電源轉換器的制作方法

專利名稱：電源轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電源轉換器，具體地說，涉及一種電源轉換器，其 能夠用來將操作于可變電壓及可變頻率的電動機連接到電壓和頻率 標稱固定的電源網格或供電網。本發明還包括這樣的特征，即在供電 網故障和瞬變狀態時使得電源轉換器保持與供電網的連接并持續控 制。該電源轉換器尤其適用于海上推進系統，但并不限于此。
背景技術：
船舶的推進器組件典型地以可變速度在向前和向后兩個方向上 旋轉。由于船舶使用電力和推進系統，所以驅動推進器組件的電動機 也將需要在可變頻率(針對推進器組件被電動機—的轉子直接驅動于是 頻率將近似地與推進器組件的旋轉速度成比例的情況)和可變電壓 (近似地與頻率成比例)下進行操作。船舶的電源系統將具有標稱固 定的電壓和頻率，因此必須使用電源轉換器來將電動機連接到電源系 統。
電源轉換器典型地由以下兩部分構成電網橋，其將來自電源 系統的交流電源調整為標稱固定的直流電壓(直流傳輸線)；以及電 動機橋，其將直流電壓轉換為用于電動機的適當的交流電壓。許多船 舶的電源系統常被認為是"薄弱的"，因為總發電量非常接近總負荷。 這意味著當連接到電源的大負載和推進系統都啟動時，可能會發生顯 著的瞬變(急降)。電源系統上的任何急降或故障將干擾電網橋及其 提供直流電壓的操作。因此對于電源轉換器通常是將其關閉以避免對 各種元件造成損壞。對于許多海上應用來說，這種關閉電源轉換器的 要求以及進而相關推進設備的總損失被認為是無法接受的。
因此需要一種改進的電源轉換器，其可以在急降或故障的情況 下保持與電源系統的連接。

發明內容
本發明提供一種電源轉換器，其能夠用來將要求可變電壓并操 作于可變頻率的電動機連接到提供標稱固定的電壓和標稱固定的頻 率的供電網，所述電源轉換器包括
第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動機的定子并包括多 個半導體電源開關器件；
第二有源整流器/反相器，其包括多個半導體電源開關器件；
直流傳輸線，其連接在第一有源整流器/反相器和第二有源整流 器/反相器之間；
濾波器，其連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間，該濾 波器包括網絡接線端；
用于第一有源整流器/反相器的第一控制器；以及 '用于第二有源整流器/反相器的第二控制器；
二其中第一控制器使用一個指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳
輸線電壓需量信號，以控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開 關器件來實現與直流傳輸線電壓需量信號對應的期望的直流傳輸線 電壓電平；并且
其中第二控制器使用一個指示了將通過第二有源整流器/反相 器從供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平的功率需量信號，并使用一 個指示了將在濾波器的網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號，以 控制第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現與功率需
量信號和電壓需量信號對應的期望的功率電平和電壓電平。
電源轉換器可被用于在供電網處于正常工作狀態期間將電動機 連接到供電網，而且還可包括這樣的特征，即允許工作在供電網電壓 由于供電網上的故障或瞬變而發生變化的狀態下。第二控制器還可以 在供電網電壓偏離其正常狀況時對第二有源整流器/反相器進行控制 來將電壓支持提供到供電網。
電動機可以是任何類型的旋轉電動機或線性電動機。示例中將 包括(通過如永久磁鐵或者常規或超導繞組之類的任何適當方式來激勵的)感應電動機或同步電動機。在旋轉電動機的情況下，轉子可被 連接到推進器組件或在瞬變或故障期間要求不脫網運行 (ride-through)的任何其他機械負載。然而，在機械負載無法從供 電網獲得電力的時間內其必須(以慣性或沖量等形式)保持足夠的能 量來持續工作。線性電動機可被用在需要往復運動的應用中。
在電動機是感應電動機的情況下，第一控制器優選地使用指示 了將在電動機內實現的期望通量水平的通量需量信號來對第一有源 整流器/反相器的半導體電源開關器件進行控制，從而產生了在電動 機中實現了期望的通量的定子電量。術語"定子電量"在這里用來指 單個相電壓量、單個相電流量、以及多相電動機中的相位和頻率這些 中的任何一個和全部。
可以使用按照傳統脈寬調制(PWM)策略得出的門驅動控制信號 來控制第一有源整流器/反相器中的半導體電源開關器件的操作。
第一控制器優選地將指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線 電壓需量信號與一個直流傳輸線電壓反饋信號進行比較，以確定一個 轉矩需量信號，該轉矩需量信號指示了將在電動機中實現的期望的轉 矩水平。隨后第一控制器可以控制第一有源整流器/反相器的半導體 電源開關，以產生在電動機中實現了期望轉矩的定子電量。在下面詳 細說明的控制實現過程是基于作為公知和常用技術的矢量控制。然 而，容易理解到可以使用控制實現的任何其他適當方法來作為替換 (例如，離散時間場定向控制(DT-F0C)或直接轉矩控制)。
