西門子S120變頻器在船舶電力推進系統中的應用

萬 叢，李成陽

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西門子S120變頻器在船舶電力推進系統中的應用

萬 叢，李成陽

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

變頻器作為船舶電力推進系統的核心設備之一，其選型和配置非常重要，本文詳細介紹了西門子SINAMICS S120變頻器在船舶電力推進系統中的應用，重點研究了其硬件模塊和軟件功能設計，表明S120變頻器具有廣泛的適應性，本文具有一定的工程實踐指導作用。

西門子SINAMICS S120 變頻器 電力推進

0 引言

船舶電力推進系統是指采用電動機帶動螺旋槳來推動船舶運行的系統，一般由以下幾個部分組成：原動機、發電機、配電板、變壓器、變頻器、電動機、螺旋槳及控制系統[1]，其基本組成如圖1所示。

隨著電力電子技術的快速發展，大功率交流電機的變頻調速技術日趨成熟，使電力推進船舶在機動性、可靠性、布置的靈活性、機槳匹配、運行效率等方面都有了極大的提高，從而使船舶電力推進技術的應用范圍不斷擴大。變頻器作為船舶關鍵設備之一，其性能直接決定了電力推進系統的總體性能。

當前船用變頻器市場快速發展，有豐富的產品可供選擇，西門子公司推出的SINAMICS S120系列低壓變頻器采用模塊化設計，使用靈活，可以針對不同船舶進行量身定制，能夠進行高效組態與快速調試，特別適合用于提供高性能的船用電力推進系統。

圖1 電力推進系統的基本組成示意圖

1 船舶電力推進系統介紹

在電力推進系統中，諧波電流會降低發電機的效率，造成電機額外的發熱和振動，引起繼電保護裝置誤動作，對通信設備產生電磁干擾。根據諧波抑制的原理不同，電力推進系統可以分為DFE（Diode Front End）和AFE（Active Front End）方案，SINAMICS S120變頻器對上述兩種方案均可以提供良好的支持。

1.1 DFE電力推進系統

DFE是當前船舶電力推進系統廣泛采用的技術方案，其前端采用不控整流器件，如圖2所示為采用DFE方案的某電力推進系統簡化單線圖。

圖2 DFE方案電力推進系統簡化單線圖

如上圖所示，推進變壓器副邊的兩個繞組相差30°電角度，則變壓器原邊將不存在6k±1（k=1，2…）次諧波電流，只存在最低12k±1（k=1，2…）次諧波電流，即所謂的12脈波整流。左右舷推進變壓器T1、T2原邊相差15°電角度，當左右推進功率相當時，發電機側的12k±1（k=1，2…）次諧波電流將會抵消，只存在最低24k±1（k=1，2…）次諧波電流，但如果左右推進功率不一致，將只能抵消部分12k±1（k=1，2…）次諧波電流，即虛擬24脈波整流。

1.2 AFE電力推進系統

AFE電力推進系統與傳統DFE電力推進系統的不同之處在于前者推進變頻器采用了全控型電力電子器件IGBT代替了二極管整流，構成PWM整流器，可以實現完美無諧波。其直流母線電壓可控，無需配置前端移相變壓器，變頻器輸出電壓可以適當調高，減小了電機電流及線路壓降。能量可以雙向流動，因此省去了制動單元。功率因數可等于1，提高了系統效率[2]。

AFE方案是船舶電力推進系統未來的發展方向。

2 S120變頻器硬件模塊研究

SINAMICS S120系列變頻器采用模塊化設計，主要組成部分如下[3]：

控制單元：整個變頻驅動系統的控制部分；

電源模塊：將交流轉換為直流；

電機模塊：將直流轉換為交流，為電機提供交流變頻電源；

直流母線組件：在DFE系統中用于加快制動過程及限制短暫制動時的直流母線電壓，包括制動模塊和制動電阻；

傳感器模塊：編碼器模塊、電壓傳感模塊等；

端子模塊和選件板：根據需要可連接或插入I/O板和通訊板。

SINAMICS S120變頻器船舶電力推進系統的典型結構如圖3所示。

圖3 S120變頻器船舶電力推進系統的典型結構圖

如圖3所示為DFE電力推進系統，電源模塊為BLM（Basic Line Module）型，直流母線一般需要配備制動模塊及制動電阻。若為AFE電力推進系統，則電源模塊需為ALM（Active Line Module）型，可以省去直流母線組件。

SINAMICS S120變頻器功率覆蓋范圍0.12~4500 kW，功率模塊散熱可選風冷或水冷，可以滿足絕大多數船舶電力推進系統需求及船規要求。創新的DRIVE-CLiQ器件級智能網絡連接允許SINAMICS S120各模塊之間快速組態及可靠通訊，簡化了成柜內部布線，加快了工程調試進度。

3 S120變頻器軟件功能設計

SINAMICS S120變頻器提供了配套的調試軟件STARTER，能夠實現在線監控、修改參數、故障檢測和復位、數據跟蹤記錄、電機辨識和自動優化等強大功能。

SINAMICS S120變頻器采用BICO技術進行參數設置及編程，BICO技術是一種很靈活的把輸入和輸出功能聯系在一起的設置方法，可以方便用戶根據實際工藝需求來靈活定義端口。

