SVF系列大功率室内式船用变频岸电电源设备是我司系列化标准产品,该系列产品专门应用于港口码头、修造船厂、浮船坞、船舶、海洋钻井平台等室内或机舱的使用环境,提供高可靠性的大功率变频变压电源供电。该系列产品采用大风量强制风冷散热设计,设备柜体安装可拆清洗式ABS树脂防尘通风过滤网组件,设备防护等级达到IP32,满足船用设备的设计标准和规范。该系列产品采用拼装式标准模块结构设计,可根据客户要求灵活进行不同的设备布局设计和多种单套电源功率容量的设计,单套电源功率容量可达12MVA。该系列产品采用如下我司专有技术和所具有的特点:
1.1、采用我司专有的大风量强制风冷散热技术及柜体防尘保护技术,在保证柜内设备充足的散热风量前提下,柜体的防护等级达到IP32,从而确保设备在较恶劣的使用环境下免受灰尘、潮气的影响并且能100%满容量长时间安全可靠运行。
1.2、采用目前最新的瞬时电压波形控制技术。输出电压波动≤0.5V;100%负荷突加/减时输出电压有效值瞬间变化(电压暂升暂降)≤3%,并且在0.5个基波周期内恢复到额定输出电压值。
1.3、采用我司专有的逆变器输出端三阶正弦滤波技术。大大降低正弦滤波器的输出阻抗,提升输出电源质量。
1.4、采用我司模块驱动信号主从同步并联技术。可实现任意多套变频岸电电源设备无环流并机运行。
1.5、功率开关器件采用德国赛米控(SEMIKRON)公司生产的SKIIP第四代IPM大功率智能功率模块;主控制芯片采用美国TI公司最新一代的TMS320F28335—32位浮点电机控制专用数字信号处理芯片DSP;驱动传输方式采用5MHZ光纤驱动传输;逆变器调制方式采用目前最新的SVPWM空间矢量脉宽调制方式。
输入电源经输入开关送到滤波升压单元。该滤波升压单元是我司针对大功率6脉波整流器输入谐波电流较大,容易对电网产生谐波干扰而特别设计的交流输入电抗器,一方面将非线性的输入电流调理成接近正弦波的输入电流,从而大大降低输入电流的谐波失真度,确保总输入谐波电流THDi≤35%,大大减少对电网产生谐波干扰;另方面将输入电源升压到520V,经整流后直流母线电压为730V,满足1200V功率开关器件的电压使用范围并预留一定的电压余量。该电压余量不能过大也不能过小,电压余量过大会降低功率开关器件的输出功率容量;电压余量过小很容易造成功率开关器件的过电压保护跳闸。(注:1200V功率开关器件的直流过电压保护阀值为950V)6脉波可控硅半控整流器采用一体化的可控硅整流模块组件,可控硅整流模块组件除实现三相全波整流功能外,还可以通过控制可控硅整流半桥实现对直流母线支撑电容的预充电。这是当前最新的大功率逆变器预充电电路方式,比目前国内同类产品采用在直流母线上串接预充电电阻以及并联大功率直流接触器的方式大大简化了预充电电路结构,大幅度地降低了预充电电路发生故障的可能性以及日后的维护成本。在整流器输出的直流母线上安装大容量的DC-LINK支撑电容,为了降低直流母线的纹波电压和提供充足的无功能量,该电容的容量按负荷功率30uF/KW的高标准设计,确保直流母线纹波电压≤3%和整流器输入功率因数≥0.95。直流母线经DC-LINK支撑电容后接到三相逆变桥电路,该三相逆变桥电路采用二电平三相全桥逆变方式,主控板产生的6个上下桥臂互为反相而相与相之间互差120度的SVPWM空间矢量脉宽调制信号,经光纤传输分别驱动3个半桥IPM智能功率模块,从而构成三相全桥逆变主电路输出全功率的三相脉宽调制SVPWM电压方波。