船舶電力推進變頻器監控系統實現方法研究

王定章，文蘭平，許曉暉

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船舶電力推進變頻器監控系統實現方法研究

王定章，文蘭平，許曉暉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

電力推進系統是船舶動力的一種重要類型。變頻器作為電力推進系統的關鍵設備，其監視、控制系統的設計值得我們深入的研究。本文探討了船舶電力推進變頻器監控系統設計方案、功能、需求、硬件、軟件等實現方法。

變頻器、監控、軟件

0 引言

目前，船舶電力推進的應用領域日益擴大，與其組成的控制系統的自動化程度也日益提高，運行以及使用條件更加復雜。變頻器作為電力推進系統的核心設備，要求實現對其自身及與其有接口的設備進行監視、控制。而隨著自動化設備、通訊網絡的迅速發展，以以太網、CAN為基礎發展出了相當多的通信方法，現在大多數設備都可以與計算機連接傳輸數據，在實時控制系統和監視系統中，通過CAN實現監控系統各設備間的數據傳遞是主要的通信手段。

1 監控系統總體設計

1.1 監控系統總體設計思路

1）監控系統各個組成部分采取模塊化設計；

2）監控系統各個功能分工明確；

3）監控系統可擴展性強。

1.2 監控系統設計方案

1.2.1監控系統功能

船舶電力推進變頻器監控系統，主要對變頻器自身部件的電壓、電流、溫度、壓力、流量、開關狀態及故障報警信息進行采集、分析及顯示，并對與變頻器工作相關的設備（開關柜、變壓器、風機、電機等）狀態進行實時的監視，結合現地或遠程的控制指令進行一系列安全有效的邏輯控制。

1.2.2網絡拓撲

監控系統網絡拓撲如圖1所示。

1.2.3各部件實現功能

控制機箱主要由ARM和DSP組成，DSP主要完成根據接收到的給定轉速、轉矩或功率，選擇相應的控制模式，采集實際轉速、輸出電流、直流母線電壓，完成電機控制算法和調制策略，輸出多相逆變橋臂的PWM，實現電機調速等控制功能；完成變頻器過壓、過流、直通等各種軟硬件保護；傳送變頻器運行參數（電壓,電流，實際轉速，功率，功率因數等）與故障信息到ARM中；通過CAN通訊和同步光纖可與其它DSP實現數據交換。ARM主要完成變頻器內部數據的收集，接收來自DSP的運行參數和故障報警信息，接收來自底層溫度監控單元的溫度信息及溫度報警信息，接收來自制動柜單元的溫度、I/O量信息及報警信息，并將該信息綜合后發送到主PLC邏輯控制器；接收來自主PLC邏輯控制器的控制指令、設置參數，并轉發給DSP；與PC調試工具采用以太網連接，發送實驗數據以便實驗記錄和分析。

主PLC邏輯控制器主要完成變頻器對外接口擴展，采集外部數字量、模擬量、溫度等信號，完成邏輯處理、保護及信號輸出；與OP或集控臺通訊，接收集控臺或OP面板控制指令、設置參數并轉發給ARM，接收來自ARM的變頻器運行參數和故障報警信息，并轉發給界面或集控臺顯示。完成控制電源UPS的監控與管理；與水冷柜控制器通訊，實現水冷柜的操作、參數設置及保護。

水冷柜控制器主要完成水冷柜二次配電處理、保護、水冷柜流量、壓力、溫度、電導率等信號采集、處理。

制動柜控制器主要完成直流母線電壓采樣、直流單元能量制動、變頻器放電、制動功率模塊內溫度信號的采集、處理、保護。

底層溫度監控單元主要完成變頻器柜內溫度信號、IO信號采集、處理及保護。

遠程監控臺主要完成遠程操作的控制、變頻器參數上傳、顯示與設置下載、運行信息監視與報警故障定位。

OP操作面板主要完成就地操作的控制、變頻器參數上傳、顯示與設置下載、運行信息監控與報警故障定位。

數據采集與分析臺與ARM板采用以太網連接，通過PC機觀測各變量，狀態信息及報警故障監控；動態參數的跟蹤記錄，采集波形時間間隔設置，波形圖像保存與調用。

2 監控系統需求

2.1 硬件需求

1）變頻控制器機箱：包括電源板組件、CPU板組件、FPGA板組件、調理板組件、I/O板組件、光纖板組件、AD板組件、DA板組件、驅動電源反饋光纖板組成；

變頻控制器包括組件驅動器，位置板、晶閘管驅動板，制動電源板等。變頻控制器負責整個控制系統的采樣，運算以及通信。組件驅動器安裝在功率組件內部，負責驅動信號隔離放大，采樣信號調理。位置板負責采集永磁同步電機的位置和速度信號。晶閘管驅動板負責對預充電晶閘管進行控制。制動電源板負責為制動驅動板提供電源。