第一控制器優選地向第二控制器提供一個隨電動機主導狀況而 變化的控制信號。隨后，第二控制器可使用該控制信號來限制通過第 二有源整流器/反相器從供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平。因此 控制信號可以在電動機已達到其物理性能極限時(即，例如當電動機 已經在其最大軸速度或其最大加速率的狀態下進行操作時)來阻止任 何更多的電力通過第二有源整流器/反相器被導入到直流傳輸線中。
第二控制器優選地將指示了要通過第二有源整流器/反相器從 供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平的功率需量信號轉換成針對第 二有源整流器/反相器的正交軸電流需量信號，該正交軸電流需量信號指示了要在供電網中實現的期望的正交軸電流。隨后第二控制器可 以控制第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電 網中實現了期望的正交軸電流的濾波器/供電網電量。術語"濾波器/ 供電網電量"在這里用來指單個相電壓量、單個相電流量、多相有源 整流器/反相器系統中的相位和頻率這些中的任何一個和全部。術語 "多相"典型地是指三相，但也可包括其他的相數。可以使用按照傳 統脈寬調制(PWM)策略得出的門驅動控制信號來控制第二有源整流 器/反相器中的半導體電源開關器件的操作。
可以用由濾波器的網絡接線端處的電壓得出的信號除功率需量 信號來將功率需量信號轉換成正交軸電流需量信號。該信號優選地是 由在濾波器的網絡端上的三相電壓測量得出的且可選地是濾波后的 交流電壓的正交軸分量。
第二控制器優選地使用另一個指示了期望的直流傳輸線電壓的 直流傳輸線電壓需量信號，并將該另一個直流傳輸線電壓需量信號與 直流傳輸線電壓反饋信號進行比較，以確定針對第二有源整流器/反 相器的正交軸電流需量信號，該正交軸電流需量信號指示了要在供電 網中實現的期望的正交軸電流。隨后第二控制器可以控制第二有源整 流器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實了現期望的 正交軸電流的濾波器/供電網電量。在下面詳細說明的控制的實現過 程是基于作為公知和常用技術的矢量控制。然而，容易理解到可以使 用控制實現的任何其他適當方法來作為替換(例如，離散時間場定向 控制(DT-F0C)或直接轉矩控制)。
優選地，將指示了供電網電力的信號從第二控制器提供到第一 控制器。可將該指示了供電網電力的信號添加到第一控制器中的直流 傳輸線控制器的輸出中，并將其用于確定電動機中的期望的轉矩水 平。該信號有效地向第一控制器提供了一個預警，指示出有更多或更 少的電力將通過第二有源整流器/反相器導入到直流傳輸線中。隨后 第一控制器可在導入電力量的變化在直流傳輸線中引起相應的變化 之前啟動，以確定電動機中的期望的轉矩水平。對于瞬變原因來說這 將是重要的。第二控制器優選地將指示了要在濾波器的網絡接線端實現的電 壓電平的電壓需量信號與一個在濾波器的網絡接線端測量到的電壓 反饋信號進行比較，以確定針對第二有源整流器/反相器的直軸電流 需量信號。隨后第二控制器可以控制第二有源整流器/反相器的半導 體電源開關，以產生在供電網中實現了期望直軸電流的濾波器/供電 網電量。
第二控制器可根據供電網電壓主導狀況來修正直軸電流需量信
號
可由功率控制器來提供功率需量信號。
電源轉換器優選地還包括速度傳感器，用于得出指示了電動機 運動部件(即在旋轉電動機情況下為轉子，在線性電動機情況下為變 換器)的速度的速度信號。然而，在某些情況下該速度傳感器可由測 速系統代替，該測速系統對第一有源整流器/反相器使用內部信號來 得出速度信號。隨后功率控制器可利用任何適當的方法來使用(由速 度傳感器或測速系統得出的)速度信號得出功率需量信號。如果適用， 可用一個或幾個濾波函數修正速度信號以消除任何軸或傳動桿的共 振。
功率控制器優選地從船舶控制系統(其可選地合并有動態定位 系統)接收功率需量信號和速度需量信號中的一個或兩個。可以直接 從船舶的控制桿等提供功率需量信號和/或速度需量信號。
本發明還提供了一種包含多個電源轉換器的設備，這些電源轉 換器如上所述連接到提供標稱固定電壓和標稱固定頻率的供電網的 通用供電總線上，其中將指示了將在每個電源轉換器的濾波器網絡接 線端上實現的電壓的電壓需量信號從電源管理系統提供到每個電源 轉換器的第二控制器。
單個電源轉換器的每一個都包括電連接在相關濾波器和通用供 電總線之間的降壓變壓器。
該電源轉換器尤其適于用在船舶的推進單元中。因此本發明還 提供一種推進單元，其包括具有定子和轉子的電動機；推進器組件， 其至少包括一個通過電動機的轉子來旋轉的葉片；以及如上所述的電源轉換器。推進器組件可與電動機的轉子形成為一體。可選的是，推 進器組件被安裝在一個可旋轉的軸上，并且電動機轉子被直接或通過 變速箱間接連接到該可旋轉的軸上。
船舶中可使用多個推進單元。因此本發明還提供了一種船舶， 其包括提供標稱固定電壓和標稱固定頻率并具有通用供電總線的供 電網，并包括多個上述的推進單元。多個推進單元各自的電源轉換器 被連接到通用供電總線，并且其中由電源管理系統來提供指示了將在 每個電源轉換器的濾波器網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號。
本發明還提供一種操作電源轉換器的方法，該電源轉換器可用 于將要求可變電壓并操作于可變頻率的電動機連接到提供標稱固定 電壓和標稱固定頻率的供電網，該電源轉換器包括
第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動機的定子并包括多 個半導體電源開關器件；
第二有源整流器/反相器，其包括多個半導體電源開關器件；
