專利名稱：電源轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源轉(zhuǎn)換器，具體地說(shuō)，涉及一種電源轉(zhuǎn)換器，其 能夠用來(lái)將操作于可變電壓及可變頻率的電動(dòng)機(jī)連接到電壓和頻率 標(biāo)稱固定的電源網(wǎng)格或供電網(wǎng)。本發(fā)明還包括這樣的特征，即在供電 網(wǎng)故障和瞬變狀態(tài)時(shí)使得電源轉(zhuǎn)換器保持與供電網(wǎng)的連接并持續(xù)控 制。該電源轉(zhuǎn)換器尤其適用于海上推進(jìn)系統(tǒng)，但并不限于此。
背景技術(shù)：
船舶的推進(jìn)器組件典型地以可變速度在向前和向后兩個(gè)方向上 旋轉(zhuǎn)。由于船舶使用電力和推進(jìn)系統(tǒng)，所以驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器組件的電動(dòng)機(jī) 也將需要在可變頻率(針對(duì)推進(jìn)器組件被電動(dòng)機(jī)—的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)于是 頻率將近似地與推進(jìn)器組件的旋轉(zhuǎn)速度成比例的情況)和可變電壓 (近似地與頻率成比例)下進(jìn)行操作。船舶的電源系統(tǒng)將具有標(biāo)稱固 定的電壓和頻率，因此必須使用電源轉(zhuǎn)換器來(lái)將電動(dòng)機(jī)連接到電源系 統(tǒng)。
電源轉(zhuǎn)換器典型地由以下兩部分構(gòu)成電網(wǎng)橋，其將來(lái)自電源 系統(tǒng)的交流電源調(diào)整為標(biāo)稱固定的直流電壓(直流傳輸線)；以及電 動(dòng)機(jī)橋，其將直流電壓轉(zhuǎn)換為用于電動(dòng)機(jī)的適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?。許多船 舶的電源系統(tǒng)常被認(rèn)為是"薄弱的"，因?yàn)榭偘l(fā)電量非常接近總負(fù)荷。 這意味著當(dāng)連接到電源的大負(fù)載和推進(jìn)系統(tǒng)都啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生顯 著的瞬變(急降)。電源系統(tǒng)上的任何急降或故障將干擾電網(wǎng)橋及其 提供直流電壓的操作。因此對(duì)于電源轉(zhuǎn)換器通常是將其關(guān)閉以避免對(duì) 各種元件造成損壞。對(duì)于許多海上應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種關(guān)閉電源轉(zhuǎn)換器的 要求以及進(jìn)而相關(guān)推進(jìn)設(shè)備的總損失被認(rèn)為是無(wú)法接受的。
因此需要一種改進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換器，其可以在急降或故障的情況 下保持與電源系統(tǒng)的連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電源轉(zhuǎn)換器，其能夠用來(lái)將要求可變電壓并操 作于可變頻率的電動(dòng)機(jī)連接到提供標(biāo)稱固定的電壓和標(biāo)稱固定的頻 率的供電網(wǎng)，所述電源轉(zhuǎn)換器包括
第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動(dòng)機(jī)的定子并包括多 個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)器件；
第二有源整流器/反相器，其包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)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(wǎng)之間，該濾 波器包括網(wǎng)絡(luò)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(gè)指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳
輸線電壓需量信號(hào)，以控制第一有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開 關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)與直流傳輸線電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)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(gè)指示了將通過第二有源整流器/反相 器從供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平的功率需量信號(hào)，并使用一 個(gè)指示了將在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)，以 控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)與功率需
量信號(hào)和電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)的期望的功率電平和電壓電平。
電源轉(zhuǎn)換器可被用于在供電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)期間將電動(dòng)機(jī) 連接到供電網(wǎng)，而且還可包括這樣的特征，即允許工作在供電網(wǎng)電壓 由于供電網(wǎng)上的故障或瞬變而發(fā)生變化的狀態(tài)下。第二控制器還可以 在供電網(wǎng)電壓偏離其正常狀況時(shí)對(duì)第二有源整流器/反相器進(jìn)行控制 來(lái)將電壓支持提供到供電網(wǎng)。
電動(dòng)機(jī)可以是任何類型的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)或線性電動(dòng)機(jī)。示例中將 包括(通過如永久磁鐵或者常規(guī)或超導(dǎo)繞組之類的任何適當(dāng)方式來(lái)激勵(lì)的)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)子可被 連接到推進(jìn)器組件或在瞬變或故障期間要求不脫網(wǎng)運(yùn)行 (ride-through)的任何其他機(jī)械負(fù)載。然而，在機(jī)械負(fù)載無(wú)法從供 電網(wǎng)獲得電力的時(shí)間內(nèi)其必須(以慣性或沖量等形式)保持足夠的能 量來(lái)持續(xù)工作。線性電動(dòng)機(jī)可被用在需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中。
在電動(dòng)機(jī)是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的情況下，第一控制器優(yōu)選地使用指示 了將在電動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的期望通量水平的通量需量信號(hào)來(lái)對(duì)第一有源 整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生了在電動(dòng) 機(jī)中實(shí)現(xiàn)了期望的通量的定子電量。術(shù)語(yǔ)"定子電量"在這里用來(lái)指 單個(gè)相電壓量、單個(gè)相電流量、以及多相電動(dòng)機(jī)中的相位和頻率這些 中的任何一個(gè)和全部。
可以使用按照傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)策略得出的門驅(qū)動(dòng)控制信號(hào) 來(lái)控制第一有源整流器/反相器中的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件的操作。
第一控制器優(yōu)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(hào)與一個(gè)直流傳輸線電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定一個(gè) 轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)，該轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)指示了將在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)的期望的轉(zhuǎn) 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(dǎo)體 電源開關(guān)，以產(chǎn)生在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)了期望轉(zhuǎn)矩的定子電量。在下面詳 細(xì)說(shuō)明的控制實(shí)現(xiàn)過程是基于作為公知和常用技術(shù)的矢量控制。然 而，容易理解到可以使用控制實(shí)現(xiàn)的任何其他適當(dāng)方法來(lái)作為替換 (例如，離散時(shí)間場(chǎng)定向控制(DT-F0C)或直接轉(zhuǎn)矩控制)。
