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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）11-072-04中圖分類號：TP29

★任新民（招商局重工（深圳）有限公司，深圳518054）

關鍵詞：AFE變頻；故障；巡航救助船

1　前言

現代化大型巡航救助船圍繞國家“交通強國”戰略和“一帶一路”倡議，并以建設國際一流的現代化專業救助打撈體系為目標規劃建造的。該船作為新一代海上救助利器，將為我國的海上經濟開發和發展保駕護航，進而提高國家防災減災救災和急難險重突發公共事件處置的保障能力。

該船由上海船舶研究設計院研發設計，是在充分借鑒和傳承8000kW、14000kW海洋救助船成功設計建造的基礎上，全新開發的全球最先進的深遠海全天候大功率多功能綜合立體救助船。該船總長136.9米，型寬26.7米，型深11米，建成后具備水面搜尋救助、深遠海拖曳救助、海空立體搜尋救助、應急搶險救助、對外消防滅火、信息傳輸與應急指揮、環境監測保護、深水掃測、援潛救生、飽和潛水、水下救助打撈作業、對外應急補給等功能，將履行南海水上遇險人員、船舶和航空器搜尋救助。

該船設計有三個機艙，具有高航速和大拖力等特點，其配備DP3動力定位系統、全海深多波束系統、水下機器人、深拖系統和具有升沉補償能力的250噸起重機等特種設備，可獨自承擔深水應急救助作業，將為南海海上運輸、深水油氣資源開發等提供安全保障，并可參與全球海上搜救和國際救援行動，保障了我國海上運輸通道安全和維護了國家海外利益。

2　拖纜機驅動系統設計

2.1　設計背景

目前我國南海深水油氣資源開發尚無大型保障裝備配置，本船必將是深水油氣資源開發裝備遠距離救助拖航的主拖船。我國的功勛平臺“海洋石油981”，其作業水深可達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行拖航，如遇惡劣海洋環境條件，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不小于350噸。根據中國船級社CCS《海上拖航指南》（2011年）拖纜機拖絞力計算和核定，拖纜機在進行拖曳作業時要釋放出三分之二繩長。在拖纜機卷筒上尚存有三分之一繩長的情況下，拖纜機拖絞力應與船舶拖曳作業所發出的拖航拖力相當或大于拖航拖力較為合理，因此本船設計配置了500噸拖力的大型拖纜機。

本船又為多功能型現代化船舶，除拖拽外還配備其他功能設施及其輔助系統如管、線等。設施多，設施的操作、維護等所需的人員自然也多，使得船舶空間需求更大。但同時為保證船舶作業的靈活機動性，船舶體積又不能過大，故船舶在設計時如何就空間和功能配套需求問題進行協調，是設計的難點。

綜合以上因素，最終本船的拖纜機采用AFE變頻驅動控制技術，既能滿足大拖力需求，又能省空間，還能提高船舶供電質量，一舉三得。

2.2　設計原理

為實現500噸大拖力，同時受電機市場貨源影響，本船選用了3相AC690V的拖纜電機。結合電制配置要求：AC6600V/AC400V/AC230V，本船最終選用了3相AC400V作為輸入電壓，通過變頻技術實現3相AC690V輸出電壓。

變頻技術分為AFE（Active Front End Inverter）和DFE（Diode Front End Inverter）：AFE變頻器采用主動整流技術，其輸入端使用可控硅等器件如IGBT或IGCT等來實現整流過程；DFE變頻器采用二極管整流技術，其輸入端使用二極管整流橋來實現整流過程。二者在成本、體積及對全船電網影響上互有優劣：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，在使用系數高的電力推進船舶上通常采用DFE的變頻技術。

本船的大拖力拖纜機，因其使用系數低、船舶空間緊張等因素，采用了AFE的變頻技術。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，并采用正弦脈寬調制模式（SPWM），從而實現變頻系統從AC、DC到AC的變頻目的。

為實現3相AC690V輸出電壓，該變頻器采用BOOST升壓模式，并利用濾波器內電感和電容的儲能特性，通過IGBT的開關特性，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。拖纜機配電圖如圖1所示。

