摘要本文简要介绍了船舶变频调速技术的基本原理，提出了在船舶电网下变频调速器的负载特性。通过典型的应用案例，阐述了该项技术在船舶节能等方面的优越性，提出了变频调速技术在船舶行业应用的必然趋势。随着更加严格的环保标准不断出台，船舶工业也面临着日益艰巨的挑战，从而加速推进各种节能环保技术在船舶上的应用，使得日益成熟的变频调速技术在船舶行业具有广泛的应用前景。

　　论文关键词：变频调速，脉宽调制，船用变频器，节能环保

　　
　　交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闹管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

　　
　　二、变频调速技术在船上的应用是一种必然趋势

　　
　　船用变频系统因其均匀的全功率范围输出而体现了一种全新的概念。船用变频器的调节和控制性能允许将同一类型的变频器用于船上的所有驱动装置，船用变频器和电机甚至可以方便地代替液压控制设备。在与变频器连接之后，交流电机就具有了独特的性能，表现在其转速可以为从静止一直到超出其额定转速的数值，并且可以进行精确的转矩控制。

　　
　　1. 船用变频器技术原理及运行概况

　　
　　变频器的作用是将电源（交流电源）的固定频率和电压转换为一个可变的频率和电压以便驱动电机。电机的转速将随频率的改变而线性变化。为了对电机转矩进行精确控制，在电机的整个转速范围内保持电压与频率比的恒定十分重要，即要使 V/f ～？ = 常数，其中 ?为电机的磁通量。

　　
　　船用变频器的整流单元将交流电压转换为一个恒定的直流电压，交流逆变单元的作用是将这一直流电压转变为一个可变的交流电压。船用变频器可以通过一种几乎无损耗的方式来进行这种能量转换。船用变频器的工作效率在97–98 % 之间。由二极管和晶闸管组成的电源整流单元执行这项工作，它可以确保电源提供的电流与电源电压保持同相，即船用变频器将只获取电源的有功功率（即几乎为整功率因数）而不需要无功功率。如果忽略电机和船用变频器的效率因素，电机驱动器将只获取被驱动负荷在各个时刻所需的有功功率。这同样适用于电机在部分负荷范围内工作时的情况。与其它形式的驱动器相比，转速控制鼠笼式电机在整个转速范围内具有非常高的效率。

　　
　　典型的船用变频器运行情况可见下图：

　　
　　节能环保

　　
　　2.船舶电网下的船用变频器负载

　　
　　下图说明了一台由船用变频器控制的电机驱动器的原理。两个图显示了提供给电机或被驱动机器的电流、电压和功率，以及在电源侧作为电机转速的函数的相应条件。此处的条件是，被驱动的机器在整个转速范围内需要恒定转矩 T。转矩 T 和功率 P 之间的物理关系为：T ＝9.55 ? P/ n。从此式中可以看出，在保持转矩恒定时，输出功率 P 将随电机转速 n 线性增加。由于船用变频器的控制系统可确保电机在恒定磁通量 ? 下工作，因此，电机电流将与转矩 T成正比，也就是 I～k。恒定磁通量 ? 的条件是，实际电压 V 随频率 f 成正比增加，即 V/f ～？ = 常数。基本物理定律表明，P 为电压 V 和电流 I 的乘积，即 P = V ? I，这种关系从图上可以看出。

　　
　　变频调速

　　
　　在工作机器的转速保持恒定时，变频器供电侧的物理因素是如何作为转速函数变化的。在忽略效率时，来自电源的吸收功率 Pi 一定与电机的输出功率 Po 相同。由于电源电压 V 保持恒定并且必须符合物理条件 P = V ? I，船用变频器从电源获得的电流 I，将与电机转速成正比增加，即使在电机电流 I 和转矩保持恒定的情况下。这两个电流只有在额定电机转速下才相同。在给定的物理条件下，当转速或负荷较低时，电流负荷会非常低。直接从电源起动电机时，电机电流将达到额定电流的 6–7 倍。使用船用变频器时，电源电流只是额定电机电流的一部分。这意味着可以将由船用变频器控制电机引起的电源电压降落忽略，而不管该电压降落有多大。