直流傳輸線，其連接在第一有源整流器/反相器和第二有源整流 器/反相器之間；
濾波器，其連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間，該濾 波器包括網絡接線端；
用于第一有源整流器/反相器的第一控制器；以及
用于第二有源整流器/反相器的第二控制器；
其中所述方法包括步驟
第一控制器使用一個指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線 電壓需量信號，以控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開關器 件來實現與直流傳輸線電壓需量信號對應的期望的直流傳輸線電壓 電平；以及
第二控制器使用一個指示了將通過第二有源整流器/反相器從 供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平的功率需量信號，并使用一個指 示了將在濾波器的網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號，以控制 第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現與功率需量信 號和電壓需量信號對應的期望的功率電平和電壓電平。所述方法還包括了下述步驟。
第一控制器可使用指示了將在電動機內實現的期望通量水平的 通量需量信號來對第一有源整流器/反相器的半導體電源開關器件進 行控制，從而產生了在電動機中實現了期望的通量的定子電量。
第一控制器可將指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓 需量信號與一個直流傳輸線電壓反饋信號進行比較，以確定一個轉矩 需量信號，該轉矩需量信號指示了將在電動機中實現的期望的轉矩水 平，并且第一控制器可控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開 關，以產生在電動機中實現了期望轉矩的定子電量。
第一控制器可向第二控制器提供一個隨電動機主導狀況而變化 的控制信號。隨后，第二控制器可使用該控制信號來限制通過第二有 源整流器/反相器從供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平。
第二控制器可將指示了要通過第二有源整流器/反相器從供電
網傳輸到直流傳輸線的功率電平的功率需量信號轉換成針對第二有 源整流器/反相器的正交軸電流需量信號，該正交軸電流需量信號指 示了要在供電網中實現的期望的正交軸電流，并且第二控制器可控制 第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實 現期望的正交軸電流的濾波器/供電網電量。可以用由濾波器的網絡 接線端處的電壓得出的信號除功率需量信號來將功率需量信號轉換 成正交軸電流需量信號。
第二控制器可使用另一個指示了期望的直流傳輸線電壓的直流 傳輸線電壓需量信號，并將該另一個直流傳輸線電壓需量信號與直流 傳輸線電壓反饋信號進行比較，以確定針對第二有源整流器/反相器 的正交軸電流需量信號，該正交軸電流需量信號指示了要在供電網中 實現的期望的正交軸電流。隨后第二控制器可控制第二有源整流器/ 反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實現了期望的正交 軸電流的濾波器/供電網電量。
第二控制器可將指示了供電網電力的信號提供到第一控制器。 可將該指示了供電網電力的信號添加到第一控制器中的直流傳輸線 控制器的輸出中，并將其用于確定電動機中的期望的轉矩水平。第二控制器可將指示了要在濾波器的網絡接線端實現的電壓電 平的電壓需量信號與一個在濾波器的網絡接線端測量到的電壓反饋 信號進行比較，以確定針對第二有源整流器/反相器的直軸電流需量 信號，并且第二控制器可控制第二有源整流器/反相器的半導體電源 開關，以產生在供電網電壓出現急降狀況期間在供電網中實現期望直 軸電流的濾波器/供電網電量。
本說明書中關于供電網急降中的術語"急降"的使用指的是由 于對稱或不對稱的網絡故障狀況，或者僅僅通過連接到供電網的大感 應分量(諸如變壓器或諧波濾波器)的切換，使得供電網電壓減小到 其標稱值以下。
第二控制器可根據供電網電壓主導狀況來修正直軸電流需量信
號
可由功率控制器來提供功率需量信號。
可得出指示了電動機運動部件的速度的速度信號，并且功率控 制器可以利用該速度信號來得出功率需量信號。可利用任何適當的方 法來得出速度信號，并可用一個或幾個濾波函數來修正速度信號，該 濾波函數還可被用以消除任何軸或傳動桿的共振。
本發明還提供了一種操作多個電源轉換器的方法，這些電源轉 換器如上所述連接到提供標稱固定電壓和標稱固定頻率的供電網的 通用供電總線上，所述方法包括步驟將指示了要在每個電源轉換器 的濾波器網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號從電源管理系統 提供到每個電源轉換器的第二控制器。
本發明還提供一種操作推進單元的方法，該推進單元包括要 求可變電壓并操作于可變頻率且具有定子和轉子的電動機；推進器組 件，其至少包括一個通過電動機的轉子來旋轉的葉片；以及電源轉換
器，其將電動機連接到提供標稱固定電壓和標稱固定頻率的供電網，
該電源轉換器包括 '
第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動機的定子并包括多 個半導體電源開關器件；
第二有源整流器/反相器，其包括多個半導體電源開關器件；直流傳輸線，其連接在第一有源整流器/反相器和第二有源整流 器/反相器之間；
