基于矩陣變換器的電力推進船舶變頻調速系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及船舶電力推進技術領域，具體涉及一種基于矩陣變換器的電力推進船 舶變頻調速系統。
【背景技術】
[0002] 現代船舶電力推進技術的核心是變頻調速系統。目前應用于船舶電力推進系統中 的變頻技術有周波（Cyclo)變頻器，電流源逆變器型（CurrentSourceInverter，CSI)變 頻器，電壓源逆變器型（VoltageSourceInverter，VSI)變頻器。按原理劃分周波變頻器 為交流一交流變頻器，電流源逆變器型變頻器與電壓源逆變器型變頻器屬于交流一直流一 交流變頻器。按整流方式的不同又可將交流一直流一交流變頻器分為6脈沖整流，12脈沖 整流，主動前端（ActiveFrontEnd，AFE)整流等類型。周波變頻器的主要缺點是輸出頻率 受電網頻率限制，通常僅能為電網頻率的1/3左右。交流一直流一交流變頻器主要缺點是 需要大型的能量存儲模塊（大電感或大電容），且能量不能回饋，通常需要設置制動電阻來 消耗回饋的能量。
[0003] 矩陣變換器是一種新型的變頻器技術，屬于交流一交流類型。具有可實現輸入電 流和輸出電流正弦化，沒有大體積的儲能環節，能量可雙向流動等一些列優點。已經成功應 用于電力戰車，風力發電，航空器控制等領域。其優良特性對船舶電力推進也有一定價值， 可減小變頻器體積，提高電能質量，能量雙向流動。矩陣變換器的缺點是電壓利用率不高， 對于三相一三相矩陣變換器，使用AV調制方法的電壓利用率僅為0. 5,使用雙空間矢量調 制算法的電壓利用率為〇. 866。
[0004] 多相電機與三相電機相比，具有許多優點。因為電機相數的增加，使得在總功率不 變的情況下，每一相輸出功率減少，有效地降低了每一個橋臂上功率器件的等級；相數的增 多，輸出的電磁轉矩脈動頻率越高，轉矩脈動就更小，從而降低了電機在低速運行過程中的 噪音；且多相電機具有容錯能力強的特點。上述優點使得多相電機非常適用于船舶電力推 進系統。
[0005] 專利號為201210110785. 9的中國發明專利《基于多相電機驅動多相電機控制系 統》提出了一種基于3*3n的矩陣變換器結構驅動六相電機，該發明直接利用三相一六相矩 陣變換器，驅動六相電機，帶來了電壓利用率低的缺陷，其電壓利用率根據相關公式，只有 0? 75。
[0006] 專利號為201310032954. 6的中國發明專利《電油混合能源轉換電驅動船舶的間 接型矩陣控制系統》提出了一種將間接型矩陣變換器運用于混合電動船舶的方法。其將三 相交流柴油發電機組與間接型矩陣變換器的輸入端AC/DC變換器相連，三相交流推進電動 機與間接型矩陣輸出端DC/AC相連接，直流端可接蓄電池組。但該發明也沒有解決矩陣變 換器電壓利用率低的問題，且系統的冗余度低，矩陣變換器為核心，一旦出現故障，全船推 進電力系統將陷入癱瘓的狀況。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種電壓利用率高、能實現能量能雙向流動、體積小、功率 密度高、且冗余性能好的基于矩陣變換器的電力推進船舶變頻調速系統。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明提供的一種基于矩陣變換器的電力推進船舶變頻調 速系統，它包括六相永磁同步電機、螺旋槳、矢量控制單元、兩個移相變壓器和矩陣變換器， 其中，所述每個移相變壓器的初級繞組均連接船舶三相電網，每個移相變壓器的次級繞組 均連接對應的矩陣變換器的信號輸入端，每個矩陣變換器的信號輸出端連接六相永磁同步 電機對應的信號輸入端，六相永磁同步電機的輸出軸連接螺旋槳，所述六相永磁同步電機 的狀態反饋信號感應接口連接矢量控制單元的電機狀態反饋信號感應端，所述矩陣變換器 的信號輸入端連接矢量控制單元的電壓信號感應端，矢量控制單元兩個控制信號輸出端分 別連接對應矩陣變換器的控制信號輸入端。