　　
　　3.由船用变频器控制的交流电机

　　
　　使用脉宽调制（PWM）技术的变频器可为控制交流电机提供最适宜的技术性和经济性解决方案。新的IGBT晶体管技术元件有利于对交流电机驱动器进行控制。高度集成化的微电子元件具有强大的计算功能和近于无限的存储能力，可以实现强大而复杂的功能，并且成本低，对空间要求也不高。

　　
　　今天，在驱动现代机器设备时不使用速度控制驱动器是几乎无法想象的。在对新的电机驱动技术进行投资时，必须要评估经济和技术条件。一艘10000DWT（载重吨）的化学品船，船舶电站的容量在1500KW左右，按其电力负荷计算书，其中90％的用电负荷是异步电动机，船上的负荷变化将大，约有50％的设备负荷是变动的，目前船上仅有电力推进装置等大功率设备才使用变频调速技术，其他未采用调速控制的电动机常处于低效运行状态。船上的风机和泵类采用电动机的变频调速装置来代替阀门和挡板调节流量，有明显的节能效果。 文献［1］提出由 交 流 电 动 机 驱 动 的 风 机 和 泵 类 都 是 平 方 转 矩 负 载， 它 们 的 流 量 与 转 速 成 正 比 、 压 力 与 转 速 的 平 方 成 正 比 ， 功 率 与 转 速 的 立 方 成 正 比 。 即 电 机 转 速 降 低 50％时 ， 所 需 功 率 降 87.5％， 由 此 可 见 调 速 节 能 的 重 要 意 义 。

　　
　　下图显示了一台电机和一台变频器在整个转速范围内的典型效率因数，其中在所有转速下都具有恒定负荷转矩。船用变频器使用脉宽调制（PWM）技术，可以使所连接的电机在整个转速范围内保持很高的效率和转矩。

　　
　　变频调速技术在船舶行业的应用及其发展前景

　　
　　4.变频调速的优势

　　
　　变频调速技术最早是应用在船舶电力推进系统，随着变频调速技术的日益成熟及其在节能环保方面的优势，逐渐开始在侧推装置、货油泵等大功率设备应用变频调速技术。船用变频器在冷却水泵和风机上面也存在着巨大的节能潜力。

　　
　　对于绞车、锚机等其它应用，船用变频器控制的交流电机与液压系统相比，会表现出较好的工作特性。船用变频器可以对转速进行精确调节，并使电机产生精确的预设转矩。结构坚固的鼠笼式电机可以得到控制，在从静止到超过额定转速范围内提供均匀的转矩。

　　
　　综上所述，变频调速技术控制的电机驱动系统具有以下优势：

　　
　　l 投资较低，

　　
　　l 在非额定负荷时，节约能量，

　　
　　l 维护成本较低，因为受控制的电机运转减轻了机器和材料磨损，

　　
　　l 与液压和柴油解决方案相比节省空间。

　　
　　三、前景

　　
　　目前，船舶工业正面临着日益艰巨的挑战，特别是在节能和环保方面。在后哥本哈根时代，船舶运输行业也正面临着绿色环保新要求的挑战，就在2009年8月17日，国际海事组织（IMO）第59届环保会批准并散发了“船舶能效管理计划制订导则”及“船舶能效营运指数”二项新规定，在低碳日益成为全人类的共识的背景下，潜伏着诸如二氧化碳负荷以及对未来十年时间内燃油成本的可怕预测等政治敏感问题。因此，政府部门和船舶公司越来越关注降低环境风险以及节省能源等航运理念。

　　
　　船用变频器技术符合节能及环保理念，正是由于变频调速技术的大量使用，才使得节能及环保技术有了飞速发展，随着新的控制理论（如矢量变换控制、直接转距控制）、计算机技术和电力电子技术的发展，船用变频调速技术也将向着高效率、高性能、高精度、智能化及绿色化方向发展。

　　参考文献：

　　[1] 何超。 变频调速技术在风机及泵类应用中的节能分析[J]河北煤炭， 2006,（03） ,31-33

　　[2] 姚华，游永坤。 变频调速水泵节能经济性与应用途径的探讨[J]华北电力技术， 2006,（09），19-21