(注:SVPWM为空间矢量脉宽调制与SPWM正弦脉宽调制是两种不同的调制生成算法,对于三相逆变桥来说它们的作用是相同的。采用SVPWM调制方式比采用SPWM调制方式可大大减少功率开关器件的损耗,而且采用SVPWM调制方式的三相逆变器输出线电压基波最大值为直流母线侧电压,而采用SPWM调制方式的三相逆变器输出线电压基波最大值仅为直流母线侧电压的85%,所以在输出基波波形不失真的情况采用SVPWM调制方式比采用SPWM调制方式三相逆变器输出的线电压高15%,大大提升了直流母线的电压利用率。所以SVPWM调制方式是目前三相逆变器技术最先进的调制方式。)三相全桥逆变主电路输出的三相脉宽调制电压方波接入正弦滤波器,该正弦滤波器是三阶无源低通三相正弦滤波器。三相逆变主电路输出的三相脉宽调制电压方波经该正弦滤波器滤波后变成纯正的三相电压正弦波。该三相电压正弦波的基波电压幅值取决于SVPWM电压方波的脉宽,三相电压正弦波的基波频率等于SVPWM电压方波的调制频率,通过调整SVPWM电压方波的脉宽和调制频率,从而产生电压可调、频率可调的三相正弦逆变电源。该三相正弦逆变电源经输出隔离变压器变为相应的额定输出电压,经相应的输出开关输出。由于经正弦滤波器后的三相正弦逆变电源已是品质非常好的三相正弦波电源,所以输出隔离变压器可选用低短路阻抗的普通隔离变压器,输出隔离变压器的发热和噪声问题得到大幅度的改善,对于大功率变频岸电电源来说这点较为关键。
不同的输出电压稳压控制方式直接影响输出电压的动态以及静态稳定度。目前国内外同类产品均采用输出电压有效值反馈控制的方式,通过对输出电压、电流的有效值检测,将输出电压、电流的有效值作为反馈量与输出电压有效值的设定值进行PID运算反馈控制,构成以输出电源电压有效值为外环,输出电流有效值为内环的双环有效值稳压控制方式。由于输出电压、电流有效值的检测必须大于1个周期甚至需计算几个周期的平均值才能得到准确的有效值数据,所以也就只能控制1个或几个周期的PWM电压方波脉冲宽度,造成输出电压响应速度慢以及动静态稳定度较差。当输出有较大的冲击性负荷电流时输出电压有较大的暂升暂降现象,输出电压呈较“软”的特性,对于一些对电能质量要求较高的用电负荷设备容易造成过压或欠压告警。针对该问题,我司率先在变频电源行业研发成功瞬时电压波形控制技术。该技术最大的特点是将输出电压有效值的检测改为瞬时值检测,将输出电压、电流的瞬时值作为反馈量与输出电压瞬时值的设定值进行PID运算反馈控制,构成以输出电源电压瞬时值为外环,输出电流瞬时值为内环的双环瞬时值稳压控制方式,这样就可以对每个PWM电压方波脉冲的宽度进行控制。在逆变器的开关频率为3.6K的情况下,理论上采用瞬时值控制要比有效值控制快60倍以上。目前我司采用瞬时电压波形控制技术的大功率变频电源在100%负荷突加突减时输出电压波形在0.5个周期内恢复到额定电压波形,100%负荷突加突减时输出电压的暂升暂降值≤3%,在空载或较稳定的负荷情况下电压波动≤0.5V,达到目前世界上同类产品的最高水平。
1、高性能和高可靠性
