变频调速技术在船舶电力拖动中的应用

变频调速技术在船舶电力拖动中的应用

摘要：船用电动机应用变频调速技术，使控制更加灵活，效率更高。结合工程实例对变频调速技术在船舶电力拖动中的应用及性能做了介绍。

关键词：变频调速原理；变频调速系统；卸油泵调速过程；性能分析 某船电动机(380 V，90 kW，1 450 r／rain)由于工作要求能调速，不卸油时能替代扫舱泵(380V，18．5 kW，1 450r／min)进行扫舱，而采用了变频器控制。在船舶电力拖动中，由于船舶的工作环境潮湿、振动大、变频器价格昂贵等原因，变频调速技术暂没普及。为了更合理更有效地使用变频调速技术，结合工程实例对变频调速技术的原理、应用及性能作一介绍。 1 原理

1．1变频调速的基本原理 从异步电动机的转速

关系式可知，当转差率变化不大时，绕阻极对数一定

时，旋转磁场与电源频率成正比地变化，所以连续地调节频率可以平滑地调节异步电动机的转速。变频调速时应保持2个参数不变。 1)为了电机运行时性能和容量能够充分利用，从公式时，f的减少必将导致气隙磁通

可知，在

一定

的过大，引起磁路的过饱和，励磁电流的急增，功率因数

基本不变，调频时必须同时调压以便

降低，容量得不到充分利用。为了保持调频过程中

2)为了保证电机运行的稳定，在变频调速时，应维持电机的过载能力不变。式

，则

≈

。为保证变频前后过载能力不变，即

，则应满足下列关系：

从以上分析可知，异步电动机变频调速时要求能同时改变电源的电压和频率，而船上提供的交流供电电源都是恒压恒频的，因此必须通过变频装置以换得变压变频的电源。卸油泵电动机变频装置就是根据以上原理设计的。 1．2 变频调速系统

从控制类别来看，卸油泵电动机的变频调速系统为转速开环，恒压频比控制电压源变频调速系统。调速系统框图如图1所示。图中UR是三相可控整流器，用电压控制环节控制它的输出直流电压；VSI是电压源逆变器，用频率控制环节控制它的频率。

GF一函数发生器；AVR一电压调节器；ACR一电沉调节 器；GI一给定积分器；GAB一绝对值变换器)GVF一压频 变换器；AP一脉冲放大器；DPI一极性鉴别器；uR一三相 可控整流器；VSI一电压源逆变器

图1 转速开环、恒压频比控制电压源变频调速系统图 整个系统的控制信号来自速度给定

，为了在速度给定即使作为阶跃变化的情况下也

能协调地控制逆变器的输出电压与频率平缓地变化，故设置了给定积分器GI，将阶跃的输入变成斜坡输出信号

，为了控制电机的正反转。速度给定及给定积分器输出可正可负。

由于控制整流器的输出电压和逆变器的输出频率只需正值的信号电压，为此设置了绝对值变换器GAB。

信号经绝对值变换器GAB后是电压一频率控制信号

，它分为两路分别

控制整流器的输出电压和逆变器的输出频率。由于采用同一控制信号，所以，保证了输出电压和输出频率的协调。对变频调速技术有了理性的认识后，我们再来看变频器对卸油泵的控

制过程。

2 变频器对3#卸油泵的控制过程

2．1 变频器对3#卸油泵的控制方式

TD2000型变频器有3种运行命令控制方式。根据卸油泵的工作性质及各电气设备的布置(变频器在配电室

肋位，监控台在

肋位，

卸油泵在泵舱

肋位)情况，

我们采用变频器控制端子输入频率设定信号，用控制端子(VRF—GND、VCI—GND、FWD—COM)进行运转控制方式(图2)。

VRF—GND：外接频率设定用电源+10 V，DC；

VCI—GND：模拟电压频率设定输入，输入范围0～+10 V： FWD—COM：运行控制(正转／停止)。

图2 变频器、监控台、卸油泵电机之间的配线原理图

2．2 变频器控制步骤

1)按基本配线图接好线，检查正确后上电； 2)用PRG键进入编程状态；

3)在操作面板上定义运行所需要的各种参数： 4)定义完毕，用PRG键返回停机状态。

5)按下启动按钮，中间继电器K得电，常开点K，闭合，

卸油泵电机开始运行。在监控

台上调节电位器，运行频率发生变化(变化的参数大小可以从监控台上频率表中反映出来)。继续调节电位器，让油泵电机的频率加速至运行频率(50 Hz)电机正常工作； 6)断开K，电机减速停止。 3 变频调速系统的性能分析 3．1 调速范围广，调速平滑性好

试验证明，只要在监控台上顺时针调节电位器，就可以通过变频器让

卸油泵电机的

运行频率从0频加速到最大频率，反之则从最大频率减速至0频，而且加、减速时间短，笔者实测了一下，大概50s。并且得出了时间与输出频率成线性变化。以上不难看出，变频调速的调速范围广，调速平滑性好的特点。 3．2 机械特性硬，系统运行稳定

三相异步电动机的机械特性是指转速与转矩之间的关系，即的是各参数的变化对式：

在

卸油泵的变频调速过程中，采集了一些数据，并根据上式，考虑

绘制了3#卸油泵电动机变频时的机械特性(图3)。其中

由此得出变频器机械特性足够硬的特点。

及

。现在我们分析

卸油泵电机运行性能的影响情况，故采用的是机械特性的参数表达

3．3 改善电机起动性能

对

卸油泵电机的变频调速过程，其实也是

卸油泵电机的起动过程。调节电位器，

卸油泵电机(=164A)的起动电流很

运行频率从初始频率逐渐增至最大频率。笔者观察，

小，可以说起动电流是随着电机转速的上升而平滑上升的，最后稳定在工作电流50A左右，这样避免了常规起动方法最小也得实现了电机的平稳起动。

4 结束语

变频调速系统具有的调速范围大，调速平滑性好，机械特性硬，改善电机起动性能等特点，是其它调速方法无法比拟的，是异步电动机最有发展前途的一种调速方法。但它也存在着一定的缺点：必须有专用的变频装置，投资大；在变频调速过程中，电机发出难听的尖叫声，尽管时间不长，但对工作环境有一定的影响；在频率为35 Hz左右时(针对3。卸油泵电机而言)，出现机械负载共振点，电机振动较大，温度升高。随着半导体变流技术的不断发展，相信一些简单可靠，性能优异、价格便宜的变频调速线路将不断出现。变频调速技术的应用不仅在陆用异步电动机中日见广泛，而且在船舶电力拖动中也会得到广泛应用。 参考文献：

[1]邱阿瑞，孙旭东．实用电动机控制[M]．北京：人民邮电出版社，

的起动电流，减小了对

卸油泵电机的机械冲击，