濾波器，其連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間，該濾 波器包括網絡接線端；
用于第一有源整流器/反相器的第一控制器；以及 用于第二有源整流器/反相器的第二控制器；
其中響應于推進單元的期望推力的改變，所述方法包括步驟 控制第二有源整流器/反相器，以改變導入到直流傳輸線中的功
率電平，從而使得直流傳輸線電壓從期望的電平發生變化；以及
控制第一有源整流器/反相器，以通過第一有源整流器/反相器
將足夠的電流從直流傳輸線導出到電動機，從而將直流傳輸線電壓恢
復到期望的電平并實現期望的推力。


圖1是示出如何將根據本發明的電源轉換器用于在電動機和固
定頻率供電網的供電總線之間進行連接的示意圖；以及
圖2是示出如何將根據本發明的多個電源轉換器連接到供電總
線來作為海上推進系統的一部分。
具體實施例方式
電源轉換器布局
將參考圖1和圖2來簡述電源轉換器的布局。雖然在上下文中 將電源轉換器描述為作為海上電力推進系統的電源轉換器，但是容易 理解的是其他應用也是可能的。例如，可將電源轉換器用作泵、風扇、 壓縮機或其他工業類型負載的驅動系統的一部分。
海上電力推進系統的推進器組件2是由可變速度的交流感應電 動機4的轉子(未示出)驅動的。推進器組件2通常將由多個以固定 間距安裝在旋轉軸上的葉片構成。旋轉軸可被直接或通過用于調整軸 轉速的變速箱(未示出)而間接連接到電動機4的轉子。推進器組件 2必須的轉速取決于船舶速度和推進所需的推力水平或方向。然而，由于轉速是變化的，施加到電動機4的接線端的電壓和頻率也必須是 變化的。
電動機4的接線端被連接到三相電動機橋10的交流接線端，該 三相電動機橋10在正常操作中作為反相器操作來從交流傳輸線12 向電動機供電。電動機橋10具有傳統的三相兩級布局，其具有使用 脈寬調制(PWM)策略來進行完全控制和調節的一系列半導體電源開 關器件。然而，在實際應用中，電動機橋10可具有諸如三級夾中性 點布局或多極布局之類的任何適當布局。將在下面詳細描述用于控制 電動機橋10的半導體電源開關器件的門驅動指令信號的導出。
船舶的供電網(圖2)在標稱固定的頻率下操作，并包括從交流 發電機28接收電力的通用交流供電總線(標記為"BUS")。從供電 總線經降壓變壓器6將電力提供到電網橋14的交流接線端，并且由 感應器16 (以及其他可能的濾波器)對電力進行濾波。可包括保護 開關(未示出)來提供對供電總線穩定的連接以及針對各種操作性和 非操作性的需要來將推進系統與供電網分離。
在正常操作中電網橋14作為一個有源整流器來操作以從供電總 線向直流傳輸線12供電。電網橋14具有與電動機橋IO類似的三相 兩級布局，其具有一系列使用PWM策略來完全控制和調節的半導體電 源開關器件。然而在實際應用中電網橋14可具有如上針對電動機橋 IO所述的任何適當的布局。對電動機橋10的直流輸入電壓的主要控 制是通過控制電動機橋來實現的。控制電網橋14以滿足兩個主要目 的，即有功功率和供電網電壓。下面提供了對如何實現這一控制的詳 細描述。
下面還詳細描述了用于控制電網橋14的半導體電源開關器件的 門驅動指令信號的導出。
如在此所述，有源整流(作為電網橋14的主要操作模式)是從 三相電網橋到直流傳輸線的能量轉換，并且反相(作為電動機橋10 的主要操作模式)是從三相電動機橋的直流傳輸線到其交流接線端的 能量轉換。然而，容易理解的是也存在可能有必要或者可能希望將電 動機橋10作為有源整流器來操作以及將電網橋14作為反相器來操作的時候。例如，在船舶正在制動的情況下，隨后推進系統可能適于支
持恢復發電。在這種情況下電動機4被操作在發電模式下，從而通過 作為有源整流器來操作的電動機橋10和作為反相器來操作的電網橋 U來將電力提供回供電網(或突降電阻器)。
在發生供電網電壓急降的情況下，電網橋14可根據需要操作在 有源整流器模式下或反相器模式下，從而將無功電流提供到供電網中 以抵消引起電壓急降的因素。
海上推進系統布局
如上簡要描述的，可將多個電源轉換器連接到頻率標稱固定的 供電網的通用交流供電總線上，以定義一個海上推進系統。這在圖2 中被示意性示出。電源轉換器la到ld的每一個都包括一個相應的濾 波器16a到16d以及一個降壓變壓器6a到6d。
在傳統的海上推進系統中，期望的供電網電壓通常將由電源管 理系統26設置，并且被提供給每個發電機28的自動電壓調節器(AVR) 30。在圖2的結構中，電源管理系統26還把電壓需量信號VBUS舉提 供給每個電源轉換器la到ld。電壓需量信號VBUSH戈表將要在電源 轉換器的正常操作期間在每個濾波器16a到16d的網絡接線端實現的 期望的電壓。
如圖2所示，變壓器32形式的大感應元件也被連接到通用供電 總線。
電動機橋控制
電動機橋控制器18將門驅動指令信號提供到電動機橋10，使得 半導體電源開關器件開啟和關閉，從而將特定電壓施加到電動機4 的接線端。電動機橋控制器18將根據以下信號來選擇要被施加的電 壓，這些信號為表示了要在電動機4中實現的期望通量水平的通量 需量信號0*、表示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信 號VDC一M0f、指示了實際直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓反饋信 號VDC—FB、由測量電動機相電流IU、 IV和IW而得出的一個或多個 反饋信號、以及表示了供電網功率指示的功率前饋信號P0WER一FF。