第一控制器優(yōu)選地向第二控制器提供一個(gè)隨電動(dòng)機(jī)主導(dǎo)狀況而 變化的控制信號(hào)。隨后，第二控制器可使用該控制信號(hào)來(lái)限制通過第 二有源整流器/反相器從供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平。因此 控制信號(hào)可以在電動(dòng)機(jī)已達(dá)到其物理性能極限時(shí)(即，例如當(dāng)電動(dòng)機(jī) 已經(jīng)在其最大軸速度或其最大加速率的狀態(tài)下進(jìn)行操作時(shí))來(lái)阻止任 何更多的電力通過第二有源整流器/反相器被導(dǎo)入到直流傳輸線中。
第二控制器優(yōu)選地將指示了要通過第二有源整流器/反相器從 供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平的功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換成針對(duì)第 二有源整流器/反相器的正交軸電流需量信號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電 網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望的正交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。術(shù)語(yǔ)"濾波器/ 供電網(wǎng)電量"在這里用來(lái)指單個(gè)相電壓量、單個(gè)相電流量、多相有源 整流器/反相器系統(tǒng)中的相位和頻率這些中的任何一個(gè)和全部。術(shù)語(yǔ) "多相"典型地是指三相，但也可包括其他的相數(shù)。可以使用按照傳 統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)策略得出的門驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)來(lái)控制第二有源整流 器/反相器中的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件的操作。
可以用由濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端處的電壓得出的信號(hào)除功率需量 信號(hào)來(lái)將功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換成正交軸電流需量信號(hào)。該信號(hào)優(yōu)選地是 由在濾波器的網(wǎng)絡(luò)端上的三相電壓測(cè)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(yōu)選地使用另一個(gè)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(hào)，并將該另一個(gè)直流傳輸線電壓需量信號(hào)與 直流傳輸線電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反 相器的正交軸電流需量信號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在供電 網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)了現(xiàn)期望的 正交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。在下面詳細(xì)說(shuō)明的控制的實(shí)現(xiàn)過 程是基于作為公知和常用技術(shù)的矢量控制。然而，容易理解到可以使 用控制實(shí)現(xiàn)的任何其他適當(dāng)方法來(lái)作為替換(例如，離散時(shí)間場(chǎng)定向 控制(DT-F0C)或直接轉(zhuǎn)矩控制)。
優(yōu)選地，將指示了供電網(wǎng)電力的信號(hào)從第二控制器提供到第一 控制器?？蓪⒃撝甘玖斯╇娋W(wǎng)電力的信號(hào)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(dòng)機(jī)中的期望的轉(zhuǎn)矩水 平。該信號(hào)有效地向第一控制器提供了一個(gè)預(yù)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(dǎo)入到直流傳輸線中。隨后 第一控制器可在導(dǎo)入電力量的變化在直流傳輸線中引起相應(yīng)的變化 之前啟動(dòng)，以確定電動(dòng)機(jī)中的期望的轉(zhuǎn)矩水平。對(duì)于瞬變?cè)騺?lái)說(shuō)這 將是重要的。第二控制器優(yōu)選地將指示了要在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端實(shí)現(xiàn)的電 壓電平的電壓需量信號(hào)與一個(gè)在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端測(cè)量到的電壓 反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器的直軸電流 需量信號(hào)。隨后第二控制器可以控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo) 體電源開關(guān)，以產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望直軸電流的濾波器/供電 網(wǎng)電量。
第二控制器可根據(jù)供電網(wǎng)電壓主導(dǎo)狀況來(lái)修正直軸電流需量信
號(hào)
可由功率控制器來(lái)提供功率需量信號(hào)。
電源轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地還包括速度傳感器，用于得出指示了電動(dòng)機(jī) 運(yùn)動(dòng)部件(即在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)情況下為轉(zhuǎn)子，在線性電動(dòng)機(jī)情況下為變 換器)的速度的速度信號(hào)。然而，在某些情況下該速度傳感器可由測(cè) 速系統(tǒng)代替，該測(cè)速系統(tǒng)對(duì)第一有源整流器/反相器使用內(nèi)部信號(hào)來(lái) 得出速度信號(hào)。隨后功率控制器可利用任何適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)使用(由速 度傳感器或測(cè)速系統(tǒng)得出的)速度信號(hào)得出功率需量信號(hào)。如果適用， 可用一個(gè)或幾個(gè)濾波函數(shù)修正速度信號(hào)以消除任何軸或傳動(dòng)桿的共 振。
功率控制器優(yōu)選地從船舶控制系統(tǒng)(其可選地合并有動(dòng)態(tài)定位 系統(tǒng))接收功率需量信號(hào)和速度需量信號(hào)中的一個(gè)或兩個(gè)?？梢灾苯?從船舶的控制桿等提供功率需量信號(hào)和/或速度需量信號(hào)。
本發(fā)明還提供了一種包含多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，這些電源轉(zhuǎn) 換器如上所述連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率的供電網(wǎng)的 通用供電總線上，其中將指示了將在每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的濾波器網(wǎng)絡(luò)接 線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)從電源管理系統(tǒng)提供到每個(gè)電源 轉(zhuǎn)換器的第二控制器。
單個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的每一個(gè)都包括電連接在相關(guān)濾波器和通用供 電總線之間的降壓變壓器。
該電源轉(zhuǎn)換器尤其適于用在船舶的推進(jìn)單元中。因此本發(fā)明還 提供一種推進(jìn)單元，其包括具有定子和轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)；推進(jìn)器組件， 其至少包括一個(gè)通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子來(lái)旋轉(zhuǎn)的葉片；以及如上所述的電源轉(zhuǎn)換器。推進(jìn)器組件可與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子形成為一體。可選的是，推 進(jìn)器組件被安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的軸上，并且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子被直接或通過 變速箱間接連接到該可旋轉(zhuǎn)的軸上。
船舶中可使用多個(gè)推進(jìn)單元。因此本發(fā)明還提供了一種船舶， 其包括提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率并具有通用供電總線的供 電網(wǎng)，并包括多個(gè)上述的推進(jìn)單元。多個(gè)推進(jìn)單元各自的電源轉(zhuǎn)換器 被連接到通用供電總線，并且其中由電源管理系統(tǒng)來(lái)提供指示了將在 每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的濾波器網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)。
