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变频调速技术在船舶行业的应用及其发展前景
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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:
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。
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
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