大功率变频岸电电源设备的性能、可靠性和稳定性主要取决于逆变器的电路拓扑结构设计以及功率开关器件的选型。我司生产的SVF系列大功率变频岸电电源设备的功率开关器件采用德国赛米控(SEMIKRON)公司生产的SKIIP第四代IPM大功率智能功率模块。该大功率IPM智能功率模块内置了由生产该功率半导体原厂家根据IGBT特性而设计的最优化门极驱动电路、死区控制电路、过电压过电流和过热等故障检测保护电路,从而确保IGBT功率器件处于最佳的驱动和保护状态,是目前世界上技术最先进、性能最优越的功率开关器件。该大功率IPM智能功率模块单个模块输出电流规格有1800A、2400A、3600A。根据不同的应用设计要求,采用3个大功率IPM智能功率模块即可构成500KVA~1300KVA的三相全桥逆变器(U、V、W相各用1个IPM半桥智能功率模块),对于更大功率容量的逆变器只需采用2~4个IPM智能功率模块并联即可构成十兆瓦级别的超级功率容量逆变器。与目前普遍采用多个小功率IGBT模块并联构成的逆变器相比,采用IPM智能功率模块构成的大功率逆变器具有拓扑电路简单、单个模块输出功率容量大、功率开关器件少、可靠性极高的特点,是目前性能最好、元器件故障点最少、可靠性最高的大功率逆变器拓扑结构设计。
德国赛米控(SEMIKRON)公司是一家国际领先的功率半导体制造商,其生产的SKIIP第四代IPM智能功率模块采用多项SKIIP最新专利技术,是目前世界上技术最先进、性能最优越的功率开关器件。广泛应用于风电、光伏等对可靠性和性能要求极其严格的应用场合和恶劣的使用环境。SKIIP第四代IPM智能功率模块的平均无故障时间超过200万小时,使用寿命是通用型IGBT模块及驱动电路的三倍。从而大大提高大功率变频岸电电源设备的性能以及可靠性和稳定性。
目前国内同类大功率变频岸电电源的生产厂家,由于各厂家对逆变器技术的掌握程度以及成本的考虑,绝大部分厂家都是采用英飞凌或三菱公司生产的通用型400A、500A或600A的小功率IGBT管模块多个并联构成大功率三相全桥逆变器拓扑结构,或是采用需要更多功率开关器件的三个单相逆变器串联组成三相逆变器的拓扑结构。这些结构形式的逆变器最大缺点是功率开关器件多,电路结构复杂和发生故障点多。而且IGBT的驱动和保护电路只能购买通用的或自行制作的IGBT驱动保护电路板,不能对IGBT功率开关器件进行精确的控制和快速的保护。(注:一般情况下IGBT模块的可靠性是比较高的,发生IGBT模块烧毁现象的主要原因是驱动保护电路板的保护性能达不到快速关断IGBT模块而造成的。所以IGBT模块的驱动保护电路具有高技术含量的精密电路设计,购买通用或自行制作的驱动保护电路板往往不能达到较好的IGBT驱动和保护要求。)另方面由于功率开关器件多, IGBT模块需安装在不同的散热器上和采用不同的散热风机系统,造成各个IGBT模块之间的温度相差较大。而IGBT模块的开关特性对温度是极其敏感的,当各个IGBT模块温度稍有不同时会产生很大的环流造成逆变系统不稳定,严重时造成逆变器停止工作或烧毁IGBT模块。所以大功率逆变器不宜采用多个小功率IGBT模块并联的电路拓扑结构形式,应采用大功率IPM智能功率模块的电路拓扑结构形式。大功率逆变器在满足额定功率容量以及过载能力的前提下,采用越少个功率开关器件,逆变系统的可靠性越高和稳定性越好,这点对于高品质要求的大功率变频岸电电源设备是至关重要的。
2、逆变器采用高频设计大大提升输出电源质量
逆变器的开关频率(载波频率)与逆变器的功率容量以及变频电源输出的电源质量关系极大。逆变器开关频率越高变频电源输出的电源质量越好,但IGBT功率开关器件发热量越大。也就是说在相同功率容量的变频电源设备如果采用越高的开关频率设计,则需更大功率容量的IGBT功率开关器件以及散热系统,这样才能保证变频电源设备在高开关频率的情况下,达到额定负荷长时间输出以及承受额定过载能力的要求。
