基于矩阵变换器的电力推进船舶变频调速系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶电力推进技术领域，具体涉及一种基于矩阵变换器的电力推进船 舶变频调速系统。
【背景技术】
[0002] 现代船舶电力推进技术的核心是变频调速系统。目前应用于船舶电力推进系统中 的变频技术有周波（Cyclo)变频器，电流源逆变器型（CurrentSourceInverter，CSI)变 频器，电压源逆变器型（VoltageSourceInverter，VSI)变频器。按原理划分周波变频器 为交流一交流变频器，电流源逆变器型变频器与电压源逆变器型变频器属于交流一直流一 交流变频器。按整流方式的不同又可将交流一直流一交流变频器分为6脉冲整流，12脉冲 整流，主动前端（ActiveFrontEnd，AFE)整流等类型。周波变频器的主要缺点是输出频率 受电网频率限制，通常仅能为电网频率的1/3左右。交流一直流一交流变频器主要缺点是 需要大型的能量存储模块（大电感或大电容），且能量不能回馈，通常需要设置制动电阻来 消耗回馈的能量。
[0003] 矩阵变换器是一种新型的变频器技术，属于交流一交流类型。具有可实现输入电 流和输出电流正弦化，没有大体积的储能环节，能量可双向流动等一些列优点。已经成功应 用于电力战车，风力发电，航空器控制等领域。其优良特性对船舶电力推进也有一定价值， 可减小变频器体积，提高电能质量，能量双向流动。矩阵变换器的缺点是电压利用率不高， 对于三相一三相矩阵变换器，使用AV调制方法的电压利用率仅为0. 5,使用双空间矢量调 制算法的电压利用率为〇. 866。
[0004] 多相电机与三相电机相比，具有许多优点。因为电机相数的增加，使得在总功率不 变的情况下，每一相输出功率减少，有效地降低了每一个桥臂上功率器件的等级；相数的增 多，输出的电磁转矩脉动频率越高，转矩脉动就更小，从而降低了电机在低速运行过程中的 噪音；且多相电机具有容错能力强的特点。上述优点使得多相电机非常适用于船舶电力推 进系统。
[0005] 专利号为201210110785. 9的中国发明专利《基于多相电机驱动多相电机控制系 统》提出了一种基于3*3n的矩阵变换器结构驱动六相电机，该发明直接利用三相一六相矩 阵变换器，驱动六相电机，带来了电压利用率低的缺陷，其电压利用率根据相关公式，只有 0? 75。
[0006] 专利号为201310032954. 6的中国发明专利《电油混合能源转换电驱动船舶的间 接型矩阵控制系统》提出了一种将间接型矩阵变换器运用于混合电动船舶的方法。其将三 相交流柴油发电机组与间接型矩阵变换器的输入端AC/DC变换器相连，三相交流推进电动 机与间接型矩阵输出端DC/AC相连接，直流端可接蓄电池组。但该发明也没有解决矩阵变 换器电压利用率低的问题，且系统的冗余度低，矩阵变换器为核心，一旦出现故障，全船推 进电力系统将陷入瘫痪的状况。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种电压利用率高、能实现能量能双向流动、体积小、功率 密度高、且冗余性能好的基于矩阵变换器的电力推进船舶变频调速系统。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于矩阵变换器的电力推进船舶变频调 速系统，它包括六相永磁同步电机、螺旋桨、矢量控制单元、两个移相变压器和矩阵变换器， 其中，所述每个移相变压器的初级绕组均连接船舶三相电网，每个移相变压器的次级绕组 均连接对应的矩阵变换器的信号输入端，每个矩阵变换器的信号输出端连接六相永磁同步 电机对应的信号输入端，六相永磁同步电机的输出轴连接螺旋桨，所述六相永磁同步电机 的状态反馈信号感应接口连接矢量控制单元的电机状态反馈信号感应端，所述矩阵变换器 的信号输入端连接矢量控制单元的电压信号感应端，矢量控制单元两个控制信号输出端分 别连接对应矩阵变换器的控制信号输入端。
