文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）11-072-04中图分类号：TP29

★任新民（招商局重工（深圳）有限公司，深圳518054）

关键词：AFE变频；故障；巡航救助船

1　前言

现代化大型巡航救助船围绕国家“交通强国”战略和“一带一路”倡议，并以建设国际一流的现代化专业救助打捞体系为目标规划建造的。该船作为新一代海上救助利器，将为我国的海上经济开发和发展保驾护航，进而提高国家防灾减灾救灾和急难险重突发公共事件处置的保障能力。

该船由上海船舶研究设计院研发设计，是在充分借鉴和传承8000kW、14000kW海洋救助船成功设计建造的基础上，全新开发的全球最先进的深远海全天候大功率多功能综合立体救助船。该船总长136.9米，型宽26.7米，型深11米，建成后具备水面搜寻救助、深远海拖曳救助、海空立体搜寻救助、应急抢险救助、对外消防灭火、信息传输与应急指挥、环境监测保护、深水扫测、援潜救生、饱和潜水、水下救助打捞作业、对外应急补给等功能，将履行南海水上遇险人员、船舶和航空器搜寻救助。

该船设计有三个机舱，具有高航速和大拖力等特点，其配备DP3动力定位系统、全海深多波束系统、水下机器人、深拖系统和具有升沉补偿能力的250吨起重机等特种设备，可独自承担深水应急救助作业，将为南海海上运输、深水油气资源开发等提供安全保障，并可参与全球海上搜救和国际救援行动，保障了我国海上运输通道安全和维护了国家海外利益。

2　拖缆机驱动系统设计

2.1　设计背景

目前我国南海深水油气资源开发尚无大型保障装备配置，本船必将是深水油气资源开发装备远距离救助拖航的主拖船。我国的功勋平台“海洋石油981”，其作业水深可达3000米，要求300吨以上系柱拖力的拖曳能力才能在正常海况下进行拖航，如遇恶劣海洋环境条件，则需提供更大的系柱拖力。为满足上述拖曳需求，本船最大系柱拖力应不小于350吨。根据中国船级社CCS《海上拖航指南》（2011年）拖缆机拖绞力计算和核定，拖缆机在进行拖曳作业时要释放出三分之二绳长。在拖缆机卷筒上尚存有三分之一绳长的情况下，拖缆机拖绞力应与船舶拖曳作业所发出的拖航拖力相当或大于拖航拖力较为合理，因此本船设计配置了500吨拖力的大型拖缆机。

本船又为多功能型现代化船舶，除拖拽外还配备其他功能设施及其辅助系统如管、线等。设施多，设施的操作、维护等所需的人员自然也多，使得船舶空间需求更大。但同时为保证船舶作业的灵活机动性，船舶体积又不能过大，故船舶在设计时如何就空间和功能配套需求问题进行协调，是设计的难点。

综合以上因素，最终本船的拖缆机采用AFE变频驱动控制技术，既能满足大拖力需求，又能省空间，还能提高船舶供电质量，一举三得。

2.2　设计原理

为实现500吨大拖力，同时受电机市场货源影响，本船选用了3相AC690V的拖缆电机。结合电制配置要求：AC6600V/AC400V/AC230V，本船最终选用了3相AC400V作为输入电压，通过变频技术实现3相AC690V输出电压。

变频技术分为AFE（Active Front End Inverter）和DFE（Diode Front End Inverter）：AFE变频器采用主动整流技术，其输入端使用可控硅等器件如IGBT或IGCT等来实现整流过程；DFE变频器采用二极管整流技术，其输入端使用二极管整流桥来实现整流过程。二者在成本、体积及对全船电网影响上互有优劣：AFE成本大、体积小、共模电压影响大；DFE成本小、体积大、共模电压影响小。所以因AFE的共模电压影响大，在使用系数高的电力推进船舶上通常采用DFE的变频技术。

本船的大拖力拖缆机，因其使用系数低、船舶空间紧张等因素，采用了AFE的变频技术。该变频器由前端滤波单元（LCL）、IGBT整流单元、直流母排、IGBT逆变单元组成。AFE变频器采用IGBT作为整流和逆变的功率元器件，并采用正弦脉宽调制模式（SPWM），从而实现变频系统从AC、DC到AC的变频目的。

为实现3相AC690V输出电压，该变频器采用BOOST升压模式，并利用滤波器内电感和电容的储能特性，通过IGBT的开关特性，将输入的AC400V通过整流升压至DC910V；再通过IGBT逆变单元输出3相AC690V供电给拖缆电机。拖缆机配电图如图1所示。

图1 拖缆机配电图

3　拖缆机的调试

本船的拖缆机采用三路主电源供电，其中主电源两路由前机舱AC 400V配电板ASB1的两段母排（BUS-21&BUS-22）提供；备用电源一路由左机舱AC 400V配电板ASB2的母排BUS-24提供，其也为应急电源。在正常工况下，拖缆机由两路主电源供电，当两路主电源故障时，由备用电源提供用于终止安全作业，如图1所示。

