналом POWER_FF прямой связи по мощности, который отображает уровень мощности, пропускаемой в линию 12 постоянного тока через сетевой мост 14. Таким образом, сигнал POWER_FF прямой связи по мощности снабжает контроллер 18 моста двигателя упреждающей информацией относительно изменения уровня потока мощности, ранее момента, когда напряжение на линии постоянного тока переменного фактически начнет увеличиваться или уменьшаться. Контроллер 18 моста двигателя вырабатывает сигнал IDC_LIM управления, который задает ограничение тока в линии постоянного тока. Этот сигнал управления снабжает контроллер 20 сетевого моста информацией относительно предельного дополнительного тока, который может принять мост 18 двигателя, на основании текущей скорости вала и предельного ускорения двигателя 4.
Практическая реализация топологии морской силовой установки
Топология морской силовой установки может быть реализована следующим образом. Как мост 18 двигателя, так и сетевой мост 14 могут быть реализованы с использованием модуля MV3000 инвертора DELTA с жидкостным охлаждением соответствующей мощности. Этот модуль на базе источника напряжения типа IGBT подходит для работы с напряжениями переменного тока до 690 В. Как контроллер 18 моста двигателя, так и контроллер 20 сетевого моста могут быть выполнены с использованием РЕС контроллера. Этот контроллер представляет собой электронный программируемый контроллер на базе микропроцессора, который позволяет выполнять все необходимые функции управления и создавать диаграмму переключения для силового преобразователя. Система административного управления мощностью может быть реализована с использованием АМС контроллера. Этот контроллер представляет собой электронный программируемый контроллер на базе микропроцессора, предназначенный для использования в системах с распределенным управлением. Все эти изделия могут быть закуплены на фирме Converteam Ltd of Boughton Road, Rugby, Warwickshire CV21 1BU, Великобритания.
В схеме управления используют два независимых контроллера, которые согласованы при помощи сигналов управления, поступающих от контроллера 18 моста двигателя на контроллер 20 сетевого моста, и наоборот. Можно также объединить функции этих двух контроллеров в одном физическом контроллере. Аналогично, могут быть использованы несколько контроллеров, если это удобно при практической реализации силового преобразователя.
Предложенный силовой преобразователь может быть использован для сопряжения приводов основной силовой установки или приводов поворотного движителя морского судна с питающей электрической сетью. В любом случае, сигналы мощности и скорости могут поступать на контроллер 24 скорости/мощности от системы управления судном. В некоторых случаях, система управления судном может содержать динамическую систему определения места судна, которая позволяет подавать соответствующие сигналы на различные силовые установки, чтобы управлять курсом и положением морского судна.