圖1 拖纜機配電圖

3　拖纜機的調試

本船的拖纜機采用三路主電源供電，其中主電源兩路由前機艙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艙AC 400V配電板ASB2的母排BUS-24提供，其也為應急電源。在正常工況下，拖纜機由兩路主電源供電，當兩路主電源故障時，由備用電源提供用于終止安全作業，如圖1所示。

3.1　出現的問題

在調試拖纜機變頻器時會出現以下問題：

（1）絕緣低報警：拖纜機電源由前機艙AC 400V配電板ASB1提供，母排BUS-21和BUS-22之間的聯絡開關斷開，拖纜機在加速或減速操作時，此兩段配電母排（BUS-21&BUS-22）上的絕緣監測裝置會發出絕緣低報警；

（2）諧波高報警：同（1）一樣的供電和操作情況下，監測前機艙AC 400V配電板ASB1上兩段母排的電網質量檢測儀，測到的諧波值超過5%，最高值達9%～10%；

（3）共模電壓影響：同（1）一樣的供電和操作情況下，前機艙AC 400V配電板ASB1會不時出現共模電壓，峰值電壓達580V，引起該配電板上配備整流單元的設備如其他軟啟動器、AC/DC電源模塊等燒毀；

（4）整流單元內部環流：當拖纜機由一個變壓器供電時，即母排BUS-21和BUS-22之間的聯絡開關閉合時，兩組IGBT整流單元之間會出現經由DC 910V直流母排的內部環形電流，該內部環流會引起兩個整流單元出現過流而故障，如圖2所示。

圖2 整流單元內部環流示意圖

3.2　原因分析及解決

經不斷排查和測試，我們分析出現以上問題的主要原因是變頻器內部控制采用了BOOST升壓方案而導致。Boost升壓電路是六種基本斬波電路之一，也是一種開關型直流升壓電路，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通斷來控制電感存儲和釋放能量，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導通時，電感L通過圖3中的回路1存儲能量，此時二極管D截止，后級電路即輸出電路由電容C供電；當G截止時，由于電感的電流保持特性，流經電感的電流并不會馬上變為0，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，此時二極管D導通，電感L給電容C充電，電容兩端電壓升高，此時輸出電壓V的輸出已經高于輸入電壓V的輸入，實現升壓。當G的通斷過程不斷重復，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：拖纜機的電源來自AC 400V配電板，而拖纜機電機是AC 690V。拖纜機變頻器將輸入的AC 400V通過整流升壓單元（由LCL濾波單元和IGBT整流單元組成）將電壓升至DC 910V，再通過逆變模塊轉換成AC 690V輸出給電機。由于拖纜機變頻器采用Boost升壓時，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，導致LCL濾波單元的濾波功能失效或降容，即此時LCL濾波單元兼具升壓和濾波用途，但二者不可兼得，最終導致變頻器內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IGBT整流單元的前端各增設一臺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 增設升壓變壓器后電路圖

通過在拖纜機變頻器調試期間的觀察，我們發現AC 230V配電板上配有隔離功能裝置如AC/DC電源模塊的用電設備一直在正常運行，可以確定變壓器對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原來的控制方案，同樣會起到隔離拖纜機變頻器的諧波和共模電壓作用，不僅達到了拖纜機工作時不影響AC 400V主配電系統穩定性的目的，也有效防止了諧波和共模電壓帶來的不利影響。

4  結語

海上的環境比陸地上更多樣、更復雜、更多變，因此對裝置的設計和應用更苛刻，要求也更高。通過本文對AFE變頻技術在大型巡航救助船上的應用及故障分析，希望能加深大家對變頻技術的設計及應用要求的了解，并能為AFE變頻技術在后續項目上的推廣應用提供寶貴經驗。

作者簡介：

任新民（1966-），男，廣東深圳人，副高級工程師，現就職于招商局重工（深圳）有限公司，主要從事船舶和海工修造技術管理工作。

參考文獻：

[1] 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術第5版[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009 : 123 - 124.

[2] 王志強. 精通開關電源設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008 : 31 - 40.

[3] 中國船級社. 海上拖航指南(2011) [S].

摘自《自動化博覽》2023年11月刊