本發(fā)明還提供一種操作電源轉(zhuǎn)換器的方法，該電源轉(zhuǎn)換器可用 于將要求可變電壓并操作于可變頻率的電動(dòng)機(jī)連接到提供標(biāo)稱固定 電壓和標(biāo)稱固定頻率的供電網(wǎng)，該電源轉(zhuǎn)換器包括
第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動(dòng)機(jī)的定子并包括多 個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)器件；
第二有源整流器/反相器，其包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)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(wǎng)之間，該濾 波器包括網(wǎng)絡(luò)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(gè)指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線 電壓需量信號(hào)，以控制第一有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器 件來(lái)實(shí)現(xiàn)與直流傳輸線電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)的期望的直流傳輸線電壓 電平；以及
第二控制器使用一個(gè)指示了將通過第二有源整流器/反相器從 供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平的功率需量信號(hào)，并使用一個(gè)指 示了將在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)，以控制 第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)與功率需量信 號(hào)和電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的期望通量水平的 通量需量信號(hào)來(lái)對(duì)第一有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件進(jìn) 行控制，從而產(chǎn)生了在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)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(hào)與一個(gè)直流傳輸線電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定一個(gè)轉(zhuǎn)矩 需量信號(hào)，該轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)指示了將在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)的期望的轉(zhuǎn)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(dǎo)體電源開 關(guān)，以產(chǎn)生在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)了期望轉(zhuǎn)矩的定子電量。
第一控制器可向第二控制器提供一個(gè)隨電動(dòng)機(jī)主導(dǎo)狀況而變化 的控制信號(hào)。隨后，第二控制器可使用該控制信號(hào)來(lái)限制通過第二有 源整流器/反相器從供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€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(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平的功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換成針對(duì)第二有 源整流器/反相器的正交軸電流需量信號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指 示了要在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí) 現(xiàn)期望的正交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量?？梢杂糜蔀V波器的網(wǎng)絡(luò) 接線端處的電壓得出的信號(hào)除功率需量信號(hào)來(lái)將功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換 成正交軸電流需量信號(hào)。
第二控制器可使用另一個(gè)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(hào)，并將該另一個(gè)直流傳輸線電壓需量信號(hào)與直流 傳輸線電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器 的正交軸電流需量信號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在供電網(wǎng)中 實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望的正交 軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
第二控制器可將指示了供電網(wǎng)電力的信號(hào)提供到第一控制器。 可將該指示了供電網(wǎng)電力的信號(hào)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(dòng)機(jī)中的期望的轉(zhuǎn)矩水平。第二控制器可將指示了要在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端實(shí)現(xiàn)的電壓電 平的電壓需量信號(hào)與一個(gè)在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端測(cè)量到的電壓反饋 信號(hào)進(jìn)行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器的直軸電流需量 信號(hào)，并且第二控制器可控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源 開關(guān)，以產(chǎn)生在供電網(wǎng)電壓出現(xiàn)急降狀況期間在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)期望直 軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
本說(shuō)明書中關(guān)于供電網(wǎng)急降中的術(shù)語(yǔ)"急降"的使用指的是由 于對(duì)稱或不對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)故障狀況，或者僅僅通過連接到供電網(wǎng)的大感 應(yīng)分量(諸如變壓器或諧波濾波器)的切換，使得供電網(wǎng)電壓減小到 其標(biāo)稱值以下。
第二控制器可根據(jù)供電網(wǎng)電壓主導(dǎo)狀況來(lái)修正直軸電流需量信
號(hào)
可由功率控制器來(lái)提供功率需量信號(hào)。
可得出指示了電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的速度的速度信號(hào)，并且功率控 制器可以利用該速度信號(hào)來(lái)得出功率需量信號(hào)。可利用任何適當(dāng)?shù)姆?法來(lái)得出速度信號(hào)，并可用一個(gè)或幾個(gè)濾波函數(shù)來(lái)修正速度信號(hào)，該 濾波函數(shù)還可被用以消除任何軸或傳動(dòng)桿的共振。
本發(fā)明還提供了一種操作多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的方法，這些電源轉(zhuǎn) 換器如上所述連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率的供電網(wǎng)的 通用供電總線上，所述方法包括步驟將指示了要在每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器 的濾波器網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)從電源管理系統(tǒng) 提供到每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的第二控制器。
本發(fā)明還提供一種操作推進(jìn)單元的方法，該推進(jìn)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(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)；推進(jìn)器組 件，其至少包括一個(gè)通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子來(lái)旋轉(zhuǎn)的葉片；以及電源轉(zhuǎn)換
