變頻器在挖泥船上的應用

馬忠賢 丁琪

摘 要：在當今的社會，我國船舶工業的建設更加趨近于智能化，針對挖泥船中存在著一部分工作效能問題，可以通過變頻器的自動處理手段來提高效率，這對于挖泥船的高效生產有著舉足輕重的作用。

關鍵詞：變頻器；挖泥船；高效生產

1 變頻器的發展

變頻器可以將一個頻率的電流根據需要轉化為另一個頻率，實現交-交的轉換，該器件還可以改變電壓。傳統上，這些裝置是被包含于電力電子的范疇之中。隨著固態電子器件的出現，已經有可能構建完全電子變頻器，還使用具有汞弧整流器或真空管的裝置。這些裝置通常包括整流器級，產生直流電，然后將其反相以產生所需頻率的交流電。逆變器可以使用晶閘管，IGCT或IGBT。如果需要電壓轉換，則變壓器通常將在交流輸入或輸出電路中并且該變壓器還可以在輸入和輸出交流電路之間提供電流隔離，還可以將電源添加到直流電路以改善轉換器在輸入功率中短暫中斷的跨越，變頻器的功率處理能力從幾瓦到兆瓦不等。變頻器涉及非常小的電子設計和部件的研究和制造加工，可能會達到微米級或更小，這些器件通常由半導體材料制成。電子設計的許多部件可以以變頻器技術生產獲得，包括晶體管、電容器、電感器、電阻器、二極管等電子器件都是變頻器技術的產物。諸如布線、焊接等技術也常常用于變頻器學中，這種技術需要專門的設備并且成本是昂貴的。變頻器技術工程通過現代化的技術，將電流的獲取處理作為核心，將電子設備制造作為動力，將信息系統集成于所要控制的機器中，進行設計與開發。變頻器技術應用廣泛，專業性強，為科技發展提供了充足的源動力。

2 變頻器的工作原理及應用

用功率半導體開關和脈寬調制（PWM）來控制相電壓，半導體開關器件和反并聯連接的續流二極管形成橋，其可以將每個電動機相連接到正或負直流鏈路電勢。PWM改變正和負直流鏈路電勢之間相的連接，使得基波電壓具有期望的頻率和幅度。除了將大量功率從一種分配標準轉換為另一種分配標準的應用之外，變頻器還用于控制AC電動機的速度和扭矩。在本應用中，最典型的變頻器拓撲結構是三相兩電平電壓源逆變器。使電機主要對基頻起反應，并濾除諧波頻率的影響。另一個應用是在航空航天和航空工業，通常飛機使用400Hz頻率，因此需要50Hz或60Hz至400Hz的變頻器用于在飛機在地面時提供動力的地面裝置。航空公司還可以利用轉換器向乘客提供空中墻壁電流以用于筆記本電腦等。在可再生能源系統中，變頻器是用于現代多兆瓦級風力渦輪機中的雙饋感應發電機（DFIG）的重要組成部分。變頻器通常用于控制電機，主要是泵和風扇的速度。在許多應用中，實現了顯著的能量效率提升。最嚴格的應用領域存在于工業加工線上，其中控制精度要求可以非常高，這在核電和武器工業中尤其如此，其中這些裝置調節精制離心機的操作，HVDC系統可以用作大負載的變頻器。

3 變頻器在挖泥船上的應用分析

電力變頻驅動絞吸挖泥船除艙內泵由柴油機通過齒輪箱直接驅動，其他主要施工機械都采用了電力變頻驅動，包括水下泥泵、絞刀、橫移錨絞車、橋架絞車和拋錨桿起錨絞車等。 在使用中，應該加強濾波的環節，諧波的消除或衰減可以通過各種技術，成本和應用來實現。首先，功率因數校正電容器無法徹底去除諧波，它們需要被去調諧，需要一些工程和定制設計，負載變化可能需要重復工程過程。有源濾波器效果較好，但是昂貴和復雜。有源濾波器數字地產生和控制無功功率以消除諧波，使用這種技術可以獲得一些其他好處，但都需要大量的成本。較好的策略是通過使用大容量電容濾波，這種方法作用機理很清楚，成本也較低。電力變頻驅動的主要優點有，動力的傳輸用電纜代替了液壓管路，減小了因液壓傳輸產生振動與噪聲，和 因管路泄漏而產生的環境污染。電力變頻驅動的過載能力優異，在環境溫度40℃時可以做到每5分鐘內可以有1分鐘50%過載。可以很容易使水下泥泵在一定轉速范圍內實現恒扭距和超過額定轉速恒功率 的性能要求。用于發電的柴油機轉速恒定，可以在最經濟燃油消耗的轉速下工作，所以柴油機的燃油消耗最合理。變頻器還可以指將特定頻率下的挖泥船的工作信號轉換為另一頻率的低得多的電路，特別是在超外差接收機中。該電路通常包括本地振蕩器和混頻器（模擬乘法器），其從輸入和本地振蕩器產生和和差頻，其中一個（中頻）將被需要用于進一步放大，而其他的被濾出，通過單管中的五柵極轉換器或三極管和六極管可以獲得相同的結果。電力變頻驅動的能量轉換效率高，柴油機到發電機的效率一般為95%，發電機到電動機的效率一般亦為95%，所以電力變頻驅動的總效率一般可達90%左右。通過變頻器的使用，可以很容易實現對各個用電器的功率控制和調整，所以 柴油機的有效功率可以得到最大的利用。

4 總結與展望

為了將船舶的作用能效最大地展現出來，優化船舶工業的工作效率與高質量產能，需要加強管理，利用專門人才、高新技術來加強變頻器技術，這也是傳播工業的工作重心之一。在船舶的生產中，變頻器技術起到了舉足輕重的作用，結合實時的信息與數據，精準的、有針對性的對挖泥船的設計進行優化分析，變頻器技術將會是未來船舶制造工程的一只尖兵。通過相關開發部門和技術人員的共同努力，船舶工業將會有著長足的發展，我國的海上安全與建設將會得到更加切實的保障。挖泥船中的變頻器也是船舶工業中一個必不可少的設備，在船舶工業高速發展的這幾年，我國將憑借更加高效的自動化管理，屹立于世界船舶工業產能最大、效率最高的強國之中。

參考文獻

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（作者單位：1.上海交通建設總承包有限公司；2.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司）