變頻控制器是為運動控制、測量等應用場合設計、開發的基于32位定點DSP的數字控制器，具有良好的擴展性。控制器采用3U標準控制機箱，由CPU板組件、FPGA擴展板組件、調理板組件、IO板組件、光纖板組件、光纖擴展板組件和電源組件組成。控制器組成如圖2所示：

圖2中，電源組件將外部輸入的+24 VDC經DC/DC變換為各電路板所需的+15 VDC、-15 VDC、+5 VDC電源。擴展組件中，CPU板是控制硬件的核心部分，由DSP（TMS320F2812）、CPLD以及一些外圍擴展電路組成。可實現矢量控制和直接轉矩控制等復雜的控制算法運算、生成PWM信號、信號采集、系統保護、通信等功能。信號調理板完成電壓、電流信號的檢測、故障判斷及報警功能，將調理后的數據送至CPU板的外部ADC進行采樣，并通過SPI總線將故障信息傳送至CPU板。IO板通過SPI總線與CPU板連接，完成開關量狀態的檢測及輸出斷路器的控制，同時實現增量式編碼器的轉速測量。光纖驅動板主要實現PWM驅動信號的光電轉換、IGBT反饋信號的檢測與判斷等功能。FPGA擴展板完成驅動信號擴展以及與SSI型絕對式編碼器的數據交互，光纖擴展組件完成FPGA擴展板驅動信號的光電轉換、IGBT反饋信號的檢測與判斷等功能。

組件驅動器由模擬信號調理及檢測電路、故障信號管理、電源變換及監控電路、驅動電路、光電轉換電路組成。功能框圖如圖3。

2）底層控制器；

3）可編程邏輯控制器（PLC）：包括CPU、CAN通訊模塊、以太網通訊模塊、DI采集模塊、DO采集模塊、AI采集模塊、AO采集模塊；

4）OP操作面板。

2.2 軟件需求

軟件需求包括底層軟件需求和上位軟件需求。1）底層軟件需求包括：軟件控制功能需求、控制性能需求、保護功能需求和接口需求。2）上位軟件需求包括：PLC控制軟件和OP操作面板軟件，其接口包括變頻器與系統設備、水冷柜、控制電源、控制機箱、變頻器柜門接口需求和PLC與底層軟件通訊協議。

2.2.1控制功能需求

1）制動功能

在變頻器就緒或運行狀態中，實時檢測總直流母線電壓高于設定值時，啟動制動單元，檢測總直流母線電壓低于設定值時，關閉制動單元。

2）直流母線電壓放電功能

在變頻器待機或故障狀態中，當主推進開關分斷完成后，啟動制動單元對直流母線電壓進行放電，當檢測總直流母線電壓低于50 V時，放電完成，關閉制動單元。

3）直流母線中點電位平衡調節功能

在變頻器運行狀態下，實時調節正、負直流母線電壓，要求正、負直流母線電壓偏差在5%以內（實際總直流母線電壓為基準值）。

4）諧波電流抑制功能

根據系統或用戶要求，控制系統需將3次諧波電流控制在1.5%內，5次諧波電流控制在1%內，7次諧波電流控制在0.8%內（基波額定值為基準值）。

5）無轉速傳感器運行功能

變頻器啟動或非低速（10%額定轉速以上）運行中，控制系統可實時檢測出轉速傳感器狀態，若轉速傳感器損壞，可在線切換到無轉速傳感器運行，并提示轉速丟失報警，要求切換過程中，轉速波動小于2%（額定轉速為基準值）。

6）帶速啟動功能

在速度傳感器檢測正常的情況下可正常實現帶速啟動、無故障。

7）功率控制、轉速控制、轉矩控制功能

根據系統或用戶需求，操作人員可在操作器或遠程控制臺上選擇轉速模式、功率模式、轉矩模式中一種控制模式正常運行。要求轉速控制模式能在4～110%（額定轉速為基準值）正常運行，功率控制模式能在5～110%（額定功率為基準值）正常運行，轉矩控制模式能在5～110%（額定轉矩為基準值）正常運行。

8）功率限制、轉速限制、轉矩限制功能

根據系統或用戶需求，操作人員可在操作器或遠程控制臺上實時修改功率限制值、轉速限制值、轉矩限制值。若電機飛車、負載堵轉、電網可用功率突降時，控制系統可將進入轉速限制、功率限制、轉矩限制，保護設備安全，要求轉速超調量在5%以內（轉速限制值為基準值），功率超調量在8%以內（功率限制值為基準值），轉矩超調量在8%以內（轉矩限制值為基準值）。