器，其將電動(dòng)機(jī)連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率的供電網(wǎng)，
該電源轉(zhuǎn)換器包括 '
第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動(dòng)機(jī)的定子并包括多 個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)器件；
第二有源整流器/反相器，其包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)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(wǎng)之間，該濾 波器包括網(wǎng)絡(luò)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(yīng)于推進(jìn)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(dǎo)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(fā)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(dǎo)出到電動(dòng)機(jī)，從而將直流傳輸線電壓恢
復(fù)到期望的電平并實(shí)現(xiàn)期望的推力。


圖1是示出如何將根據(jù)本發(fā)明的電源轉(zhuǎn)換器用于在電動(dòng)機(jī)和固
定頻率供電網(wǎng)的供電總線之間進(jìn)行連接的示意圖；以及
圖2是示出如何將根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器連接到供電總
線來(lái)作為海上推進(jìn)系統(tǒng)的一部分。
具體實(shí)施例方式
電源轉(zhuǎn)換器布局
將參考圖1和圖2來(lái)簡(jiǎn)述電源轉(zhuǎn)換器的布局。雖然在上下文中 將電源轉(zhuǎn)換器描述為作為海上電力推進(jìn)系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器，但是容易 理解的是其他應(yīng)用也是可能的。例如，可將電源轉(zhuǎn)換器用作泵、風(fēng)扇、 壓縮機(jī)或其他工業(yè)類型負(fù)載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分。
海上電力推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)器組件2是由可變速度的交流感應(yīng)電 動(dòng)機(jī)4的轉(zhuǎn)子(未示出)驅(qū)動(dòng)的。推進(jìn)器組件2通常將由多個(gè)以固定 間距安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的葉片構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)軸可被直接或通過用于調(diào)整軸 轉(zhuǎn)速的變速箱(未示出)而間接連接到電動(dòng)機(jī)4的轉(zhuǎn)子。推進(jìn)器組件 2必須的轉(zhuǎn)速取決于船舶速度和推進(jìn)所需的推力水平或方向。然而，由于轉(zhuǎn)速是變化的，施加到電動(dòng)機(jī)4的接線端的電壓和頻率也必須是 變化的。
電動(dòng)機(jī)4的接線端被連接到三相電動(dòng)機(jī)橋10的交流接線端，該 三相電動(dòng)機(jī)橋10在正常操作中作為反相器操作來(lái)從交流傳輸線12 向電動(dòng)機(jī)供電。電動(dòng)機(jī)橋10具有傳統(tǒng)的三相兩級(jí)布局，其具有使用 脈寬調(diào)制(PWM)策略來(lái)進(jìn)行完全控制和調(diào)節(jié)的一系列半導(dǎo)體電源開 關(guān)器件。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)橋10可具有諸如三級(jí)夾中性 點(diǎn)布局或多極布局之類的任何適當(dāng)布局。將在下面詳細(xì)描述用于控制 電動(dòng)機(jī)橋10的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件的門驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)的導(dǎo)出。
船舶的供電網(wǎng)(圖2)在標(biāo)稱固定的頻率下操作，并包括從交流 發(fā)電機(jī)28接收電力的通用交流供電總線(標(biāo)記為"BUS")。從供電 總線經(jīng)降壓變壓器6將電力提供到電網(wǎng)橋14的交流接線端，并且由 感應(yīng)器16 (以及其他可能的濾波器)對(duì)電力進(jìn)行濾波?？砂ūＷo(hù) 開關(guān)(未示出)來(lái)提供對(duì)供電總線穩(wěn)定的連接以及針對(duì)各種操作性和 非操作性的需要來(lái)將推進(jìn)系統(tǒng)與供電網(wǎng)分離。
在正常操作中電網(wǎng)橋14作為一個(gè)有源整流器來(lái)操作以從供電總 線向直流傳輸線12供電。電網(wǎng)橋14具有與電動(dòng)機(jī)橋IO類似的三相 兩級(jí)布局，其具有一系列使用PWM策略來(lái)完全控制和調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體電 源開關(guān)器件。然而在實(shí)際應(yīng)用中電網(wǎng)橋14可具有如上針對(duì)電動(dòng)機(jī)橋 IO所述的任何適當(dāng)?shù)牟季?。?duì)電動(dòng)機(jī)橋10的直流輸入電壓的主要控 制是通過控制電動(dòng)機(jī)橋來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂齐娋W(wǎng)橋14以滿足兩個(gè)主要目 的，即有功功率和供電網(wǎng)電壓。下面提供了對(duì)如何實(shí)現(xiàn)這一控制的詳 細(xì)描述。
下面還詳細(xì)描述了用于控制電網(wǎng)橋14的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件的 門驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)的導(dǎo)出。
如在此所述，有源整流(作為電網(wǎng)橋14的主要操作模式)是從 三相電網(wǎng)橋到直流傳輸線的能量轉(zhuǎn)換，并且反相(作為電動(dòng)機(jī)橋10 的主要操作模式)是從三相電動(dòng)機(jī)橋的直流傳輸線到其交流接線端的 能量轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)橋10作為有源整流器來(lái)操作以及將電網(wǎng)橋14作為反相器來(lái)操作的時(shí)候。例如，在船舶正在制動(dòng)的情況下，隨后推進(jìn)系統(tǒng)可能適于支
持恢復(fù)發(fā)電。在這種情況下電動(dòng)機(jī)4被操作在發(fā)電模式下，從而通過 作為有源整流器來(lái)操作的電動(dòng)機(jī)橋10和作為反相器來(lái)操作的電網(wǎng)橋 U來(lái)將電力提供回供電網(wǎng)(或突降電阻器)。
在發(fā)生供電網(wǎng)電壓急降的情況下，電網(wǎng)橋14可根據(jù)需要操作在 有源整流器模式下或反相器模式下，從而將無(wú)功電流提供到供電網(wǎng)中 以抵消引起電壓急降的因素。
海上推進(jìn)系統(tǒng)布局
如上簡(jiǎn)要描述的，可將多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器連接到頻率標(biāo)稱固定的 供電網(wǎng)的通用交流供電總線上，以定義一個(gè)海上推進(jìn)系統(tǒng)。這在圖2 中被示意性示出。電源轉(zhuǎn)換器la到ld的每一個(gè)都包括一個(gè)相應(yīng)的濾 波器16a到16d以及一個(gè)降壓變壓器6a到6d。
在傳統(tǒng)的海上推進(jìn)系統(tǒng)中，期望的供電網(wǎng)電壓通常將由電源管 理系統(tǒng)26設(shè)置，并且被提供給每個(gè)發(fā)電機(jī)28的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR) 30。在圖2的結(jié)構(gòu)中，電源管理系統(tǒng)26還把電壓需量信號(hào)VBUS舉提 供給每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器la到ld。電壓需量信號(hào)VBUSH戈表將要在電源 轉(zhuǎn)換器的正常操作期間在每個(gè)濾波器16a到16d的網(wǎng)絡(luò)接線端實(shí)現(xiàn)的 期望的電壓。
如圖2所示，變壓器32形式的大感應(yīng)元件也被連接到通用供電 總線。
電動(dòng)機(jī)橋控制