考虑船上的雷达、导航设备、自动化控制系统等精密设备对变频岸电电源设备输出的电源质量有较高的要求,我司生产的SVF系列大功率变频岸电电源设备的逆变器采用3.6KHZ或更高的开关频率设计,完全满足任何船舶对电源质量的要求。(注:由于不同开关频率的设计对变频电源设备的成本有较大影响,具体每套变频电源设备开关频率的设计根据不同的项目有所不同。对于普通船舶的电源应用,逆变器开关频率可采用3.6KHZ的设计,对于石油钻井平台、自动化程度较高的船舶电源应用,逆变器开关频率应采用5KHZ或6KHZ的设计。(重点提示:逆变器开关频率低于3KHZ的设计不宜作为岸电电源对船舶供电。)
3、采用目前最新的高速DSP控制处理芯片和6层PCB主控板
我司生产的SVF系列大功率变频岸电电源设备的主控制芯片采用美国TI公司最新一代的TMS320F28335—32位浮点电机控制专用数字信号处理芯片DSP,主频达150MHZ。该控制芯片最大的特点是可采用浮点运算并且内置硬件PWM发生器、硬件乖法器/累加器;采用哈佛总线结构支持流水线操作等,比目前国内应用较广泛的TI公司上一代TMS320F2810或TMS320F2812定点处理芯片在运算速度及控制精度方面有了大大的提高,更比采用X86系列单片机作为控制器在PWM信号生成、运算速度和控制精度等多个方面都有本质的飞跃,是目前逆变器控制方面技术最先进、性能最好的计算机控制处理芯片。
主控板采用6层PCB 设计,集成了MINI主控制器板、PWM光纤驱动端口、模拟数字信号输入输出端口及带有共模电感的差分信号调理电路、系统高速并行数据总线、CAN总线、485总线、232总线等电路和端口。主控板的集成电路器件均采用工业级别或军用级别的集成块;小型滤波电容器均采用日本品牌固体电解电容器,比一般的电解电容具有更低的ESR和ESL而且长寿命;主控板的电阻采用温度系数为25PPM优质贴片电阻,贴片电容采用日本川田品牌贴片电容,这些有源和无源器件均属世界著名品牌,确保主控板具有极高的可靠性和稳定性。考虑主控板与外部电气连接的可靠性以及维护更换的方便性,主控板的外部接线端子采用昂贵的德国WECO具有防误扦功能的快速接线端子,确保外部电气接线的牢固可靠以及接线整齐美观而且更换方便。主控板安装在具有屏蔽功能的密封敷铝锌钢板箱内,能有效防止EMC和EMI的干扰以及对主控板的防潮防湿保护。
4、采用瞬时电压波形控制技术
SVF系列大功率变频岸电电源设备采用我司最新研发成功的瞬时电压波形控制技术,是目前大功率变频电源行业在输出电压稳压控制技术方面的重大技术进步。该技术颠覆了传统采用输出电压有效值反馈稳压控制方式,大大提升了输出电压的变化响应速度以及动静态的输出电压稳定度,在空载或较稳定的负荷情况下电压波动≤0.5V;在100%负荷突加突减冲击性负荷时输出电压的暂升暂降值≤3%,并且在0.5个基波周期内恢复到额定输出电压值。满足我国最严格的公众大电网电压暂升暂降值≤4%的国家标准规定。这些性能指标是任何采用输出电压有效值反馈稳压控制方式的变频电源都不能达到的。对于负荷设备中需经常起动大功率电动机或负荷设备中有较大的非线性整流负载,采用瞬时电压波形控制技术可大大提高变频电源的输出电能质量,提升变频电源起动大功率电动机的能力以及有效防止负荷设备中对电压波动敏感的精密电器设备发生误动作。
