船舶变频器MKSU架构

现代船舶电力推进微控制器控制系统架构与实现

现代造船业正经历一场变革，积极从传统的柴油和涡轮推进系统转向高效的电力推进系统。这场变革的核心是高科技的船舶电力推进系统（MEPS），它关键依赖于先进的变频器（FCs）及其基于微控制器的控制系统（MCCS）。本文将探讨此类系统的关键架构方法和设计特点，这些系统确保了船舶的高机动性、效率和可靠性。

船舶电力推进系统的演进与组成

近几十年来，船舶电力推进系统（MEPS）的发展得益于其相对于传统机械装置的显著优势。MEPS 提供了增强的机动性、更高的燃油效率和更低的噪音，这对于破冰船、拖船和应急救援船等特种船舶尤为关键。MEPS 广泛应用的一个关键因素是基于晶体管的电力转换技术的进步，这使得能够创建强大的变频器（FCs）来控制推进电机（PEMs）和推进器。这也促进了交流MEPS的转型，并将推进系统与船舶的整体电力系统集成。

典型的现代MEPS结构包括：

推进电机（PEMs），最常见的是异步电机。
半导体变频器（FCs）及其控制系统（FC CS）。
电力变压器（可选）。
电气开关设备。

FCs作为MEPS的核心，由电压整流器（受控或非受控）和独立电压逆变器（AVIs）构成。有源前端（AFE）整流器和AVIs通常使用IGBT晶体管实现，而非受控整流器（UCRs）则使用二极管。AFE整流器表现出优越性，因为它们能够保持所需的功率因数，最大限度地减少船舶电网中的畸变，并在制动期间支持能量回收，从而提高整体系统效率。FC控制系统（FC CS）执行广泛的任务：从调节PEM的速度和扭矩，到确保启动、稳定、功率限制、制动和反转。它们还处理来自各种本地操作面板（LOPs）的命令，收集并向船舶控制系统（SCS）传输诊断信息，管理运行模式之间的转换，并在紧急情况下提供FC保护。FC CS的软件开发需要应用异步电机控制的专用算法。可编程逻辑控制器（PLCs）通常被集成进来，以执行辅助功能，例如处理传感器信号、控制执行器以及实现与其他系统的通信接口。

变频器控制系统的架构方法

在FC CS的微处理器技术领域，存在着集成度提高、功能增强以及尺寸和重量减小的明显趋势。这导致了紧凑型控制单元的开发，其中多个电路板被封装在一个外壳内，间距最小，采用插拔式连接，通常采用金属外壳以提高电磁兼容性（EMC）和可靠性。分布式系统，即电路板位于较远距离（超过25厘米）并通过导线连接，由于在电力电子特有的强电磁场中EMC和可靠性较低，因此不太受青睐。

现代FC CS最常采用分布式-集中式结构，包括：

本地控制系统（LCS）： 负责单个晶体管变流器（TCs）的控制、监测和保护，例如AFE整流器或AVIs。LCS的数量与FC中TC的数量相对应（至少两个）。
中央控制系统（CCS）： 协调LCSs的运行，促进与本地操作面板（LOPs）和船舶控制系统（SCS）的信息交换，并提供整体MEPS管理。
可编程逻辑控制器（PLC）： 一个可选组件，用于扩展CCS在输入/输出和接口方面的能力。在高性能配置中，PLC可以承担CCS的功能，显著简化整体控制系统结构。

FCs的高度集成控制单元（HICU）概念涉及将所有这些组件（LCS、CCS、PLC）组合到一个单一外壳中。HICU的优势包括增强的EMC、减小的尺寸和更低的成本。然而，这种集成带来了高开发复杂性、集成LCS数量的限制以及软件开发和测试难度的增加。这要求开发人员深入理解系统的硬件和软件方面，以及在严格操作要求下确保可靠性的方法。

微控制器控制单元的设计方案

从结构上看，基于微控制器的FC控制系统分为单板和多板解决方案，每种方案都有其特定的应用和优势。

单板控制单元 是指所有电子元件和系统功能都实现在一块印刷电路板上的系统。为了扩展功能或实现专业化，此类系统通常利用夹层卡——与主板并行连接（堆叠在上方）的附加板，执行特定任务，例如承载微控制器、存储模块或LED指示灯。夹层卡可以放置在主板的顶部和底部，提供了布局和元件密度的灵活性。

相比之下，多板控制单元 由多块印刷电路板组成，每块板执行一组特定的功能。多板控制单元主要分为以下几种类型：

带主（母或系统）板的控制单元： 主板执行中央信息处理、控制和监测功能，而功能板（例如，用于离散、模拟输入/输出或数字接口）垂直连接到主板。这种方法确保了模块化，并可以轻松更换或升级外围功能。
带背板（或交叉板）的控制单元： 背板用于电气连接各种功能模块（例如，电源模块、微控制器模块、I/O模块），这些模块垂直插入背板，并且通常配备前面板。这种架构便于创建具有高度定制性和可维护性的系统。
带多个功能板的控制单元： 在这种情况下，电路板（例如，电源、数字、模拟、接口板）通过连接器直接相互连接，不使用中央主板或背板。此选项常用于需要最小化尺寸或特定拓扑的专用系统。

在多板控制单元中，夹层卡也可用于进一步的功能扩展或增加单个功能板上的元件密度。特定设计方案的选择取决于对可靠性、电磁兼容性、成本、尺寸和重量特性、软件复杂性以及海洋环境中预期操作条件的要求。