電動(dòng)機(jī)橋控制器18將門驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)提供到電動(dòng)機(jī)橋10，使得 半導(dǎo)體電源開關(guān)器件開啟和關(guān)閉，從而將特定電壓施加到電動(dòng)機(jī)4 的接線端。電動(dòng)機(jī)橋控制器18將根據(jù)以下信號(hào)來(lái)選擇要被施加的電 壓，這些信號(hào)為表示了要在電動(dòng)機(jī)4中實(shí)現(xiàn)的期望通量水平的通量 需量信號(hào)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(hào)VDC一M0f、指示了實(shí)際直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓反饋信 號(hào)VDC—FB、由測(cè)量電動(dòng)機(jī)相電流IU、 IV和IW而得出的一個(gè)或多個(gè) 反饋信號(hào)、以及表示了供電網(wǎng)功率指示的功率前饋信號(hào)P0WER一FF。
對(duì)于具體的驅(qū)動(dòng)配置通常將通量需量信號(hào)o、n直流傳輸線電壓需量信號(hào)VDC一M0f設(shè)置為常數(shù)。直流傳輸線電壓需量信號(hào)VDCJ0f與直 流傳輸線電壓反饋信號(hào)VDC—FB之間的差被用來(lái)為電動(dòng)機(jī)4提供轉(zhuǎn)矩 需量信號(hào)。諸如矢量控制方案之類的適當(dāng)?shù)目刂茖?shí)現(xiàn)方式可使用得出 的轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)和通量需量信號(hào)O'來(lái)產(chǎn)生用于電動(dòng)機(jī)橋10的半導(dǎo)
體電源開關(guān)器件的合適的開關(guān)模式。
容易理解的是，如果交流電動(dòng)機(jī)4是一個(gè)同步電機(jī)，則通量需 量信號(hào)d/可被省去。在這種情況下，將僅根據(jù)得出的轉(zhuǎn)矩需量信號(hào) 來(lái)產(chǎn)生用于電動(dòng)機(jī)橋10的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件的開關(guān)模式。
電網(wǎng)橋控制
電網(wǎng)橋控制器20將門驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)提供到電網(wǎng)橋10，使得半導(dǎo) 體電源開關(guān)器件開啟和關(guān)閉，從而將特定電壓施加到濾波器的接線 端。電網(wǎng)橋控制器20將根據(jù)以下信號(hào)來(lái)選擇要被施加的電壓，這些 信號(hào)為由速度/功率控制器24提供并表示了將通過電網(wǎng)橋14從通 用供電總線傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€12的功率電平的功率需量信號(hào)P*、由 電源管理系統(tǒng)26提供并表示了要在濾波器16的網(wǎng)絡(luò)接線端實(shí)現(xiàn)的期 望電壓的電壓需量信號(hào)VBUS+、由電壓測(cè)量VR、 VY和VB(即跨越從 通用供電總線向電網(wǎng)橋M提供電力的稱為紅色(R)、黃色(Y)和 藍(lán)色(B)輸出線而進(jìn)行的三相電壓測(cè)量)和電網(wǎng)橋相電流工R、工Y 和IB的電流測(cè)量而得出的一個(gè)或多個(gè)反饋信號(hào)(VJET和I一NET)、 以及用于對(duì)從通用供電總線傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平進(jìn)行限制 的控制信號(hào)IDC—LIM。用主導(dǎo)正交軸電網(wǎng)電壓VQ一NET除功率需量信 號(hào)P+來(lái)獲得正交軸電流需量信號(hào)(即實(shí)際電流需量信號(hào))。還將功 率需量信號(hào)功率需量信號(hào)？*與電壓需量信號(hào)VBUS+進(jìn)行比較以得出無(wú) 功電流需量信號(hào)。諸如矢量控制方案之類的適當(dāng)?shù)目刂茖?shí)現(xiàn)方式可使 用得出的實(shí)際電流需量信號(hào)和無(wú)功電流需量信號(hào)來(lái)產(chǎn)生用于電網(wǎng)橋 14的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件的合適的開關(guān)模式。
海上推進(jìn)系統(tǒng)的操作
上述海上推進(jìn)布局的一種可能的操作實(shí)現(xiàn)方式如下。啟動(dòng)時(shí)軸 速度為0，并且提供到供電網(wǎng)橋控制器20的直流傳輸線需量信號(hào) VDC—MOT、皮設(shè)置為950伏。只有在啟動(dòng)期間才使用該直流傳輸線需量信號(hào)VDC—M0f并且針對(duì)特定驅(qū)動(dòng)配置通常將其設(shè)置為常量。啟用電 網(wǎng)橋14中的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件并使其在電網(wǎng)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(shí)，施加到電動(dòng)機(jī)橋控制器18的直流傳輸線電壓需量信號(hào) VDC—MOT"被設(shè)置為1000伏。
假設(shè)海上推進(jìn)系統(tǒng)請(qǐng)求為船舶的推進(jìn)提供推力，則啟用電動(dòng)機(jī) 橋10中的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件，并且電動(dòng)機(jī)橋控制器18將控制直軸 電流以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(hào)VDC—MOT、寸，電動(dòng)機(jī)橋控制器18中的直流傳輸線控 制器(未示出)將請(qǐng)求電動(dòng)機(jī)4中的一個(gè)負(fù)正交軸電流(以將電力返 回到直流傳輸線12)，但是由于推進(jìn)器組件2的轉(zhuǎn)軸并未旋轉(zhuǎn)并且 沒有有效的轉(zhuǎn)軸功率，因此這一操作將被阻止。
當(dāng)對(duì)海上推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行推力請(qǐng)求時(shí)，這一請(qǐng)求將作為功率參考
(即功率需量信號(hào)P、或速度參考(即速度需量信號(hào)N"來(lái)直接提 供?？蓪⒐β屎退俣葏⒖紡拇皹蛏系目刂茥U或從船舶控制系統(tǒng)直接
提供到速度/功率控制器24，并且其在圖1中被標(biāo)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(cè)到的電動(dòng)機(jī)4的實(shí)際速度N來(lái)把速度需量信號(hào)N、專換為 功率需量信號(hào)P*。向電網(wǎng)橋控制器20施加功率需量信號(hào)P、各引起直 流傳輸線電壓增加。一旦直流傳輸線電壓達(dá)到由直流傳輸線電壓需量 信號(hào)VDC_M0T*設(shè)置的電平，則電動(dòng)機(jī)橋控制器18的直流傳輸線控制 器將開始請(qǐng)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(shè)置電平，并且將開始對(duì)推進(jìn)器組件2的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行加速。
在直流傳輸線電壓大于直流傳輸線電壓需量信號(hào)VDC一M0f時(shí)， 禁用電網(wǎng)橋控制器20中的電壓控制。
由從功率需量信號(hào)P、導(dǎo)出的信號(hào)來(lái)對(duì)通過電網(wǎng)橋14傳輸?shù)碾娏?量進(jìn)行限制。
一旦實(shí)現(xiàn)了初始穩(wěn)態(tài)，電源轉(zhuǎn)換器就工作在動(dòng)態(tài)方式下以適應(yīng) 推力請(qǐng)求的變化。例如，對(duì)于增加的推力請(qǐng)求(即對(duì)于增加的功率需 量信號(hào)P"，電網(wǎng)橋控制器20使得電網(wǎng)橋14從供電網(wǎng)將更多的電力導(dǎo)入到直流傳輸線12。導(dǎo)入到直流傳輸線12中的電力量的增加導(dǎo) 致了直流傳輸線電壓的增加。電動(dòng)機(jī)橋控制器18響應(yīng)于直流傳輸線 電壓的這一增加而使得電動(dòng)機(jī)橋10得到更多的直流傳輸線12的功率 輸出，并且電動(dòng)機(jī)橋控制器18將這一功率輸出提供到電動(dòng)機(jī)4，直 到實(shí)現(xiàn)新的穩(wěn)態(tài)(即從供電網(wǎng)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(dòng)機(jī)4的電力量)。在這種穩(wěn)態(tài)下，直流傳輸線 電壓與直流傳輸線電壓需量信號(hào)VDC—M0f匹配。對(duì)于減小推力的請(qǐng) 求則進(jìn)行相反的控制動(dòng)作。
圖2中示出的供電網(wǎng)是一個(gè)"薄弱電網(wǎng)"，因?yàn)榭偘l(fā)電能力與 總負(fù)載相匹配。在發(fā)生(由于打開變壓器32而引起的)供電網(wǎng)電壓 急降的情況下，電源轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)這一減小的電壓，該減小的電壓被 看作是由三相電壓測(cè)量VR、 VY和VB得出的反饋信號(hào)V—NET中的改變， 并且電網(wǎng)橋控制器20將設(shè)置適當(dāng)?shù)臒o(wú)功電流需量信號(hào)，從而將無(wú)功 電流提供回通用供電總線。這將有助于補(bǔ)償被變壓器32抽取的電流 并恢復(fù)供龜網(wǎng)中的電壓。