5、采用SVPWM空间矢量脉宽调制技术
SVPWM空间矢量脉宽调制技术是目前最新的三相逆变器脉宽调制生成算法技术,较传统的SPWM正弦脉宽调制技术大大简化了控制算法提高了控制速度和精度。在驱动波形方面,SVPWM空间矢量脉宽调制等于SPWM正弦脉宽调制注入了三次谐波,形成马鞍状的驱动波形。从而减少输出电压的谐波分量以及减小功率开关器件的损耗和发热。另外最大的差别是:采用SVPWM脉宽调制技术的三相逆变器输出线电压的基波最大值等于直流母线电压值,而采用SPWM调制技术的三相逆变器输出线电压的基波最大值仅为直流母线电压的85%,从而提高了直流母线电压的利用率达15%。变频电源输出电压波形在不失真的情况下可有更高的输出电压以及更宽的调压范围。是目前效率最高、性能最好的三相PWM生成算法。
6、采用逆变器输出端三阶正弦滤波技术
SVF系列大功率变频岸电电源设备采用我司专有的逆变器输出端三阶正弦滤波技术。目前在逆变电源正弦滤波技术方面主要有两种不同的方式:一种是仿效小功率UPS电源采用输出变压器内置电抗绕组的一阶正弦滤波器的方式;另一种是针对大功率逆变电源的应用以及冲击性用电负荷特性而特别设计的逆变器输出端三阶正弦滤波器方式。该方式最大的特点是外置三相独立正弦滤波电抗器,正弦滤波电抗器和滤波电容与输出变压器组成三阶低通正弦滤波器。该正弦滤波方式具有如下特点:
(1)正弦滤波器具有较低的输出阻抗。由于正弦滤波电抗器采用外置安装而且三相独立滤波,正弦滤波器与输出变压器形成两个各自独立的系统,正弦滤波器的滤波电抗器和正弦滤波电容可灵活设计,串联在主电路的正弦滤波电抗器可采用较小电感量的设计,降低正弦滤波器的短路阻抗,从而减少正弦滤波器的压降以及冲击性大电流引起输出电压暂升暂降波动的影响。 提升起动大功率电动机及带复杂负荷的能力。
(2)逆变器输出的PWM(脉宽调制)电压方波经外置的正弦滤波器已变成纯正的正弦波,输出变压器的输入电压波形已是正弦波形,所以输出变压器可选用通用型低短路阻抗变压器,变压器的短路阻抗可低于3%。与一阶正弦滤波方式所采用的输出变压器内置电抗绕组的双铁芯滤波专用变压器形式相比,通用型低短路阻抗变压器的短路阻抗远低于内置电抗绕组的双铁芯滤波专用变压器,(注:内置电抗绕组的双铁芯滤波专用变压器的短路阻抗在15%左右)从而大大降低变频岸电电源整个输出回路的阻抗。另外,输出变压器不参与滤波仅起到变压和隔离的作用,输出变压器的噪音和温升较低与普通变压器一样。而内置电抗绕组的输出变压器的主要作用是滤波,变压器的噪音和温升极高,空载时变压器温度达120℃以上,对变压器的寿命产生极大的影响。
(3)由于滤波器采用外置独立滤波形式,滤波电抗器的热量很容易通过自身散热或强制风冷散热得到很好的控制。而采用变压器内置电抗绕组的滤波形式,滤波电抗绕组的热量与变压器产生的热量叠加在一起,而且该类变压器结构相应复杂和体积相应较大,即使用强力的散热风机也很难降低变压器的温度。特别在较大的输出功率容量时,该类变压器由于温升过高容易造成变压器烧毁。所以内置电抗绕组的滤波形式仅适合于小功率低成本的应用场合,不适合大功率变频岸电电源的使用场合。
