變頻器在船舶上的應(yīng)用研究

王法慶 王磊

摘要： 本文主要論述船舶變頻器的原理、分類(lèi)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并對(duì)變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)諧波影響進(jìn)行分析，然后進(jìn)一步闡述了防范措施，對(duì)于提高船舶運(yùn)行的可靠性，降低船舶運(yùn)行成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 變頻器;分類(lèi);應(yīng)用優(yōu)勢(shì);諧波治理

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)逐漸嚴(yán)重，各國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保越來(lái)越重視。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨發(fā)電系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)的突破，使得電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大型游輪、水面戰(zhàn)艇、工程船舶和潛艇等各類(lèi)船舶。變頻器作為電力推進(jìn)系統(tǒng)中的重要組成部分，在交流調(diào)速方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其與電力電子設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行，在發(fā)揮節(jié)能減耗作用的同時(shí)，能夠有效提高船舶運(yùn)行安全性和可靠性。同時(shí)，變頻器作為非線性電器設(shè)備，也成為船舶電網(wǎng)諧波的主要來(lái)源，而船舶電網(wǎng)諧波對(duì)船舶安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大影響，在實(shí)際應(yīng)用中必須予以研究解決。

變頻器原理及分類(lèi)

工作原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電流變換為另一頻率電能控制裝置。變頻電路一般由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)4部分組成。具體是通過(guò)控制電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷來(lái)控制主回路的，主回路中的整流器將交流電整流成直流，中間電路將直流電進(jìn)行LC電路濾波，逆變器最后將直流再轉(zhuǎn)化為所需要頻率和電壓的交流電，有些變頻器還會(huì)在電路內(nèi)加CPU等部件，來(lái)進(jìn)行必要的運(yùn)算。

船用變頻器分類(lèi)

目前電力推進(jìn)船舶上的變頻器主要有兩種：交–交變頻器和交–直–交變頻器。交–交變頻器，一般選擇同步發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，適合于特大功率及低速驅(qū)動(dòng)的情況，比如零速大力矩的破冰船。交–直–交變頻器，作為目前變頻器的主流，可用于各種功率機(jī)械，適合于除破冰船以外的所有船舶，具體可分為非主動(dòng)整流前端（DFE）和主動(dòng)整流前端（AFE）兩種，AFE變頻器由于輸入端和輸出端均采用IGBT或IEBT等全控型器件，能夠更好地提高功率因素，減少諧波電流，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，成為目前最高端的船用變頻器。

變頻器在船舶上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著變頻調(diào)速技術(shù)，尤其是PWM技術(shù)成熟運(yùn)用，變頻器能夠?yàn)椴煌?fù)載提供最為適宜的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性解決方案，可以滿(mǎn)足船舶不同機(jī)器設(shè)備需求。

船用推進(jìn)系統(tǒng)。運(yùn)用變頻器后，可以在保持螺距固定不變的情況下，在很寬的范圍內(nèi)改變推進(jìn)器速度，保證整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較高效率因子;能保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有最合理的燃油消耗;實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍方面達(dá)到最佳運(yùn)轉(zhuǎn)而生成較少積碳。

風(fēng)扇和冷卻裝置。運(yùn)用變頻器后，可以大大減少能燃消耗，因?yàn)榇祟?lèi)裝置的尺寸大小是依據(jù)與溫度有關(guān)的類(lèi)別要求確定的，由此使得那些由系統(tǒng)過(guò)量輸送空氣和水而消耗的能量得到合理運(yùn)用，帶有集成溫度調(diào)節(jié)的船用變頻器是較優(yōu)選擇。

泵驅(qū)動(dòng)器。使用變頻器的轉(zhuǎn)速控制泵驅(qū)動(dòng)器具有更高的靈活性和效率，并且與液壓傳動(dòng)泵相比，噪聲更低;選用熱裕度較高的交流電機(jī)時(shí)，這種泵系統(tǒng)可以取得更高的靈活度;變頻器與防水、防爆電機(jī)配合使用，無(wú)電火花，更適合艦船甲板、油料等惡劣、危險(xiǎn)條件下使用。