在通用供電總線某處的一些故障引起供電網(wǎng)電壓有所減小的情 況下，則電源轉(zhuǎn)換器將把功率需量信號(hào)P、殳置為0，并將把無(wú)功電流 提供回通用供電總線，直到供電網(wǎng)電壓恢復(fù)的時(shí)刻。(在實(shí)際操作中， 當(dāng)故障持續(xù)存在時(shí)，可以有效地由電網(wǎng)橋控制器20實(shí)現(xiàn)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(hào)P*。)這期間， 直流傳輸線電壓由電動(dòng)機(jī)橋10以及推進(jìn)器組件2的運(yùn)動(dòng)和船舶動(dòng)力 二者中的動(dòng)能來(lái)保持。
為了改善電源轉(zhuǎn)換器的瞬變響應(yīng)，在電動(dòng)機(jī)橋控制器和電網(wǎng)橋 控制器之間傳遞兩個(gè)控制信號(hào)。具體地說(shuō)，電網(wǎng)橋控制器20向電動(dòng) 機(jī)橋控制器18提供功率前饋信號(hào)POWER—FF，該功率前饋信號(hào)表示了 對(duì)通過供電網(wǎng)橋14傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€12中的電力量的指示。因此在 直流傳輸線電壓實(shí)際開始增加或減小之前，功率前饋信號(hào)POWER—FF 向電動(dòng)機(jī)橋控制器18提供對(duì)功率通量水平中的變化的預(yù)先通知。電 動(dòng)機(jī)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(hào) IDC—LIM。這一控制信號(hào)根據(jù)電動(dòng)機(jī)4的轉(zhuǎn)軸速度和加速限制來(lái)向電網(wǎng)橋控制器20提供了關(guān)于電動(dòng)機(jī)橋控制器18可接收多少附加電流的限制。
海上推進(jìn)布局在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)
海上推進(jìn)布局結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)為如下方式。電動(dòng)機(jī)橋18和電網(wǎng)橋14 的每一個(gè)都可使用適當(dāng)額定功率的MV3000液冷DELTA反相器模塊來(lái) 實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)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(dòng)機(jī)橋18和電網(wǎng)橋14的每一個(gè)都可使用PEC控制器來(lái)實(shí) 現(xiàn)。這是一個(gè)可提供全部必要控制功能并提供實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器所需點(diǎn) 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(tǒng)可在 AMC控制器上實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)被設(shè)計(jì)來(lái)用于分布式控制系統(tǒng)的基于微 處理器的電子控制器。這些產(chǎn)品全部由Converteam Ltd來(lái)提供，該 公司地址是Boughton Road， Rugby， Warwickshire CV21 1BU， United Kingdom。
控制器結(jié)構(gòu)提出了兩個(gè)獨(dú)立的控制器，這兩個(gè)控制器通過將控 制信號(hào)從電動(dòng)機(jī)橋控制器18發(fā)送到電網(wǎng)橋控制器20并且反之亦然的 方式來(lái)聯(lián)系。這同樣適于將控制器的功能部件集成到一個(gè)物理控制器 上的情況。類似地，如果對(duì)于電源轉(zhuǎn)換器的實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)有利， 還可以將這些功能部件分布在多于兩個(gè)控制器的范圍內(nèi)。
所提出的電源轉(zhuǎn)換器可被用于將船舶的主推進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或推力驅(qū) 動(dòng)器連接到供電網(wǎng)。在每種情況下，功率和速度參考可由船舶控制系 統(tǒng)提供到速度/功率控制器24。在某些情況下，船舶控制系統(tǒng)可包括 動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)來(lái)為各種推進(jìn)單元提供參考，從而控制船舶的航向和位 置。
權(quán)利要求
1.一種電源轉(zhuǎn)換器，其能夠用來(lái)將要求可變電壓并操作于可變頻率的電動(dòng)機(jī)連接到提供標(biāo)稱固定的電壓和標(biāo)稱固定的頻率的供電網(wǎng)，所述電源轉(zhuǎn)換器包括第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動(dòng)機(jī)的定子并包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)器件；第二有源整流器/反相器，其包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)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(wǎng)之間，該濾波器包括網(wǎng)絡(luò)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(gè)指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線電壓需量信號(hào)，以控制第一有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)與直流傳輸線電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)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(gè)指示了將通過第二有源整流器/反相器從供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平的功率需量信號(hào)，并使用一個(gè)指示了將在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)，以控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)與功率需量信號(hào)和電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)的期望的功率電平和電壓電平。
2. 如權(quán)利要求1所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中所述第一控制器使用 指示了將在電動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的期望通量水平的通量需量信號(hào)來(lái)對(duì)第一 有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生了在 電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)了期望的通量的定子電量。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電源轉(zhuǎn)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(hào)與一個(gè)直 流傳輸線電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定一個(gè)轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)，該信號(hào) 指示了將在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)的期望的轉(zhuǎn)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(dǎo)體電源開關(guān)，以產(chǎn)生在電動(dòng)機(jī)中實(shí) 現(xiàn)期望轉(zhuǎn)矩的定子電量。
4. 如之前任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中所述第一控制器向第二控制器提供一個(gè)隨電動(dòng)機(jī)主導(dǎo)狀況而變化的控制信號(hào)， 并且所述第二電動(dòng)機(jī)使用該控制信號(hào)來(lái)限制通過第二有源整流器/反 相器從供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平。
5. 如之前任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電源轉(zhuǎn)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(wǎng)傳輸?shù)街绷?傳輸線的功率電平的功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換成針對(duì)第二有源整流器/反相 器的正交軸電流需量信號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在供電網(wǎng) 中實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望的正 交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
