變頻器對船舶電網電流諧波影響及應對策略

曲兆源

利豐海洋工程(天津)有限公司，天津 300457

研究表明，在工藝機械設備隨處可見，并能改變各行各業傳統作業模式的工業化時代，變頻器在其中起著不可或缺的重要作用。因為，變頻器的調速性能能夠滿足各種工業生產要求,極大地提高工業生產效率。尤其是對風機水泵調速調節流量的節能效果非常明顯,從而使得變頻器在船舶行業得到廣泛的推廣與應用。然而，隨著變頻設備在船舶電力系統中的應用進一步擴大，將會導致各種非線性負荷的增加，同時，船舶中所涉及的電力電子設備的能耗占船舶電氣總能耗的比例越高，進一步加大人們對使船舶電網中諧波污染分析的難度，進而直接影響到船舶運行的安全可靠性以及相關企業的經濟效益。

1 變頻器對船舶電網電流諧波的影響分析

1.1 對電力控制元件和電容器的影響

一旦變頻器對船舶電網電流諧波影響達到一定限度，將會使得原本確保整個船舶電流網絡的電子式保護繼電器工作失靈，或者導致可編程控制器（PLC）等因諧波而產生誤動作，從而影響到船舶電網系統的其他元件的失效。此外，由于諧波電流將會產生大量的額外電流，從而使電容器和系統產生并聯諧振造成諧波電流放大,在過大電流的載荷下，將會使電容器出現過載被擊穿或燒壞。

1.2 對動力設備的影響

在諧波電流的影響下，對于那些依靠電壓源型變頻器供電的普通電機,其轉矩將會降低。因為，電機在調速運行時諧波引起電機的鐵損和銅損進一步增加,不能夠產生原有的額定轉矩,盡管現代變頻器技術在一定程度上能夠克服各種障礙以得到足夠的轉矩,但是，若要在此情況下長期維持額定轉矩運行，只會加劇船舶動力設備的損耗，進而導致電機長期處于高溫狀態下工作而縮短絕緣壽命。

1.3 對船舶通訊設備的影響

由于諧波電流的產生，使得通訊系統的工作模式必須處于有諧振的環境中,當諧波達到通訊系統的臨界點時，將會使整個通信系統出現通訊干擾，不利于船舶與指揮臺之間的信號傳輸，進而影響到船舶航行的安全性。

2 變頻器對船舶電網電流諧波影響的對策

2.1 增加濾波電抗器

一般情況下，在變頻器輸入輸出端增加濾波電抗器，能夠有效地減少變頻器所產生的諧波對船舶電網的影響。因為，濾波電抗器其工作原理正是與諧波產生的相反，從而達到抑制諧波的目的，這樣不僅能夠確保變頻器自身的安全運行,即避免由自身所產生的諧波干擾而出現功率忽大忽小的情況，還可亦減了變頻器對船舶電網的污染，使船舶電網信號處于最優狀態。同時,因這些變頻器是裝在薄鋼板制成的控制柜中的,將變頻器單獨可靠接地后,加上控制柜的屏蔽作用,大大降低了高頻諧波對周圍環境的高頻輻射。

2.2 船舶電網設計中采用無源濾波器

由于無源濾波器成本低下，結構簡單，易于實現，不僅能夠有效地抑制由變頻器所產生的諧波，還可以補償無功功率，在船舶行業受到人們的青睞。無源濾波器包括單調諧濾波器和雙調諧濾波器這兩種類型。其中，單調諧濾波器主要是用于吸收由變頻器所產生的單次諧波；而雙調諧濾波器可同時吸收兩個次數的諧波，其工作原理與單調濾波器相同，只是它在在諧振頻率附近實際上等于兩個并聯的單調諧濾波器。此外，雙調諧濾波器的基波損耗比單調諧濾波器的小，僅一個電抗器承受全部沖擊電壓，但是其構造較復雜，調諧困難，也不利于實現。

2.3 采用限壓濾波器(du/dt濾波器)

研究表明，限壓濾波器除了包含電抗器之外,還有電容阻或電容器吸收整流橋,這些電子元件能夠明顯地降低諧波峰值電壓，同時，還可以有效地增加諧波電壓峰值上升時間，即減少du/dt值。例如，諧波電壓峰值可降到684V，du/dt為40V/μs，然而，卻不影響電機的運行性能，因為對電機所造成的損失電壓大約只占其額定電壓0.5%～1.0%,從而減少啟動轉矩和最大轉矩。尤其是在船舶電機絕緣水平相對比較弱的情況，限壓濾波器表現出良好的效果。

2.4 設置π型濾波器

在船舶電網電流中，π型濾波器設置在主變壓器和應急變壓器初級與次級兩端,同時，并裝設由電感、電容及電阻組成的單調諧濾波器和低通濾波器，將會極大地降低變頻器對船舶電網電流諧波的影響，為船舶的安全、正常航行提供可靠保障。其中，低通濾波器是為了吸收若干較高次諧波的濾波器，而單調諧濾波器是針對某個特定次數的諧波而設計的濾波器。由此可見，設置π型濾波器的方法，在降低變頻器對船舶電網電流諧波影響中不僅效果良好，還可以切實地降低船舶運作成本，簡單易于實現，并為相關船舶企業最終實現經濟效益與社會效益提供可靠保障。

3 結論

綜上所述，隨著我國船舶工業的不斷發展，加上我國海上貿易日益擴大，使得船舶中變頻器對船舶電網電流諧波影響越來越受到人們的關注。因為，船舶上的電網電流、航行設備運行、船舶上無線電通信以及部通信工作等都會受到諧波影響，因此，這就需要相關人員必須綜合各種有效策略切實地減少諧波的影響，對于確保船舶的安全、可靠航行，最終為相關船舶企業創造更大的利益空間。

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