SINAMICS S120變頻器提供了基于BICO技術的邏輯運算塊、算數運算塊等自由功能塊，可以使用戶實現自定義的功能。

此外SINAMICS S120變頻器還具有DCC（Drive Control Chart）自由編程功能，DCC是西門子專為SINAMICS變頻器/SIMOTION控制器提供的一種可編程環境，用圖形化的編程語言CFC（Continuous Function Chart）來實現與驅動系統相關功能工具包，允許用戶通過編寫程序來完成特定工藝需求，更加拓寬了其應用范圍[4]。

下面詳細介紹基于SINAMICS S120變頻器的船舶電力推進系統常用功能軟件設計。

3.1 遠程/就地操控切換

船舶操控地點一般為駕控室、機旁，有的還增加了集控室。當駕控室遠程操控失效時，則需要保證集控室或機旁就地操控有效，通過應急車鐘傳遞指令，確保船舶動力處于受控狀態，避免發生海上安全事故。

SINAMICS S120變頻器可以很方便的實現遠程/就地操控切換。其采用CDS（Command Data Set）切換來實現操控地點的切換，1套CDS包括控制指令（起/停、使能等）及設定值（轉速給定等），其切換原理如圖4所示[5]。

如圖所示，其通過p0170設置CDS數量，最多可設置4套CDS，通過p0810及p0811來選擇不同CDS，實現在不同操控地點之間的切換。

3.2 轉速模式/功率模式切換

SINAMICS S120變頻器可以提供高性能的矢量控制，可進行高精度的有/無編碼器轉速閉環控制。在良好海況條件下，螺旋槳負載平穩，采用轉速控制模式可以獲得很好的船舶操控性能。當海況條件惡劣時，螺旋槳負載波動大、隨機性強，甚至可能發生螺旋槳躍出水面，此時若依然采用轉速控制模式，則會導致推進電機輸出功率劇烈變化，引起船舶電網穩定性下降，帶來全船失電的風險，因此需要采用功率控制模式。采用DCC實現的轉速模式/功率模式切換功能框圖5所示[6]。

圖4 CDS切換原理示意圖

圖5 轉速模式/功率模式切換功能原理框圖

如上圖所示，當轉速模式/功率模式切換信號為0時，變頻器轉速給定值來自就地或遠程的模擬量給定，通過功率限制模塊來進行變頻器功率限制，保護機組負載安全。當轉速模式/功率模式切換信號為1時，變頻器功率限制值來自就地或遠程的模擬量給定，轉速給定強制為100%，此時電機實際轉速斜坡上升，當變頻器功率達到功率限制值時，電機轉速達到飽和。

3.3 功率限制

功率限制功能的主要作用是在轉速控制模式下，當發電機組負荷過高，變頻器能夠逐步限制推進功率，使機組負荷始終維持在安全水平，或者當某臺機組發生重故障停機等其他嚴重故障時，變頻器能夠快速限制推進功率，防止全船失電，即圖5所示功率限制模塊的功能。

SINAMICS S120變頻器可以通過端子模塊采集所有發電機組在網狀態及負荷率，當某臺機組負荷率過高時，進行動態功率限制，當某臺機組發生故障停機等其他嚴重故障時，進行快速功率限制，然后根據狀態轉入動態功率限制或解除功率限制。SINAMICS S120變頻器還可以通過PROFIBUS-DP/PROFINET總線或硬線向監控系統發送功率限制狀態報警。

上述功能可以通過DCC自由編程功能實現。

3.4 外部報警/故障

對于某些變頻器外部報警/故障，其嚴重影響變頻器運行安全，需要對其做連鎖等處理。S120變頻器可以自定義若干外部報警或者故障，通過外部信號觸發，如圖6所示。

圖6 外部報警/故障處理示意圖

如圖6所示，S120變頻器可以設置3路外部報警/故障，如果不夠用，還可以使用DCC自由編程功能，通過STM功能塊自定義更多外部報警/故障，如圖7所示。

圖7 DCC自由編程STM功能塊

如圖7所示，通過MN設置報警/故障號，通過MV設置報警/故障附加信息，通過S位上升沿觸發報警/故障，同時Q位變為1，表示報警/故障激活。

4 總結

本文對西門子SINAMICS S120系列低壓變頻器在船舶電力推進系統中的應用做了詳細說明，通過對變頻器硬件模塊的介紹和軟件功能的研究，表明S120變頻器具有適應性廣、調試便捷等優點，能夠為大多數的船舶提供性能優良、可靠的電力推進系統。

[1] 芮江, 由大偉. 艦船綜合電力推進技術的現狀和發展趨勢[J]. 艦船科學技術, 2010, (04): 3-6.

[2] 孫玉良. 有源前端變頻器在船舶電力推進中的應用[J]. 上海造船, 2009, (02): 30-32.

[3] SIEMENS SINAMICS S120設備選型手冊[Z]. 2013.

[4] SIEMENS SINAMICS S120安裝調試手冊[Z]. 2013.

[5] 杜旭. 變頻器的工作原理和控制方式[J]. 科技資訊, 2006, (24): 32.

[6] 施坪, 程桯, 王軼, 劉家輝. 西門子S120變頻裝置的調試應用[J]. 變頻器世界, 2014, (09): 91-94, 63.

The Application of SIEMENS S120 Inverter to Marine Electric Propulsion System

Wan Cong, Li Chengyang

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

TH311

A

1003-4862（2017）06-0069-04

2017-02-14

萬叢（1988-），男，工程師。研究方向：控制工程。E-mail: wan.cong@qq.com