變頻器在船舶上的應用研究

王法慶 王磊

摘要： 本文主要論述船舶變頻器的原理、分類和應用優勢，并對變頻器對船舶電網諧波影響進行分析，然后進一步闡述了防范措施，對于提高船舶運行的可靠性，降低船舶運行成本具有重要意義。

關鍵詞： 變頻器;分類;應用優勢;諧波治理

引言

隨著經濟的不斷發展，能源危機逐漸嚴重，各國對節能環保越來越重視。自上世紀80年代以來，伴隨發電系統和變頻調速技術的突破，使得電力推進系統廣泛應用于大型游輪、水面戰艇、工程船舶和潛艇等各類船舶。變頻器作為電力推進系統中的重要組成部分，在交流調速方面具有無法比擬的優勢，其與電力電子設備協調運行，在發揮節能減耗作用的同時，能夠有效提高船舶運行安全性和可靠性。同時，變頻器作為非線性電器設備，也成為船舶電網諧波的主要來源，而船舶電網諧波對船舶安全和經濟運行有著重大影響，在實際應用中必須予以研究解決。

變頻器原理及分類

工作原理

變頻器是利用電力半導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節、中間直流環節、逆變環節和控制環節4部分組成。具體是通過控制電子開關的開斷來控制主回路的，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行LC電路濾波，逆變器最后將直流再轉化為所需要頻率和電壓的交流電，有些變頻器還會在電路內加CPU等部件，來進行必要的運算。

船用變頻器分類

目前電力推進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，一般選擇同步發動機作為驅動電機，適合于特大功率及低速驅動的情況，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，可用于各種功率機械，適合于除破冰船以外的所有船舶，具體可分為非主動整流前端（DFE）和主動整流前端（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，實現能量雙向流動，成為目前最高端的船用變頻器。

變頻器在船舶上的應用優勢

隨著變頻調速技術，尤其是PWM技術成熟運用，變頻器能夠為不同負載提供最為適宜的技術性和經濟性解決方案，可以滿足船舶不同機器設備需求。

船用推進系統。運用變頻器后，可以在保持螺距固定不變的情況下，在很寬的范圍內改變推進器速度，保證整個轉速范圍內具有較高效率因子;能保證柴油發動機具有最合理的燃油消耗;實現轉速和負荷范圍方面達到最佳運轉而生成較少積碳。

風扇和冷卻裝置。運用變頻器后，可以大大減少能燃消耗，因為此類裝置的尺寸大小是依據與溫度有關的類別要求確定的，由此使得那些由系統過量輸送空氣和水而消耗的能量得到合理運用，帶有集成溫度調節的船用變頻器是較優選擇。

泵驅動器。使用變頻器的轉速控制泵驅動器具有更高的靈活性和效率，并且與液壓傳動泵相比，噪聲更低;選用熱裕度較高的交流電機時，這種泵系統可以取得更高的靈活度;變頻器與防水、防爆電機配合使用，無電火花，更適合艦船甲板、油料等惡劣、危險條件下使用。

絞車驅動器。使用變頻器的絞車驅動器，無需使用電機編碼器或測力傳感器，可以減少部件數量，降低維護工作量;通過變頻器矢量控制可使啟動、制動、加速、減速等速度變化平穩，實現軟啟動、軟停車，可靠性提高。

同時，船用變頻器也可以用于其它應用，如起重機、傳送帶等，特別是需要使用轉速或轉矩控制的驅動器，船用變頻器都有較好的應用前景。

變頻器對船舶電網影響及對策

諧波問題

在船舶電力推進系統中，使用變頻技術，不管采用哪種變頻器，在其使用過程中，導通和斷開，會使電網中電壓和電流出現脈動，產生諧波，對電網進行污染。具體危害：一是會對供電設備產生危害，導致發電機、變壓器過熱，產生機械振動、噪聲和諧波過電流。二是會對用電設備產生危害，導致伺服電機產生脈動，交流電機產生振動和噪音，保護裝備異常動作，開關誤跳閘，繼電器異常。三是會對電網穩定產生危害，諧波會導致電網波形失真增大，過度消耗無功功率和電流有效值，導致頻率偏離和容量下降，高次諧波還能引發電壓諧振，造成線路過電壓。

諧波治理對策

諧波會影響船舶電網安全性和穩定性，必須對船舶電網諧波進行治理。目前，諧波預防治理措施主要有以下幾種：

最優化選型。不同型式的變頻器產生的諧波大小不同，如多電平電壓源型變頻器、PWM脈寬調制變頻器、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，對船舶電網的影響的危害程度也會有很大差距，同等級同容量的變頻器，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。采取在變頻器進線前端串聯電抗器，數據表明，增大輸入電抗會有效降低諧波畸變，但會造成壓降加大，因此應同時考慮功率因數補償和電壓調整。

增加整流相數。6脈沖交流變頻器是比較早的電力推進型變頻器，優點是成本低，缺點是諧波較大。目前船舶電力推進系統一般采用12脈沖和24脈沖變頻器進行諧波抑制，通過增加變頻器整流和逆變中的脈動數量，對諧波進行有效的控制。

配置濾波器。濾波裝置主要采取設置回路消除固定頻率諧波、電子式諧波發生器產生反諧波消除電網諧波或綜合采取多種方式抵消或濾除諧波。目前主要采取安裝有源濾波器、無源濾波器、混合濾波器以及采取串聯連接的寬譜濾波器等方法實現諧波抑制。

另外，對一些特殊要求的船舶，還可以通過加裝靜止無功補償裝置、配置單獨變流機組等方式，以達到更好的諧波抑制效果。

結束語

在全球大力發展綠色航運、低碳航運的大背景下，交流變頻技術給全球帶來了新的前景。目前，我國船舶電力推進研究仍然處于爬坡階段，市場主流船舶變頻器產品主要由ABB，西門子等外企生產。本文對變頻器在船舶上的應用進行了全面論述，討論了船用變頻器對船舶電網和設備的危害，分析總結了目前預防治理諧波的措施方法，對變頻器在船舶上的研究應用提供了參考和借鑒。

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