（中车永济电机有限公司）
摘要：介绍了2MW船用变流器的研发设计过程，对2MW船用变流器的功能、技术参数、工作原理、技术特点等进行了详细的说明。
关键词：船用变流器；十二脉波不可控整流；模块化；淡水冷却
0 引言
船舶是国民经济的支柱产业，在世界经济一体化的背景下，船舶装备在海洋开发、海上运输及海上安全中起着举足轻重的作用。在工程船舶领域，近20年来基本沿用计划经济时代的设计理念和制造模式，普遍存在油耗大、动力性不佳、舒适性差等问题，用户亟待技术更新和产品提高。本项目采用电推进系统，采用交-直-交控制，实现绞刀电机、泥泵电机和主推进电机的可靠运行，可以显著提高燃油经济性，降低污染排放，提高船舶动力性能，是公司向船舶领域发展的一个契机，在市场、技术等方面都有很大的发展空间，前景广阔。
1 船用变流器的功能
2MW船用变流器适用于3500m3/h绞吸式电动挖泥船铰刀电机、泥泵电机和主推进电机的电驱动控制，满足挖泥船系统控制的要求，为船舶电推进系统提供变压变频的高品质电源，可实现电机恒转矩、恒功率运行。
船用变流器主要实现以下控制功能：
（1）逆变器控制
（2）中间电路过压抑制控制
（3）牵引、电制动特性控制
（4）电气保护和接地保护
（5）故障记录、诊断与保护
（6）对外通讯功能
（7）在线监测和调试功能
（8）维护安全性
2 船用变流器的技术参数
额定功率： 2MW
额定输入电压： 六相AC 2800V
输入频率： 50Hz
额定输出电压： AC 2750V
额定输出电流： 480 A
短时峰值电流 576A (1min)
工作频率范围 0-200Hz
冷却方式： 淡水冷却，进水温度38℃
过载： 150% 1min /5min
体积： 3300×1000×2000（长×宽×高）
防护等级： IP42
安装方式： 底座安装
3 船用变流器的工作原理
船用变流器的主电路图如图1所示。
移相变压器提供两路三相交流电源，由十二脉波不可控单元整流，中间直流经PWM波控制，斩波逆变输出三相变压变频电源供负载电机。中间直流电路包括中间支撑电容、慢放电路和斩波电路。变流器的输入、输出、斩波电路电流均由电流传感器检测，中间直流电路的电压由电压传感器检测。整个电路可实现交-直-交电源变换，提供可变频、变压的高品质电源给负载。
牵引控制单元TCU控制整个变流器的工作状态，调节交流输入和输出。根据不同的工作状态，控制输出电压、电流、频率；监测中间电压、交流输入电流和交流输出电流，对负载进行转速闭环控制，转矩闭环控制。
船用变流器的冷却系统通过38℃的淡水对冷却液进行冷却。冷却液流经功率模块冷却基板，带走模块热量；经管路进入水泵，加压后进入水冷散热器；经过热交换，由水冷散热器的出口进入功率模块，完成一个冷却循环。
4 船用变流器的总体结构
船用变流器的总体结构主要分为功率单元、冷却单元和控制单元三大部分。
功率单元部分主要由输入熔断器、主接触器、预充电接触器、预充电电阻、过压吸收电路、功率模块、中间支撑电容、电压检测板、接地保护电阻、慢放电阻、电流传感器、电压传感器组成。冷却单元部分主要由水泵、膨胀水箱、水冷散热器、管路、连接件、水电连接板组成。控制单元部分主要由TCU、网络控制接口组成。对外高压电气接口及低压电气接口从底部出线。
图2 总体结构图
整个船用变流器的箱体采用密封设计，前门加装密封条，对于发热较大的慢放电阻和接地保护电阻安装在变流器单独空间内，后部加装过滤网及风扇，前部加装出口过滤网，加速柜内空气流通，帮助散热。
5 船用变流器的技术特点
（1）将四象限整流改为十二脉波不可控整流，由不可控二极管整流代替IGBT整流，取消了二次滤波电路，在整流交流侧增加过电压吸收装置。
（2）船用变流器采用模块化设计，包括3个整流/逆变模块，1个斩波模块。变流器模块安装采用快速水冷接头，可以快捷插拔，不需排放冷却回路中的冷却液。
（3）船用变流器与外部的控制电路通过端子方式连接，对外高压采用铜排，方便接线。变流器内部部件，如电气元器件、主电路接线端子、功率模块等易于接近，打开变流器柜门即可方便地对变流器进行拆装、维护。
（4）借鉴机车变流器的部分结构设计，实施高压和低压控制区域分离，避免产生电磁兼容的问题。
（5）采用水水冷却方式，根据船舶变流装置运行环境的特点，利用淡水外循环对功率模块进行冷却，提高冷却效果。
6 船用变流器的保护功能
（1）预充电控制保护
（2）过流和过载保护
（3）接地保护
（4）IGBT 元件短路保护
（5）中间直流回路电压过压及欠压保护
（6）水冷却系统的保护
7 结语
本项目的研制是基于HXD2B这个较成熟的技术平台，移植到船舶行业，从柜体结构、电器选型、电器布置、冷却方式和布局等各方面都最大可能的保留，充分利用成熟机车和动车变流器设计的技术和经验，保证了变流器在结构强度、EMC、冷却设计、布线工艺、组装工艺等方面的可靠性。本项目的研制开发开辟了大功率变流装置向船舶行业发展的新道路，为公司向船舶领域发展提供了难得的机遇。通过该项目的实施，进一步掌握大功率变流器的设计能力。根据船用变流器的特殊性设计，积累船用变流器的设计经验，并应用于今后的变流装置产品设计中。
赵娜（1984.06），女，汉族，陕西省西安市，工程师，硕士，电力电子与电力传动，主要从事机车及船舶变流器设计工作，
论文作者:赵娜,孙晓丽
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/2
标签：变流器论文; 船用论文; 船舶论文; 电压论文; 电路论文; 功率论文; 模块论文; 《电力设备》2017年第9期论文;