变频器在船舶上的应用研究

王法庆 王磊

摘要： 本文主要论述船舶变頻器的原理、分类和应用优势，并对变频器对船舶电网谐波影响进行分析，然后进一步阐述了防范措施，对于提高船舶运行的可靠性，降低船舶运行成本具有重要意义。

关键词： 变频器;分类;应用优势;谐波治理

引言

随着经济的不断发展，能源危机逐渐严重，各国对节能环保越来越重视。自上世纪80年代以来，伴随发电系统和变频调速技术的突破，使得电力推进系统广泛应用于大型游轮、水面战艇、工程船舶和潜艇等各类船舶。变频器作为电力推进系统中的重要组成部分，在交流调速方面具有无法比拟的优势，其与电力电子设备协调运行，在发挥节能减耗作用的同时，能够有效提高船舶运行安全性和可靠性。同时，变频器作为非线性电器设备，也成为船舶电网谐波的主要来源，而船舶电网谐波对船舶安全和经济运行有着重大影响，在实际应用中必须予以研究解决。

变频器原理及分类

工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电流变换为另一频率电能控制装置。变频电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4部分组成。具体是通过控制电子开关的开断来控制主回路的，主回路中的整流器将交流电整流成直流，中间电路将直流电进行LC电路滤波，逆变器最后将直流再转化为所需要频率和电压的交流电，有些变频器还会在电路内加CPU等部件，来进行必要的运算。

船用变频器分类

目前电力推进船舶上的变频器主要有两种：交–交变频器和交–直–交变频器。交–交变频器，一般选择同步发动机作为驱动电机，适合于特大功率及低速驱动的情况，比如零速大力矩的破冰船。交–直–交变频器，作为目前变频器的主流，可用于各种功率机械，适合于除破冰船以外的所有船舶，具体可分为非主动整流前端（DFE）和主动整流前端（AFE）两种，AFE变频器由于输入端和输出端均采用IGBT或IEBT等全控型器件，能够更好地提高功率因素，减少谐波电流，实现能量双向流动，成为目前最高端的船用变频器。

变频器在船舶上的应用优势

随着变频调速技术，尤其是PWM技术成熟运用，变频器能够为不同负载提供最为适宜的技术性和经济性解决方案，可以满足船舶不同机器设备需求。

船用推进系统。运用变频器后，可以在保持螺距固定不变的情况下，在很宽的范围内改变推进器速度，保证整个转速范围内具有较高效率因子;能保证柴油发动机具有最合理的燃油消耗;实现转速和负荷范围方面达到最佳运转而生成较少积碳。

风扇和冷却装置。运用变频器后，可以大大减少能燃消耗，因为此类装置的尺寸大小是依据与温度有关的类别要求确定的，由此使得那些由系统过量输送空气和水而消耗的能量得到合理运用，带有集成温度调节的船用变频器是较优选择。

泵驱动器。使用变频器的转速控制泵驱动器具有更高的灵活性和效率，并且与液压传动泵相比，噪声更低;选用热裕度较高的交流电机时，这种泵系统可以取得更高的灵活度;变频器与防水、防爆电机配合使用，无电火花，更适合舰船甲板、油料等恶劣、危险条件下使用。

绞车驱动器。使用变频器的绞车驱动器，无需使用电机编码器或测力传感器，可以减少部件数量，降低维护工作量;通过变频器矢量控制可使启动、制动、加速、减速等速度变化平稳，实现软启动、软停车，可靠性提高。

同时，船用变频器也可以用于其它应用，如起重机、传送带等，特别是需要使用转速或转矩控制的驱动器，船用变频器都有较好的应用前景。

变频器对船舶电网影响及对策

谐波问题

在船舶电力推进系统中，使用变频技术，不管采用哪种变频器，在其使用过程中，导通和断开，会使电网中电压和电流出现脉动，产生谐波，对电网进行污染。具体危害：一是会对供电设备产生危害，导致发电机、变压器过热，产生机械振动、噪声和谐波过电流。二是会对用电设备产生危害，导致伺服电机产生脉动，交流电机产生振动和噪音，保护装备异常动作，开关误跳闸，继电器异常。三是会对电网稳定产生危害，谐波会导致电网波形失真增大，过度消耗无功功率和电流有效值，导致频率偏离和容量下降，高次谐波还能引发电压谐振，造成线路过电压。

谐波治理对策

谐波会影响船舶电网安全性和稳定性，必须对船舶电网谐波进行治理。目前，谐波预防治理措施主要有以下几种：

最优化选型。不同型式的变频器产生的谐波大小不同，如多电平电压源型变频器、PWM脉宽调制变频器、有源前端AFE变频器等，由于变频式样不同，其谐波含量就不完全相同，对船舶电网的影响的危害程度也会有很大差距，同等级同容量的变频器，谐波危害越少制造成本一般越高，因此，在选择上要注重成本与性能的平衡。

加装电抗器。采取在变频器进线前端串联电抗器，数据表明，增大输入电抗会有效降低谐波畸变，但会造成压降加大，因此应同时考虑功率因数补偿和电压调整。

增加整流相数。6脉冲交流变频器是比较早的电力推进型变频器，优点是成本低，缺点是谐波较大。目前船舶电力推进系统一般采用12脉冲和24脉冲变频器进行谐波抑制，通过增加变频器整流和逆变中的脉动数量，对谐波进行有效的控制。

配置滤波器。滤波装置主要采取设置回路消除固定频率谐波、电子式谐波发生器产生反谐波消除电网谐波或综合采取多种方式抵消或滤除谐波。目前主要采取安装有源滤波器、无源滤波器、混合滤波器以及采取串联连接的宽谱滤波器等方法实现谐波抑制。

另外，对一些特殊要求的船舶，还可以通过加装静止无功补偿装置、配置单独变流机组等方式，以达到更好的谐波抑制效果。

结束语

在全球大力发展绿色航运、低碳航运的大背景下，交流变频技术给全球带来了新的前景。目前，我国船舶电力推进研究仍然处于爬坡阶段，市场主流船舶变频器产品主要由ABB，西门子等外企生产。本文对变频器在船舶上的应用进行了全面论述，讨论了船用变频器对船舶电网和设备的危害，分析总结了目前预防治理谐波的措施方法，对变频器在船舶上的研究应用提供了参考和借鉴。

参考文献

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