3.1　出现的问题

在调试拖缆机变频器时会出现以下问题：

（1）绝缘低报警：拖缆机电源由前机舱AC 400V配电板ASB1提供，母排BUS-21和BUS-22之间的联络开关断开，拖缆机在加速或减速操作时，此两段配电母排（BUS-21&BUS-22）上的绝缘监测装置会发出绝缘低报警；

（2）谐波高报警：同（1）一样的供电和操作情况下，监测前机舱AC 400V配电板ASB1上两段母排的电网质量检测仪，测到的谐波值超过5%，最高值达9%～10%；

（3）共模电压影响：同（1）一样的供电和操作情况下，前机舱AC 400V配电板ASB1会不时出现共模电压，峰值电压达580V，引起该配电板上配备整流单元的设备如其他软启动器、AC/DC电源模块等烧毁；

（4）整流单元内部环流：当拖缆机由一个变压器供电时，即母排BUS-21和BUS-22之间的联络开关闭合时，两组IGBT整流单元之间会出现经由DC 910V直流母排的内部环形电流，该内部环流会引起两个整流单元出现过流而故障，如图2所示。

图2 整流单元内部环流示意图

3.2　原因分析及解决

经不断排查和测试，我们分析出现以上问题的主要原因是变频器内部控制采用了BOOST升压方案而导致。Boost升压电路是六种基本斩波电路之一，也是一种开关型直流升压电路，它可以使输出的电压高于输入的电压。其原理是通过控制开关通断来控制电感存储和释放能量，从而使输出电压比输入电压高，如图3所示。

图3 Boost升压电路示意图

在G导通时，电感L通过图3中的回路1存储能量，此时二极管D截止，后级电路即输出电路由电容C供电；当G截止时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流并不会马上变为0，而是缓慢变成0。原电路已断开，于是电感的电流只能通过图3中的回路2释放能量，此时二极管D导通，电感L给电容C充电，电容两端电压升高，此时输出电压V的输出已经高于输入电压V的输入，实现升压。当G的通断过程不断重复，就可以在电容C的两端得到高于输入电压的电源。

基于上述Boost升压电路的原理，我们提出了分析和解决方案，如下：

（1）分析原因：拖缆机的电源来自AC 400V配电板，而拖缆机电机是AC 690V。拖缆机变频器将输入的AC 400V通过整流升压单元（由LCL滤波单元和IGBT整流单元组成）将电压升至DC 910V，再通过逆变模块转换成AC 690V输出给电机。由于拖缆机变频器采用Boost升压时，须利用整流单元前端LCL滤波单元，因此削弱了前端LCL滤波单元的滤波功能，导致LCL滤波单元的滤波功能失效或降容，即此时LCL滤波单元兼具升压和滤波用途，但二者不可兼得，最终导致变频器内部的谐波及共模电压未能得到有效的抑制和消除。

（2）解决方案：为解决以上问题，须设法消除或隔离变频器的谐波及共模电压。由于变频器Boost升压整流单元是造成谐波及共模电压的根源，故取消整流单元Boost升压模式，仅保持LCL滤波单元的滤波功能。同时为了保证直流母排的电压DC 910V，须将IGBT整流单元的输入电压升至AC 690V，为此须在2台IGBT整流单元的前端各增设一台400VAC/690VAC/1000kVA的升压变压器，如图4所示，此变压器不仅有升压作用，还有隔离功能。

图4 增设升压变压器后电路图

通过在拖缆机变频器调试期间的观察，我们发现AC 230V配电板上配有隔离功能装置如AC/DC电源模块的用电设备一直在正常运行，可以确定变压器对变频器谐波及共模电压有隔离作用。因此，增加升压变压器改变原来的控制方案，同样会起到隔离拖缆机变频器的谐波和共模电压作用，不仅达到了拖缆机工作时不影响AC 400V主配电系统稳定性的目的，也有效防止了谐波和共模电压带来的不利影响。

4  结语

海上的环境比陆地上更多样、更复杂、更多变，因此对装置的设计和应用更苛刻，要求也更高。通过本文对AFE变频技术在大型巡航救助船上的应用及故障分析，希望能加深大家对变频技术的设计及应用要求的了解，并能为AFE变频技术在后续项目上的推广应用提供宝贵经验。

作者简介：

任新民（1966-），男，广东深圳人，副高级工程师，现就职于招商局重工（深圳）有限公司，主要从事船舶和海工修造技术管理工作。

参考文献：

[1] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术第5版[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009 : 123 - 124.

[2] 王志强. 精通开关电源设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008 : 31 - 40.

[3] 中国船级社. 海上拖航指南(2011) [S].

摘自《自动化博览》2023年11月刊