對于具體的驅動配置通常將通量需量信號o、n直流傳輸線電壓需量信號VDC一M0f設置為常數。直流傳輸線電壓需量信號VDCJ0f與直 流傳輸線電壓反饋信號VDC—FB之間的差被用來為電動機4提供轉矩 需量信號。諸如矢量控制方案之類的適當的控制實現方式可使用得出 的轉矩需量信號和通量需量信號O'來產生用于電動機橋10的半導
體電源開關器件的合適的開關模式。
容易理解的是，如果交流電動機4是一個同步電機，則通量需 量信號d/可被省去。在這種情況下，將僅根據得出的轉矩需量信號 來產生用于電動機橋10的半導體電源開關器件的開關模式。
電網橋控制
電網橋控制器20將門驅動指令信號提供到電網橋10，使得半導 體電源開關器件開啟和關閉，從而將特定電壓施加到濾波器的接線 端。電網橋控制器20將根據以下信號來選擇要被施加的電壓，這些 信號為由速度/功率控制器24提供并表示了將通過電網橋14從通 用供電總線傳輸到直流傳輸線12的功率電平的功率需量信號P*、由 電源管理系統26提供并表示了要在濾波器16的網絡接線端實現的期 望電壓的電壓需量信號VBUS+、由電壓測量VR、 VY和VB(即跨越從 通用供電總線向電網橋M提供電力的稱為紅色(R)、黃色(Y)和 藍色(B)輸出線而進行的三相電壓測量)和電網橋相電流工R、工Y 和IB的電流測量而得出的一個或多個反饋信號(VJET和I一NET)、 以及用于對從通用供電總線傳輸到直流傳輸線的功率電平進行限制 的控制信號IDC—LIM。用主導正交軸電網電壓VQ一NET除功率需量信 號P+來獲得正交軸電流需量信號(即實際電流需量信號)。還將功 率需量信號功率需量信號？*與電壓需量信號VBUS+進行比較以得出無 功電流需量信號。諸如矢量控制方案之類的適當的控制實現方式可使 用得出的實際電流需量信號和無功電流需量信號來產生用于電網橋 14的半導體電源開關器件的合適的開關模式。
海上推進系統的操作
上述海上推進布局的一種可能的操作實現方式如下。啟動時軸 速度為0，并且提供到供電網橋控制器20的直流傳輸線需量信號 VDC—MOT、皮設置為950伏。只有在啟動期間才使用該直流傳輸線需量信號VDC—M0f并且針對特定驅動配置通常將其設置為常量。啟用電 網橋14中的半導體電源開關器件并使其在電網橋控制器20的控制下 將直流傳輸線電壓(VDC)提升到950伏。
同時，施加到電動機橋控制器18的直流傳輸線電壓需量信號 VDC—MOT"被設置為1000伏。
假設海上推進系統請求為船舶的推進提供推力，則啟用電動機 橋10中的半導體電源開關器件，并且電動機橋控制器18將控制直軸 電流以實現電動機4中必須的通量。在直流傳輸線電壓小于直流傳輸 線電壓需量信號VDC—MOT、寸，電動機橋控制器18中的直流傳輸線控 制器(未示出)將請求電動機4中的一個負正交軸電流(以將電力返 回到直流傳輸線12)，但是由于推進器組件2的轉軸并未旋轉并且 沒有有效的轉軸功率，因此這一操作將被阻止。
當對海上推進系統進行推力請求時，這一請求將作為功率參考
(即功率需量信號P、或速度參考(即速度需量信號N"來直接提 供。可將功率和速度參考從船舶橋上的控制桿或從船舶控制系統直接
提供到速度/功率控制器24，并且其在圖1中被標記為船舶控制指令。 作為速度控制回路的一部分的速度/功率控制器24將參考由速度傳 感器22檢測到的電動機4的實際速度N來把速度需量信號N、專換為 功率需量信號P*。向電網橋控制器20施加功率需量信號P、各引起直 流傳輸線電壓增加。一旦直流傳輸線電壓達到由直流傳輸線電壓需量 信號VDC_M0T*設置的電平，則電動機橋控制器18的直流傳輸線控制 器將開始請求正的正交軸電流，從而力圖將直流傳輸線電壓限制在期 望的設置電平，并且將開始對推進器組件2的轉軸進行加速。
在直流傳輸線電壓大于直流傳輸線電壓需量信號VDC一M0f時， 禁用電網橋控制器20中的電壓控制。
由從功率需量信號P、導出的信號來對通過電網橋14傳輸的電力 量進行限制。
一旦實現了初始穩態，電源轉換器就工作在動態方式下以適應 推力請求的變化。例如，對于增加的推力請求(即對于增加的功率需 量信號P"，電網橋控制器20使得電網橋14從供電網將更多的電力導入到直流傳輸線12。導入到直流傳輸線12中的電力量的增加導 致了直流傳輸線電壓的增加。電動機橋控制器18響應于直流傳輸線 電壓的這一增加而使得電動機橋10得到更多的直流傳輸線12的功率 輸出，并且電動機橋控制器18將這一功率輸出提供到電動機4，直 到實現新的穩態(即從供電網提供到直流傳輸線12的電力量等于從 直流傳輸線提供到電動機4的電力量)。在這種穩態下，直流傳輸線 電壓與直流傳輸線電壓需量信號VDC—M0f匹配。對于減小推力的請 求則進行相反的控制動作。
圖2中示出的供電網是一個"薄弱電網"，因為總發電能力與 總負載相匹配。在發生(由于打開變壓器32而引起的)供電網電壓 急降的情況下，電源轉換器將檢測這一減小的電壓，該減小的電壓被 看作是由三相電壓測量VR、 VY和VB得出的反饋信號V—NET中的改變， 并且電網橋控制器20將設置適當的無功電流需量信號，從而將無功 電流提供回通用供電總線。這將有助于補償被變壓器32抽取的電流 并恢復供龜網中的電壓。
在通用供電總線某處的一些故障引起供電網電壓有所減小的情 況下，則電源轉換器將把功率需量信號P、殳置為0，并將把無功電流 提供回通用供電總線，直到供電網電壓恢復的時刻。(在實際操作中， 當故障持續存在時，可以有效地由電網橋控制器20實現這一操作而 不考慮由速度/功率控制器24提供的功率需量信號P*。)這期間， 直流傳輸線電壓由電動機橋10以及推進器組件2的運動和船舶動力 二者中的動能來保持。