(4)滤波电抗器和滤波电容与输出变压器或输出电抗器组成三阶低通正弦滤波器,能有效消除逆变器输出的高频du/dt尖峰毛刺电压,对逆变器输出的PWM电压方波滤波效果较好,提升输出电压的电源质量。而内置电抗绕组的滤波输出变压器与输出端并联电容只能组成一阶低通正弦滤波器,对逆变器输出的高频du/dt尖峰毛刺电压不能有效消除,滤波效果较差,如要达到满意的滤波效果则需很大的漏感电抗而造成输出阻抗很大,当有较大的冲击性负荷时输出电压产生较大的暂升暂降电压波动。另外,由于滤波电容与变压器输出端并联,当负荷设备中有较大的谐波电流时很容易造成滤波电容过载而经常烧毁,经常烧毁滤波电容是该滤波形式难以解决的通病。而三阶低通正弦滤波器的滤波电容与输出变压器的输入端连接,负荷端的谐波电流经变压器隔离后对滤波电容影响甚微,滤波电容绝不会发生损坏现象,从而确保正弦滤波器具有极高的可靠性。
虽然内置电抗绕组输出变压器输出端并联电容的一阶正弦滤波方式有输出阻抗高、变压器温升高、滤波电容较易烧毁等的缺点,但由于一阶正弦滤波器制作容易和成本较低,国内同类产品还是较多采用该滤波方式。在实际使用过程中都会不同情度发生上述问题,给用户带来较大的损失和烦恼。而采用滤波电抗器外置三相独立滤波的逆变器输出端三阶正弦滤波技术可彻底解决上述问题。纵观我司多年来采用逆变器输出端三阶正弦滤波技术所生产的大功率变频电源设备,没有发生任何滤波电容烧毁或输出变压器高温发热现象,得到广大专业客户好评。所以对于高性能高可靠性的大功率变频电源设备不能采用仅适合小功率应用场合的内置电抗绕组输出变压器输出端并联电容的一阶正弦滤波方式。特别对于用电负荷较复杂、需要经常起动大功率电动机和对电能质量要求较高的大功率船舶岸电电源的应用场合,更应采用性能更好和可靠性更高的三阶正弦滤波方式。虽然三阶正弦滤波方式所需的元器件相应较多并且成本较高,但该滤波方式可确保变频电源设备的可靠性以及更好的输出电源质量,特别能消除输出变压器高温发热的现象,确保价格较为昂贵的大功率输出变压器安全运行是非常必要的和至关重要的。
7、无主自适应、模块驱动信号主从同步并联技术
采用多套变频岸电电源设备并联运行可实现超大功率容量供电和冗余供电,大大提高变频岸电电源供电系统的灵活性和可靠性。我司生产的SVF系列变频岸电电源设备采用目前最新研发的无主自适应同步并联技术和模块驱动信号主从同步并联技术,实现多套变频岸电电源设备无环流可靠并联运行并且各套变频岸电电源设备输出功率负荷分配完全一致的大功率变频电源并联运行技术难题的突破,客户可根据需要极其方便地进行多套SVF系列变频岸电电源设备并联运行或单台独立运行。
安利SVF系列大功率变频电源并联系统特点:
8、大风量强制风冷散热技术及柜体防尘保护技术
室内式大功率变频电源设备除需对主电路结构、逆变模块、主控制板等主要部件进行认真的选型设计外,还需对变频电源设备的散热系统及机柜的防护等级进行重点的设计。因为大功率变频电源设备在大负荷输出时其逆变模块、输入输出变压器、正弦滤波器等部件会发出大量的热量,需通过大风量风机吸入柜外的室内冷却空气对柜内发热设备进行强制风冷散热,并且需将柜内的散热空气通过风机向柜外排出形成大风量空气循环散热系统。由于室内式大功率变频电源设备需要大风量的空气循环散热,所以给柜体防护等级的设计带来一定的难度和更高的要求。如果柜体防护等级设计过高,则会大幅降低柜体的循环风量而且灰尘很容易堵塞过滤网造成设备散热效果差。一般情况下对于大风量循环散热柜体防护等级设计遵循如下规则:
SVF系列大功率室内式船用变频岸电电源设备技术参数
SVF系列大功率室内式船用变频岸电电源设备型号说明
订货基本数据
选用安利船用变频岸电电源产品时请提供如下数据资料,我司免费为阁下提供详尽的产品方案、报价等售前服务。