絞車(chē)驅(qū)動(dòng)器。使用變頻器的絞車(chē)驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需使用電機(jī)編碼器或測(cè)力傳感器，可以減少部件數(shù)量，降低維護(hù)工作量;通過(guò)變頻器矢量控制可使啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等速度變化平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)，可靠性提高。

同時(shí)，船用變頻器也可以用于其它應(yīng)用，如起重機(jī)、傳送帶等，特別是需要使用轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩控制的驅(qū)動(dòng)器，船用變頻器都有較好的應(yīng)用前景。

變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)影響及對(duì)策

諧波問(wèn)題

在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，使用變頻技術(shù)，不管采用哪種變頻器，在其使用過(guò)程中，導(dǎo)通和斷開(kāi)，會(huì)使電網(wǎng)中電壓和電流出現(xiàn)脈動(dòng)，產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行污染。具體危害：一是會(huì)對(duì)供電設(shè)備產(chǎn)生危害，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、變壓器過(guò)熱，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電流。二是會(huì)對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生危害，導(dǎo)致伺服電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，交流電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，保護(hù)裝備異常動(dòng)作，開(kāi)關(guān)誤跳閘，繼電器異常。三是會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生危害，諧波會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)波形失真增大，過(guò)度消耗無(wú)功功率和電流有效值，導(dǎo)致頻率偏離和容量下降，高次諧波還能引發(fā)電壓諧振，造成線路過(guò)電壓。

諧波治理對(duì)策

諧波會(huì)影響船舶電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性，必須對(duì)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行治理。目前，諧波預(yù)防治理措施主要有以下幾種：

最優(yōu)化選型。不同型式的變頻器產(chǎn)生的諧波大小不同，如多電平電壓源型變頻器、PWM脈寬調(diào)制變頻器、有源前端AFE變頻器等，由于變頻式樣不同，其諧波含量就不完全相同，對(duì)船舶電網(wǎng)的影響的危害程度也會(huì)有很大差距，同等級(jí)同容量的變頻器，諧波危害越少制造成本一般越高，因此，在選擇上要注重成本與性能的平衡。

加裝電抗器。采取在變頻器進(jìn)線前端串聯(lián)電抗器，數(shù)據(jù)表明，增大輸入電抗會(huì)有效降低諧波畸變，但會(huì)造成壓降加大，因此應(yīng)同時(shí)考慮功率因數(shù)補(bǔ)償和電壓調(diào)整。

增加整流相數(shù)。6脈沖交流變頻器是比較早的電力推進(jìn)型變頻器，優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是諧波較大。目前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般采用12脈沖和24脈沖變頻器進(jìn)行諧波抑制，通過(guò)增加變頻器整流和逆變中的脈動(dòng)數(shù)量，對(duì)諧波進(jìn)行有效的控制。

配置濾波器。濾波裝置主要采取設(shè)置回路消除固定頻率諧波、電子式諧波發(fā)生器產(chǎn)生反諧波消除電網(wǎng)諧波或綜合采取多種方式抵消或?yàn)V除諧波。目前主要采取安裝有源濾波器、無(wú)源濾波器、混合濾波器以及采取串聯(lián)連接的寬譜濾波器等方法實(shí)現(xiàn)諧波抑制。

另外，對(duì)一些特殊要求的船舶，還可以通過(guò)加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、配置單獨(dú)變流機(jī)組等方式，以達(dá)到更好的諧波抑制效果。

結(jié)束語(yǔ)

在全球大力發(fā)展綠色航運(yùn)、低碳航運(yùn)的大背景下，交流變頻技術(shù)給全球帶來(lái)了新的前景。目前，我國(guó)船舶電力推進(jìn)研究仍然處于爬坡階段，市場(chǎng)主流船舶變頻器產(chǎn)品主要由ABB，西門(mén)子等外企生產(chǎn)。本文對(duì)變頻器在船舶上的應(yīng)用進(jìn)行了全面論述，討論了船用變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)和設(shè)備的危害，分析總結(jié)了目前預(yù)防治理諧波的措施方法，對(duì)變頻器在船舶上的研究應(yīng)用提供了參考和借鑒。

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