6. 如權(quán)利要求5所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中用由濾波器的網(wǎng)絡(luò)接 線端處的電壓得出的信號(hào)除功率需量信號(hào)來(lái)將所述功率需量信號(hào)轉(zhuǎn) 換成正交軸電流需量信號(hào)。
7. 如權(quán)利要求3所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中所述第二控制器使用 另一個(gè)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(hào)，并 將所述另一個(gè)直流傳輸線電壓需量信號(hào)與直流傳輸線電壓反饋信號(hào) 進(jìn)行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器的正交軸電流需量信 號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的期望的正交軸 電流。
8. 如權(quán)利要求7所述的電源轉(zhuǎn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望的正交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
9. 如之前任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中將指示了 供電網(wǎng)電力的信號(hào)從第二控制器提供到第一控制器。
10. 如權(quán)利要求9所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中將所述指示了供電 網(wǎng)電力的信號(hào)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(dòng)機(jī)中的期望的轉(zhuǎn)矩水平。
11. 如之前任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中所述第 二控制器將指示了要在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端實(shí)現(xiàn)的電壓電平的電壓 需量信號(hào)與一個(gè)在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端測(cè)量到的電壓反饋信號(hào)進(jìn)行 比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器的直軸電流需量信號(hào)，并 且所述第二控制器控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)， 以產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望直軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
12. 如權(quán)利要求11所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中所述第二控制器根 據(jù)供電網(wǎng)電壓主導(dǎo)狀況來(lái)修正直軸電流需量信號(hào)。
13. 如之前任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中由功率 控制器來(lái)提供所述功率需量信號(hào)。
14. 如權(quán)利要求13所述的電源轉(zhuǎn)換器，還包括速度傳感器或測(cè) 速器，用于得出指示了電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的速度的速度信號(hào)，并且其中 所述功率控制器使用所述速度信號(hào)得出功率需量信號(hào)。
15. 如權(quán)利要求13或14所述的電源轉(zhuǎn)換器，其中所述功率控 制器從船舶控制系統(tǒng)接收功率需量信號(hào)和速度需量信號(hào)中的一個(gè)或
16. —種包含多個(gè)如之前任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電源轉(zhuǎn)換器 的設(shè)備，這些電源轉(zhuǎn)換器述連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率 的供電網(wǎng)的通用供電總線上，其中將指示了將在每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的濾 波器網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)從電源管理系統(tǒng)提供 到每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的第二控制器。
17. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中單個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的每一個(gè) 都包括電連接在相關(guān)濾波器和通用供電總線之間的降壓變壓器。
18. —種推進(jìn)單元，其包括 電動(dòng)機(jī)，其具有定子和轉(zhuǎn)子；推進(jìn)器組件，其至少包括一個(gè)通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子來(lái)旋轉(zhuǎn)的葉片;以及如權(quán)利要求1到15任意一個(gè)所述的電源轉(zhuǎn)換器。
19.一種船舶，其包括供電網(wǎng)，其提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率并具有通用供電總線；以及多個(gè)如權(quán)利要求18所述的推進(jìn)單元；其中所述多個(gè)推進(jìn)單元各自的電源轉(zhuǎn)換器被連接到通用供電總 線，并且其中由電源管理系統(tǒng)來(lái)提供指示了將在每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的濾 波器網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)。
20. —種操作電源轉(zhuǎn)換器的方法，該電源轉(zhuǎn)換器可用于將要求 可變電壓并操作于可變頻率的電動(dòng)機(jī)連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo) 稱固定頻率的供電網(wǎng)，該電源轉(zhuǎn)換器包括第一有源整流器/反相器，其被電連接到電動(dòng)機(jī)的定子并包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)器件；第二有源整流器/反相器，其包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)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(wǎng)之間，該濾 波器包括網(wǎng)絡(luò)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(gè)指示了期望直流傳輸線電壓的直流傳輸線 電壓需量信號(hào)，以控制第一有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器 件來(lái)實(shí)現(xiàn)與直流傳輸線電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)的期望的直流傳輸線電壓 電平；以及第二控制器使用一個(gè)指示了將通過第二有源整流器/反相器從 供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平的功率需量信號(hào)，并使用一個(gè)指 示了將在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)，以控制 第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)與功率需量信 號(hào)和電壓需量信號(hào)對(duì)應(yīng)的期望的功率電平和電壓電平。
21. 如權(quán)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(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的期望通量水平的通量需量信號(hào)來(lái)對(duì)第一 有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生了在 電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)了期望的通量的定子電量。