9）弱磁控制功能

當異步電機超速運行時，采用弱磁控制，保證變頻器輸出電壓不變，電機可超速1.3倍運行。

2.2.2控制性能需求

1）有速度傳感器輸出頻率范圍為： 1～55 Hz連續可調；

2）無速度傳感器輸出頻率范圍為： 5～55 Hz連續可調；

3）有速度傳感器速度控制穩態速度誤差為： ≤ 0.4%；

4）無速度傳感器速度控制穩態速度誤差為： ≤ 1%；

5）有速度傳感器功率控制穩態速度誤差為： ≤ 1%；

6）無速度傳感器功率控制穩態速度誤差為： ≤ 2%；

7）有速度傳感器轉矩控制穩態速度誤差為： ≤ 1%；

8）無速度傳感器轉矩控制穩態速度誤差為： ≤ 2%；

9）轉速升、降速時間（0~額定或額定~0）為： 1~200s可調；

10）功率升、降速時間（0~額定或額定~0）為： 1～200 s可調；

11）轉矩升、降速時間（0~額定或額定~0）為： 0.1～20 s可調；

12）突加、突減負載（0~額定或額定~0,時間大于100 ms）轉速超調量為： ≤ 7%；

2.2.3保護功能需求

為了保證變頻器安全、可靠運行，要求具備過流、過壓、過溫、過載、超速等報警、故障、硬件故障的三級保護功能。

2.2.4接口需求

底層軟件接口：底層軟件接口主要為控制機箱、底層管理模塊與變頻器接口、與PLC接口、與ARM接口。上位軟件接口：上位軟件包括PLC邏輯控制軟件和OP操作器軟件，其接口包括PLC與系統、水冷柜、控制電源、控制機箱、變頻器柜門接口需求和PLC與底層軟件通訊協議。

3 監控系統軟件的實現

3.1 軟件結構

3.1.1監控系統PLC軟件結構

PLC軟件主要完成遠程或現地指令的接收和轉發并進行相應的控制、參數的讀取和下載、數據信息（變頻器、變壓器、電機等）的采集等。監控系統PLC軟件結構如圖4所示。

3.1.2監控系控制器軟件結構

推進變頻器軟件主要為DSP控制單元軟件。DSP控制單元軟件主要完成控制指令的接收，控制對象（永磁同步電機）參數以及控制軟件的調節參數的接收及預充電操作，根據接收到的給定轉速采樣實際轉速與輸出電流，經過永磁同步電機矢量控制，實現兩個三相H橋的PWM輸出，達到對電機轉速的精確控制；并傳送變頻器的運行參數（電壓,電流，實際轉速等）與變頻器發生故障時的故障信息到主配電屏，同時在變頻器故障時實行分級保護策略。軟件結構如圖5所示。

3.2 邏輯流程

3.2.1變頻器監控系統狀態標志

變頻器監控系統狀態（SystemState）分為：上電、停機、待機、運行和故障。各狀態間的轉換關系及對應標志如圖5中所示。

3.2.2自檢邏輯功能

上電或復位時，系統檢查所監控的各個設備狀態是否處于初始狀態。

3.2.3進入待機邏輯功能

控制變頻器外部設備（充電充磁開關、主斷路器、風機等），使之滿足變頻器運行條件，并改變變頻器系統狀態，使變頻器處于隨時可以發送脈沖狀態。

3.2.4運行邏輯功能

使變頻器處于發送脈沖狀態。

3.2.5停機邏輯功能

使變頻器停止發送脈沖，返回隨時可以發送脈沖狀態。

3.2.6退出待機邏輯功能

控制變頻器外部設備（充電充磁開關、主斷路器、風機等），使之返回初始狀態，并改變變頻器監控系統狀態，使變頻器也處于初始狀態。

3.2.7故障處理邏輯功能

變頻器處于故障狀態時，控制變頻器外部設備，使之返回初始狀態。

3.2.8實時監控邏輯功能

4 結束語

我國電力推進船舶的發展較國外發達國家滯后很多年，早在上個世紀末發達國家均在推廣采用全電力系統船舶。變頻器作為船舶電力推進的關鍵設備，監控系統則是其靈魂所在，它主宰了變頻器的功能、性能、操作、通用性等。更好的研究變頻器監控系統的實現，有利于我國在電力推進船舶的發展上，快速的趕超發達國家。

[1] 楊曉麗，沈愛弟，俞宏生. 現代交流調速技術在船舶電力推進中的應用. 大連海事大學報, 2004,30(3).

[2] 虞謙. 交流變頻器應用中的一些體會. 節能環保與發展循環經濟，2006.

[3] 方萌，吳斐文，史濤. 中國發展電力推進系統的途徑. 船舶，2002.

Research on Monitoring and Controlling System of Propulsion Inverter for Ships

Wang Dingzhang，Wen Lanping，Xu Xiaohui

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

TM46

A

1003-4862（2014）09-0007-05

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

王定章（1982-），男，工學學士，工程師。研究方向：自動化控制。