為了改善電源轉換器的瞬變響應，在電動機橋控制器和電網橋 控制器之間傳遞兩個控制信號。具體地說，電網橋控制器20向電動 機橋控制器18提供功率前饋信號POWER—FF，該功率前饋信號表示了 對通過供電網橋14傳輸到直流傳輸線12中的電力量的指示。因此在 直流傳輸線電壓實際開始增加或減小之前，功率前饋信號POWER—FF 向電動機橋控制器18提供對功率通量水平中的變化的預先通知。電 動機橋控制器18提供一指定了直流傳輸線電流限制的控制信號 IDC—LIM。這一控制信號根據電動機4的轉軸速度和加速限制來向電網橋控制器20提供了關于電動機橋控制器18可接收多少附加電流的限制。
海上推進布局在實際應用中的實現
海上推進布局結構可實現為如下方式。電動機橋18和電網橋14 的每一個都可使用適當額定功率的MV3000液冷DELTA反相器模塊來 實現。這是一個適于以最大690V電壓操作的基于IGBT的電壓源反相 器模塊。電動機橋18和電網橋14的每一個都可使用PEC控制器來實 現。這是一個可提供全部必要控制功能并提供實現電源轉換器所需點 火模式生成的基于微處理器的電子可編程控制器。電源管理系統可在 AMC控制器上實現。這是一個被設計來用于分布式控制系統的基于微 處理器的電子控制器。這些產品全部由Converteam Ltd來提供，該 公司地址是Boughton Road， Rugby， Warwickshire CV21 1BU， United Kingdom。
控制器結構提出了兩個獨立的控制器，這兩個控制器通過將控 制信號從電動機橋控制器18發送到電網橋控制器20并且反之亦然的 方式來聯系。這同樣適于將控制器的功能部件集成到一個物理控制器 上的情況。類似地，如果對于電源轉換器的實際應用中的實現有利， 還可以將這些功能部件分布在多于兩個控制器的范圍內。
所提出的電源轉換器可被用于將船舶的主推進驅動器或推力驅 動器連接到供電網。在每種情況下，功率和速度參考可由船舶控制系 統提供到速度/功率控制器24。在某些情況下，船舶控制系統可包括 動態定位系統來為各種推進單元提供參考，從而控制船舶的航向和位 置。
權利要求
1.一種電源轉換器，其能夠用來將要求可變電壓并操作于可變頻率的電動機連接到提供標稱固定的電壓和標稱固定的頻率的供電網，所述電源轉換器包括第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動機的定子并包括多個半導體電源開關器件；第二有源整流器/反相器，其包括多個半導體電源開關器件；直流傳輸線，其連接在第一有源整流器/反相器和第二有源整流器/反相器之間；濾波器，其連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間，該濾波器包括網絡接線端；用于第一有源整流器/反相器的第一控制器；以及用于第二有源整流器/反相器的第二控制器；其中第一控制器使用一個指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信號，以控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現與直流傳輸線電壓需量信號對應的期望的直流傳輸線電壓電平；并且其中第二控制器使用一個指示了將通過第二有源整流器/反相器從供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平的功率需量信號，并使用一個指示了將在濾波器的網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號，以控制第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現與功率需量信號和電壓需量信號對應的期望的功率電平和電壓電平。
2. 如權利要求1所述的電源轉換器，其中所述第一控制器使用 指示了將在電動機內實現的期望通量水平的通量需量信號來對第一 有源整流器/反相器的半導體電源開關器件進行控制，從而產生了在 電動機中實現了期望的通量的定子電量。
3. 如權利要求1或2所述的電源轉換器，其中所述第一控制器將指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信號與一個直 流傳輸線電壓反饋信號進行比較，以確定一個轉矩需量信號，該信號 指示了將在電動機中實現的期望的轉矩水平，并且所述第一控制器控 制第一有源整流器/反相器的半導體電源開關，以產生在電動機中實 現期望轉矩的定子電量。
4. 如之前任意一個權利要求所述的電源轉換器，其中所述第一控制器向第二控制器提供一個隨電動機主導狀況而變化的控制信號， 并且所述第二電動機使用該控制信號來限制通過第二有源整流器/反 相器從供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平。
5. 如之前任意一個權利要求所述的電源轉換器，其中所述第二 控制器將指示了要通過第二有源整流器/反相器從供電網傳輸到直流 傳輸線的功率電平的功率需量信號轉換成針對第二有源整流器/反相 器的正交軸電流需量信號，該正交軸電流需量信號指示了要在供電網 中實現的期望的正交軸電流，并且所述第二控制器控制第二有源整流 器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實現了期望的正 交軸電流的濾波器/供電網電量。
6. 如權利要求5所述的電源轉換器，其中用由濾波器的網絡接 線端處的電壓得出的信號除功率需量信號來將所述功率需量信號轉 換成正交軸電流需量信號。