22. 如權(quán)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(hào)與一個(gè) 直流傳輸線電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定一個(gè)轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)，該轉(zhuǎn) 矩需量信號(hào)指示了將在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)的期望的轉(zhuǎn)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(dǎo)體電源開關(guān)，以產(chǎn)生在電動(dòng) 機(jī)中實(shí)現(xiàn)了期望轉(zhuǎn)矩的定子電量。
23. 如權(quán)利要求20到22任意一個(gè)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(gè)隨電動(dòng)機(jī)主導(dǎo)狀況而變化的控制 信號(hào)，并且第二控制器可使用該控制信號(hào)來(lái)限制通過第二有源整流器 /反相器從供電網(wǎng)傳輸?shù)街绷鱾鬏斁€的功率電平。
24. 如權(quán)利要求20到23任意一個(gè)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(wǎng)傳輸?shù)?直流傳輸線的功率電平的功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換成針對(duì)第二有源整流器/ 反相器的正交軸電流需量信號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在供 電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望的正 交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中用由濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端 處的電壓得出的信號(hào)除功率需量信號(hào)來(lái)將功率需量信號(hào)轉(zhuǎn)換成正交 軸電流需量信號(hào)。
26. 如權(quán)利要求22所述的方法，還包括步驟第二控制器使用 另一個(gè)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(hào)，并 將所述另一個(gè)直流傳輸線電壓需量信號(hào)與直流傳輸線電壓反饋信號(hào) 進(jìn)行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器的正交軸電流需量信 號(hào)，該正交軸電流需量信號(hào)指示了要在啟動(dòng)狀態(tài)期間在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn) 的期望的正交軸電流。
27. 如權(quán)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(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生在供電網(wǎng)中實(shí) 現(xiàn)了期望的正交軸電流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
28. 如權(quán)利要求20到27任意一個(gè)所述的方法，還包括步驟 將指示了供電網(wǎng)電力的信號(hào)從第二控制器提供到第一控制器。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其中將該指示了供電網(wǎng)電力的 信號(hào)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(dòng)機(jī)中的期望的轉(zhuǎn)矩水平。
30. 如權(quán)利要求20到29任意一個(gè)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(wǎng)絡(luò)接線端實(shí)現(xiàn)的電壓電平的電 壓需量信號(hào)與一個(gè)在濾波器的網(wǎng)絡(luò)接線端測(cè)量到的電壓反饋信號(hào)進(jìn) 行比較，以確定針對(duì)第二有源整流器/反相器的直軸電流需量信號(hào)， 并且第二控制器控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)，以 產(chǎn)生在供電網(wǎng)電壓出現(xiàn)急降狀況期間在供電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了期望直軸電 流的濾波器/供電網(wǎng)電量。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中第二控制器根據(jù)在供電網(wǎng) 電壓出現(xiàn)急降狀況期間供電網(wǎng)電壓主導(dǎo)狀況來(lái)修正直軸電流需量信號(hào)
32. 如權(quán)利要求20到31任意一個(gè)所述的方法，其中由功率控 制器來(lái)提供功率需量信號(hào)。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，還包括步驟得出指示了電動(dòng) 機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的速度的速度信號(hào)，并且功率控制器使用該速度來(lái)得出功 率需量信號(hào)。
34. 如權(quán)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(tǒng)接收功率需量信號(hào)和速度需量信號(hào)中的一個(gè)或兩 個(gè)o
35. —種操作多個(gè)如權(quán)利要求1到15的任意一個(gè)所述的電源轉(zhuǎn) 換器的方法，這些電源轉(zhuǎn)換器連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率的供電網(wǎng)的通用供電總線上，所述方法包括步驟將指示了將在每 個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的濾波器網(wǎng)絡(luò)接線端上實(shí)現(xiàn)的電壓的電壓需量信號(hào)從 電源管理系統(tǒng)提供到每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的第二控制器。
36. —種操作推進(jìn)單元的方法，該推進(jìn)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(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)；推進(jìn)器組件，其至 少包括一個(gè)通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子來(lái)旋轉(zhuǎn)的葉片；以及電源轉(zhuǎn)換器，其將 電動(dòng)機(jī)連接到提供標(biāo)稱固定電壓和標(biāo)稱固定頻率的供電網(wǎng)，該電源轉(zhuǎn) 換器包括第一有源整流器Z反相器，其被電連接到電動(dòng)機(jī)的定子并包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)器件；第二有源整流器/反相器，其包括多個(gè)半導(dǎo)體電源開關(guān)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(wǎng)之間，該濾波器包括網(wǎng)絡(luò)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(yīng)于推進(jìn)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(dǎo)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(fā)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(dǎo)出到電動(dòng)機(jī)，從而將直流傳輸線電壓恢復(fù)到期望的電平并實(shí)現(xiàn)期望的推力。
全文摘要
一種電源轉(zhuǎn)換器，其將要求可變電壓和頻率的電動(dòng)機(jī)(4)連接到提供標(biāo)稱固定電壓和頻率的供電網(wǎng)，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(wǎng)之間；第一控制器(18)，使用直流傳輸線電壓需量信號(hào)VDC_MOT^*控制第一有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)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(hào)P^*和電壓需量信號(hào)VBUS^*控制第二有源整流器/反相器的半導(dǎo)體電源開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的功率電平和電壓電平。電源轉(zhuǎn)換器可用于海上推進(jìn)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器組件(2)。
文檔編號(hào)H02P27/12GK101304234SQ20081009617
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者克里斯托夫·牛頓, 羅德尼·瓊斯 申請(qǐng)人:康弗蒂姆有限公司