[0009] 基于矩陣變換器的電力推進船舶變頻調速系統還包括兩個鉗位模塊，所述每個鉗 位模塊的一端連接對應矩陣變換器的信號輸入端，每個鉗位模塊的另一端連接對應矩陣變 換器的信號輸出端。
[0010] 基于矩陣變換器的電力推進船舶變頻調速系統還包括兩個濾波模塊，所述每個移 相變壓器的次級繞組通過對應的濾波模塊連接相應的矩陣變換器。
[0011] 所述矢量控制單元包括轉速設定模塊、轉速調節器、坐標變換模塊、電流滯環比較 器、轉速信號感應器、轉角信號感應器、電流信號感應器、電壓信號感應器、電壓信號相位檢 測模塊、雙向開關生成模塊和比較器，其中，所述轉速信號感應器、轉角信號感應器和電流 信號感應器分別用于感應六相永磁同步電機的各種對應狀態反饋信號，所述電壓信號感應 器用于感應矩陣變換器的輸入端電壓，所述轉速設定模塊和轉速信號感應器的信號輸出端 分別連接比較器的兩個輸入端，比較器的輸出端連接轉速調節器的信號輸入端，轉速調節 器的信號輸出端連接坐標變換模塊的第一信號輸入端，坐標變換模塊的參考電流信號設置 為預設值，轉角信號感應器的信號輸出端連接坐標變換模塊的第二信號輸入端，坐標變換 模塊的信號輸出端連接電流滯環比較器的第一信號輸入端，電流信號感應器的信號輸出端 連接電流滯環比較器的第二信號輸入端，所述電流滯環比較器的信號輸出端連接雙向開關 生成模塊的第一信號輸入端，所述電壓信號感應器的信號輸出端通過電壓信號相位檢測模 塊連接雙向開關生成模塊的第二信號輸入端，所述雙向開關生成模塊的兩個信號輸出端分 別連接對應矩陣變換器的控制信號輸入端。
[0012] 本發明的基本工作原理為：
[0013] 從船舶三相電網得到的三相電經移相變壓器得到兩組相位相差180°電角度的三 相電，即六相電，并經濾波電路后輸入至矩陣變換器。鉗位電路的作用是避免輸入端過流或 輸出端過壓。矩陣變換器再輸出控制信號給六相永磁同步電機，電機的輸出軸接螺旋槳，推 進船舶前進。
[0014] 本發明的有益效果：
[0015] 本發明通過利用一種六相一一三相拓撲結構的矩陣變換器，改善了傳統三相一一 三相矩陣變換器電壓利用率低的缺陷，也保持了傳統矩陣變換器功率密度高，諧波含量低， 能量能雙向流動的特點。為了使系統具有良好的可靠性，采用了六相永磁同步電機的組合。 此外為了達到良好的控制特性，如快速性，穩定性采用了矢量控制策略。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明的結構框圖；
[0017] 圖2為本發明中六相至三相矩陣變換器的雙向開關電路結構圖；
[0018] 圖3為本發明中矢量控制單元的結構框圖；
[0019] 圖4為本發明的A、B、C三相電流滯環比較表；
[0020] 圖5為本發明的電壓信號分區示意圖；
[0021] 圖6為本發明的各區域電壓信號選擇表
[0022] 圖7為當電壓處于區域1中時，與A，B，C三相電流滯環控制結合得到的開關示意 圖。其中黑點表示開關閉合，白點表示斷開。
[0023] 其中，1 一移相變壓器、2-濾波模塊、3-鉗位模塊、4 一矩陣變換器、5-矢量控制 單元、5. 1-轉速設定模塊、5. 2-轉速調節器、5. 3-坐標變換模塊、5. 4-電流滯環比較器、 5. 5-轉速信號感應器、5. 6-轉角信號感應器、5. 7-電流信號感應器、5. 8 -電壓信號感應 器、5. 9 -電壓信號相位檢測模塊、5. 10-雙向開關生成模塊、5. 11 -比較器、6-六相永磁 同步電機、7-螺旋槳、8-船舶三相電網、5. 9.A~5.9.F表示六相電，5. 9. 1~5. 9. 6表示 六相電壓將一個周期（2Ji)平均分成的六個區域。
【具體實施方式】
[0024] 以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明：
[0025] 如圖1~7所示的基于矩陣變換器的電力推進船舶變頻調速系統，它包括六相永 磁同步電機6、螺旋槳7、矢量控制單元5、兩個移相變