[0009] 基于矩阵变换器的电力推进船舶变频调速系统还包括两个钳位模块，所述每个钳 位模块的一端连接对应矩阵变换器的信号输入端，每个钳位模块的另一端连接对应矩阵变 换器的信号输出端。
[0010] 基于矩阵变换器的电力推进船舶变频调速系统还包括两个滤波模块，所述每个移 相变压器的次级绕组通过对应的滤波模块连接相应的矩阵变换器。
[0011] 所述矢量控制单元包括转速设定模块、转速调节器、坐标变换模块、电流滞环比较 器、转速信号感应器、转角信号感应器、电流信号感应器、电压信号感应器、电压信号相位检 测模块、双向开关生成模块和比较器，其中，所述转速信号感应器、转角信号感应器和电流 信号感应器分别用于感应六相永磁同步电机的各种对应状态反馈信号，所述电压信号感应 器用于感应矩阵变换器的输入端电压，所述转速设定模块和转速信号感应器的信号输出端 分别连接比较器的两个输入端，比较器的输出端连接转速调节器的信号输入端，转速调节 器的信号输出端连接坐标变换模块的第一信号输入端，坐标变换模块的参考电流信号设置 为预设值，转角信号感应器的信号输出端连接坐标变换模块的第二信号输入端，坐标变换 模块的信号输出端连接电流滞环比较器的第一信号输入端，电流信号感应器的信号输出端 连接电流滞环比较器的第二信号输入端，所述电流滞环比较器的信号输出端连接双向开关 生成模块的第一信号输入端，所述电压信号感应器的信号输出端通过电压信号相位检测模 块连接双向开关生成模块的第二信号输入端，所述双向开关生成模块的两个信号输出端分 别连接对应矩阵变换器的控制信号输入端。
[0012] 本发明的基本工作原理为：
[0013] 从船舶三相电网得到的三相电经移相变压器得到两组相位相差180°电角度的三 相电，即六相电，并经滤波电路后输入至矩阵变换器。钳位电路的作用是避免输入端过流或 输出端过压。矩阵变换器再输出控制信号给六相永磁同步电机，电机的输出轴接螺旋桨，推 进船舶前进。
[0014] 本发明的有益效果：
[0015] 本发明通过利用一种六相一一三相拓扑结构的矩阵变换器，改善了传统三相一一 三相矩阵变换器电压利用率低的缺陷，也保持了传统矩阵变换器功率密度高，谐波含量低， 能量能双向流动的特点。为了使系统具有良好的可靠性，采用了六相永磁同步电机的组合。 此外为了达到良好的控制特性，如快速性，稳定性采用了矢量控制策略。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的结构框图；
[0017] 图2为本发明中六相至三相矩阵变换器的双向开关电路结构图；
[0018] 图3为本发明中矢量控制单元的结构框图；
[0019] 图4为本发明的A、B、C三相电流滞环比较表；
[0020] 图5为本发明的电压信号分区示意图；
[0021] 图6为本发明的各区域电压信号选择表
[0022] 图7为当电压处于区域1中时，与A，B，C三相电流滞环控制结合得到的开关示意 图。其中黑点表示开关闭合，白点表示断开。
[0023] 其中，1 一移相变压器、2-滤波模块、3-钳位模块、4 一矩阵变换器、5-矢量控制 单元、5. 1-转速设定模块、5. 2-转速调节器、5. 3-坐标变换模块、5. 4-电流滞环比较器、 5. 5-转速信号感应器、5. 6-转角信号感应器、5. 7-电流信号感应器、5. 8 -电压信号感应 器、5. 9 -电压信号相位检测模块、5. 10-双向开关生成模块、5. 11 -比较器、6-六相永磁 同步电机、7-螺旋桨、8-船舶三相电网、5. 9.A~5.9.F表示六相电，5. 9. 1~5. 9. 6表示 六相电压将一个周期（2Ji)平均分成的六个区域。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0025] 如图1~7所示的基于矩阵变换器的电力推进船舶变频调速系统，它包括六相永 磁同步电机6、螺旋桨7、矢量控制单元5、两个移相变