7. 如權利要求3所述的電源轉換器，其中所述第二控制器使用 另一個指示了期望的直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信號，并 將所述另一個直流傳輸線電壓需量信號與直流傳輸線電壓反饋信號 進行比較，以確定針對第二有源整流器/反相器的正交軸電流需量信 號，該正交軸電流需量信號指示了要在供電網中實現的期望的正交軸 電流。
8. 如權利要求7所述的電源轉換器，其中所述第二控制器控制 第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實現了期望的正交軸電流的濾波器/供電網電量。
9. 如之前任意一個權利要求所述的電源轉換器，其中將指示了 供電網電力的信號從第二控制器提供到第一控制器。
10. 如權利要求9所述的電源轉換器，其中將所述指示了供電 網電力的信號添加到第一控制器中的直流傳輸線控制器的輸出中，并 將其用于確定電動機中的期望的轉矩水平。
11. 如之前任意一個權利要求所述的電源轉換器，其中所述第 二控制器將指示了要在濾波器的網絡接線端實現的電壓電平的電壓 需量信號與一個在濾波器的網絡接線端測量到的電壓反饋信號進行 比較，以確定針對第二有源整流器/反相器的直軸電流需量信號，并 且所述第二控制器控制第二有源整流器/反相器的半導體電源開關， 以產生在供電網中實現了期望直軸電流的濾波器/供電網電量。
12. 如權利要求11所述的電源轉換器，其中所述第二控制器根 據供電網電壓主導狀況來修正直軸電流需量信號。
13. 如之前任意一個權利要求所述的電源轉換器，其中由功率 控制器來提供所述功率需量信號。
14. 如權利要求13所述的電源轉換器，還包括速度傳感器或測 速器，用于得出指示了電動機運動部件的速度的速度信號，并且其中 所述功率控制器使用所述速度信號得出功率需量信號。
15. 如權利要求13或14所述的電源轉換器，其中所述功率控 制器從船舶控制系統接收功率需量信號和速度需量信號中的一個或
16. —種包含多個如之前任意一個權利要求所述的電源轉換器 的設備，這些電源轉換器述連接到提供標稱固定電壓和標稱固定頻率 的供電網的通用供電總線上，其中將指示了將在每個電源轉換器的濾 波器網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號從電源管理系統提供 到每個電源轉換器的第二控制器。
17. 如權利要求16所述的設備，其中單個電源轉換器的每一個 都包括電連接在相關濾波器和通用供電總線之間的降壓變壓器。
18. —種推進單元，其包括 電動機，其具有定子和轉子；推進器組件，其至少包括一個通過電動機的轉子來旋轉的葉片;以及如權利要求1到15任意一個所述的電源轉換器。
19.一種船舶，其包括供電網，其提供標稱固定電壓和標稱固定頻率并具有通用供電總線；以及多個如權利要求18所述的推進單元；其中所述多個推進單元各自的電源轉換器被連接到通用供電總 線，并且其中由電源管理系統來提供指示了將在每個電源轉換器的濾 波器網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號。
20. —種操作電源轉換器的方法，該電源轉換器可用于將要求 可變電壓并操作于可變頻率的電動機連接到提供標稱固定電壓和標 稱固定頻率的供電網，該電源轉換器包括第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動機的定子并包括多個半導體電源開關器件；第二有源整流器/反相器，其包括多個半導體電源開關器件； 直流傳輸線，其連接在第一有源整流器/反相器和第二有源整流 器/反相器之間；濾波器，其連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間，該濾 波器包括網絡接線端；用于第一有源整流器/反相器的第一控制器；以及用于第二有源整流器/反相器的第二控制器；其中所述方法包括步驟第一控制器使用一個指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線 電壓需量信號，以控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開關器 件來實現與直流傳輸線電壓需量信號對應的期望的直流傳輸線電壓 電平；以及第二控制器使用一個指示了將通過第二有源整流器/反相器從 供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平的功率需量信號，并使用一個指 示了將在濾波器的網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號，以控制 第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現與功率需量信 號和電壓需量信號對應的期望的功率電平和電壓電平。
21. 如權利要求20所述的方法，還包括步驟第一控制器使用 指示了將在電動機內實現的期望通量水平的通量需量信號來對第一 有源整流器/反相器的半導體電源開關器件進行控制，從而產生了在 電動機中實現了期望的通量的定子電量。
22. 如權利要求20或21所述的方法，還包括步驟第一控制 器將指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信號與一個 直流傳輸線電壓反饋信號進行比較，以確定一個轉矩需量信號，該轉 矩需量信號指示了將在電動機中實現的期望的轉矩水平；以及第一控 制器控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開關，以產生在電動 機中實現了期望轉矩的定子電量。
