变频器实习总结3 ISU单元 船舶电力系统

变频器实习总结3

1. ISU单元（Inverter Supply Unit）

ISU（Inverter Supply Unit，逆变器供电单元）是工业变频器或伺服系统中的关键模块，主要负责 直流母线电压的生成、滤波和管理，为逆变器（IGBT模块）提供稳定的直流电源。以下是其核心功能、组成及典型应用分析：

1. ISU单元的核心功能

功能	说明
整流（AC-DC转换）	将电网交流电（如380VAC）转换为直流电（如540VDC），供逆变器使用。
直流母线电压稳定	通过电容滤波和动态调整，抑制电压波动（如负载突变时的电压跌落）。
预充电控制	防止上电瞬间大电流冲击，保护电容和整流模块（通过限流电阻或软启动电路）。
能量回馈（可选）	部分高端ISU支持再生制动能量回馈电网，提高能效（如电梯下行时的发电状态）。
保护功能	过压、欠压、过流、短路保护，确保系统安全。

2. ISU单元的典型组成

组件	作用
整流桥/模块	三相全桥整流（二极管或IGBT），将交流输入转为直流。
直流母线电容	储能和平滑电压纹波（容量与负载功率正相关）。
预充电电路	包含限流电阻和继电器，控制上电时的电流冲击。
制动单元（可选）	消耗多余能量（通过制动电阻），防止母线过压。
控制板	监测母线电压、电流，协调预充电和保护逻辑。

3. ISU vs. 普通整流单元的区别

特性	ISU单元	传统整流单元
能量处理	支持双向能量流动（回馈电网）	仅单向整流
效率	更高（回馈模式下可达95%以上）	较低（制动电阻耗能）
成本	较高（复杂拓扑和控制系统）	较低
适用场景	频繁启停/制动场合（如电梯、起重机）	普通工业负载（风机、泵）

2. 船舶电力系统

在船舶电力系统中，从 发电侧（发电机）到驱动侧（推进电机/负载） 需要多种电力电子控制模式来满足不同工况需求。以下是四种核心控制模式（INV、PTI、AFE、PTO）的详细分析，涵盖其工作原理、应用场景及系统集成要点：

1. 电机驱动控制模式（INV - Inverter Mode）

• 工作原理

  • 将直流母线电压（来自发电机或储能）通过 逆变器（DC-AC） 转换为可变频/变压的交流电，驱动电动机（如推进电机、泵机）。
  • 典型控制算法：矢量控制（FOC）或直接转矩控制（DTC），确保高转矩精度和动态响应。

• 船舶应用场景

  • 主推进系统：驱动螺旋桨电机，根据航速需求调节转速/转矩。
  • 辅助机械：舵机、冷却泵等变频控制。

参数	说明	示例值（船舶）
输出频率范围	根据电机设计调节	0.1~120 Hz
过载能力	短时过载支持突加负载	150% @ 60s

2. 电机发电控制模式（PTI - Power Take-In Mode）

• 工作原理

  • 当船舶减速或下坡航行时，推进电机转为发电机模式，将机械能（螺旋桨反转动能）通过 整流器（AC-DC） 回馈至直流母线。
  • 需配合 AFE或储能系统 处理回馈能量。

• 船舶应用场景

  • 再生制动：减少机械制动磨损，回收能量至电网或储能电池。
  • 动态定位系统（DPS）：维持船位时微调推进器转速，能量循环利用。

参数	说明	示例值
回馈电压范围	匹配直流母线电压	600~800 VDC
最大回馈功率	由电机和逆变器容量决定	80% 额定功率

3. 有源前端控制模式（AFE - Active Front End）

• 工作原理

  • 采用 IGBT PWM整流技术，实现电网侧单位功率因数（cosφ≈1）和低谐波输入。
  • 支持双向能量流动：
    • 整流模式（AC-DC）：为直流母线供电。
    • 回馈模式（DC-AC）：将再生能量回馈至电网。

• 船舶应用场景

  • 主电网接口：连接发电机与直流母线，稳定电压并滤除谐波。
  • 混合动力系统：协调柴油发电机、电池和超级电容的能量分配。

参数	说明	示例值
输入THD	总谐波失真要求	<5% @ 满载
动态响应时间	应对负载突变的调节速度	<10 ms

4. 逆变电源控制模式（PTO - Power Take-Off Mode）

• 工作原理
  • 将船舶主发电机或储能系统的电能通过 逆变器（DC-AC） 转换为恒压恒频（如440V/60Hz）的交流电，供给船上负载（非推进系统）。
  • 类似岸电逆变器，但需适应船舶环境（抗振动、盐雾）。
• 船舶应用场景
  • 生活用电：照明、空调、厨房设备。
  • 应急电源：主发电机故障时由储能系统供电。

参数	说明	示例值
输出电压精度	稳定供电要求	±2%
切换时间	主电/备用电源切换延迟	<20 ms

5. 系统集成与模式切换逻辑

• 典型船舶电力拓扑

发电机 → AFE → 直流母线 → [INV（推进电机） / PTI（制动发电） / PTO（负载供电）]  

• 技术对比与选型建议

模式	能量流向	核心器件	船舶适用场景
INV	DC→AC（驱动电机）	IGBT逆变模块	主推进、舵机
PTI	AC→DC（能量回馈）	整流器+AFE	再生制动、动态定位
AFE	双向AC↔DC	PWM整流器	电网接口、混合动力
PTO	DC→AC（恒压输出）	逆变器+LC滤波器	生活用电、应急电源

总结

船舶电力系统的多模式控制（INV/PTI/AFE/PTO）实现了 发电-驱动-储能 的高效协同：

• INV 确保推进系统动态响应；
• PTI 提升能源利用率；
• AFE 维护电网质量；
• PTO 保障负载供电安全。
  实际设计中需通过 能量管理系统（EMS） 统一调度，以适应复杂工况（如恶劣海况、紧急机动）。

附学习参考网址

1. 变频器发展史和AFE
2. AFE

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