23. 如權利要求20到22任意一個所述的方法，還包括步驟 第一控制器向第二控制器提供一個隨電動機主導狀況而變化的控制 信號，并且第二控制器可使用該控制信號來限制通過第二有源整流器 /反相器從供電網傳輸到直流傳輸線的功率電平。
24. 如權利要求20到23任意一個所述的方法，還包括步驟 第二控制器將指示了要通過第二有源整流器/反相器從供電網傳輸到 直流傳輸線的功率電平的功率需量信號轉換成針對第二有源整流器/ 反相器的正交軸電流需量信號，該正交軸電流需量信號指示了要在供 電網中實現的期望的正交軸電流，并且第二控制器控制第二有源整流 器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實現了期望的正 交軸電流的濾波器/供電網電量。
25. 如權利要求24所述的方法，其中用由濾波器的網絡接線端 處的電壓得出的信號除功率需量信號來將功率需量信號轉換成正交 軸電流需量信號。
26. 如權利要求22所述的方法，還包括步驟第二控制器使用 另一個指示了期望的直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信號，并 將所述另一個直流傳輸線電壓需量信號與直流傳輸線電壓反饋信號 進行比較，以確定針對第二有源整流器/反相器的正交軸電流需量信 號，該正交軸電流需量信號指示了要在啟動狀態期間在供電網中實現 的期望的正交軸電流。
27. 如權利要求26所述的方法，還包括步驟第二控制器控制 第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來產生在供電網中實 現了期望的正交軸電流的濾波器/供電網電量。
28. 如權利要求20到27任意一個所述的方法，還包括步驟 將指示了供電網電力的信號從第二控制器提供到第一控制器。
29. 如權利要求28所述的方法，其中將該指示了供電網電力的 信號添加到第一控制器中的直流傳輸線控制器的輸出中，并將其用于 確定電動機中的期望的轉矩水平。
30. 如權利要求20到29任意一個所述的方法，還包括步驟 第二控制器將指示了要在濾波器的網絡接線端實現的電壓電平的電 壓需量信號與一個在濾波器的網絡接線端測量到的電壓反饋信號進 行比較，以確定針對第二有源整流器/反相器的直軸電流需量信號， 并且第二控制器控制第二有源整流器/反相器的半導體電源開關，以 產生在供電網電壓出現急降狀況期間在供電網中實現了期望直軸電 流的濾波器/供電網電量。
31. 如權利要求30所述的方法，其中第二控制器根據在供電網 電壓出現急降狀況期間供電網電壓主導狀況來修正直軸電流需量信號
32. 如權利要求20到31任意一個所述的方法，其中由功率控 制器來提供功率需量信號。
33. 如權利要求32所述的方法，還包括步驟得出指示了電動 機運動部件的速度的速度信號，并且功率控制器使用該速度來得出功 率需量信號。
34. 如權利要求32或33所述的方法，還包括步驟功率控制 器從船舶控制系統接收功率需量信號和速度需量信號中的一個或兩 個o
35. —種操作多個如權利要求1到15的任意一個所述的電源轉 換器的方法，這些電源轉換器連接到提供標稱固定電壓和標稱固定頻率的供電網的通用供電總線上，所述方法包括步驟將指示了將在每 個電源轉換器的濾波器網絡接線端上實現的電壓的電壓需量信號從 電源管理系統提供到每個電源轉換器的第二控制器。
36. —種操作推進單元的方法，該推進單元包括要求可變電 壓并操作于可變頻率且具有定子和轉子的電動機；推進器組件，其至 少包括一個通過電動機的轉子來旋轉的葉片；以及電源轉換器，其將 電動機連接到提供標稱固定電壓和標稱固定頻率的供電網，該電源轉 換器包括第一有源整流器Z反相器，其被電連接到電動機的定子并包括多個半導體電源開關器件；第二有源整流器/反相器，其包括多個半導體電源開關器件； 直流傳輸線，其連接在第一有源整流器/反相器和第二有源整流器/反相器之間；-濾波器，其連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間，該濾波器包括網絡接線端；用于第一有源整流器/反相器的第一控制器；以及用于第二有源整流器/反相器的第二控制器；其中響應于推進單元的期望推力的改變，所述方法包括步驟 控制第二有源整流器/反相器，以改變導入到直流傳輸線中的功率電平，從而使得直流傳輸線電壓從期望的電平發生變化；以及控制第一有源整流器/反相器，以通過第一有源整流器/反相器將足夠的電流從直流傳輸線導出到電動機，從而將直流傳輸線電壓恢復到期望的電平并實現期望的推力。
全文摘要
一種電源轉換器，其將要求可變電壓和頻率的電動機(4)連接到提供標稱固定電壓和頻率的供電網，包括第一和第二有源整流器/反相器(10，14)；直流傳輸線，連接在第一和第二有源整流器/反相器之間；濾波器(16)，連接在第二有源整流器/反相器和供電網之間；第一控制器(18)，使用直流傳輸線電壓需量信號VDC_MOT^*控制第一有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現期望的直流傳輸線電壓電平；第二控制器(20)，使用功率需量信號P^*和電壓需量信號VBUS^*控制第二有源整流器/反相器的半導體電源開關器件來實現期望的功率電平和電壓電平。電源轉換器可用于海上推進系統，電動機轉子驅動推進器組件(2)。
文檔編號H02P27/12GK101304234SQ20081009617
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月9日 優先權日2007年5月11日
發明者克里斯托夫·牛頓, 羅德尼·瓊斯 申請人:康弗蒂姆有限公司