艦船電力推進大功率變頻器分析

方曉旻

摘 要：電力推進技術(shù)與傳統(tǒng)的機械式推進形式相比具有噪音污染小、機動性好以及經(jīng)濟實惠和可靠性高等特點。隨著電動機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工藝技術(shù)的改進，艦船逐漸采用電力推進方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式推進方式，為提高艦船運行的安全性和可靠性提供了動力保障。下文從艦船電力推進技術(shù)的優(yōu)越性著手，對艦船電力推進大功率變頻器控制和制動的方法做了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：艦船；電力推進；大功率；變頻器

中圖分類號：U665.1 文獻標(biāo)識碼：A

一、現(xiàn)代電力推進技術(shù)的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)機械推進形式相比，現(xiàn)代化電力推進技術(shù)在艦船上的使用具有以下優(yōu)越性：

（1）有利于艦船動力裝置配置。傳統(tǒng)艦船軸系的長度是艦船全場的38%左右，設(shè)計艦船的長度時必須綜合考慮推進裝置軸系的布置狀況，這在一定程度上限制了艦船的總體設(shè)計。現(xiàn)代化電力推進技術(shù)不需要構(gòu)成長軸系，可以獨立布置柴油機、燃?xì)廨啓C等原動機組裝置，這在一定程度上減小了傳統(tǒng)機械推進形式中艦船總體設(shè)計受限制的弊端；

（2）電力推進形式可以自由選擇合適的螺旋槳，合理控制附加在艦船上的阻力；

（3）電力推進技術(shù)與傳統(tǒng)機械推進形式相比可以減少艦船上原動機組配備的數(shù)量，節(jié)省原動機占用的空間的同時，還能為后期維修施工提供便利；

（4）電力推進可以選擇任一形式的推進電機和發(fā)電機組；

（5）電力推進技術(shù)還有利于電網(wǎng)電力供應(yīng)，綜合使用電力推進技術(shù)后，不僅可以提高螺旋槳的使用效率，還能提高艦船的隱形功能，減低艦船研制費用的同時，還能為艦船的順利建造打下堅實的基礎(chǔ)。

二、艦船大功率變頻器的特點

艦船大功率變頻器的特點主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）多項逆變電路。多項逆變技術(shù)的主要應(yīng)用對象是驅(qū)動艦船常用的多相電機，這種形式下的推進變頻器通常以“H”橋式逆變電路為主，主要目的是向多項推進電機供電。“H”橋式逆變電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示。多項逆變電路與三相電機調(diào)速系統(tǒng)相比具有更多可以控制的資源和潛能；可以采用低壓功率器件實現(xiàn)大功率；多項逆變電路還能減小轉(zhuǎn)矩脈動的幅度，采用頻率較低的方波電壓供電；減少轉(zhuǎn)系諧波損耗量；提高驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和安全性等；

（2）多脈波整流。多脈波整流是艦船大功率變頻器的主要特點之一，無論使用哪種形式的變頻器均會產(chǎn)生諧波電流，諧波電流對電網(wǎng)有嚴(yán)重的污染作用，艦船建造規(guī)范有嚴(yán)格規(guī)定，電網(wǎng)電壓畸變率必須控制在5%以內(nèi)，因此，設(shè)計人員必須對艦船電力推進大功率變頻器進行深入地分析和探討。

三、艦船電力推進大功率變頻器控制和制動的方法

（一）艦船電力推進大功率變頻控制的方法

艦船電力推進大功率變頻器控制的方法有很多種，常用的方法有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制以及矩陣式交-交控制和異步電動機職能控制等。其中，磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的效益最明顯。磁場定向控制系統(tǒng)的原理以直流電機電樞電流與磁通為依據(jù)，并以此作為控制轉(zhuǎn)矩特性的主要手段，從而達到直流電機滿足轉(zhuǎn)矩和磁通的控制需求。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以定子磁場定向和空間電壓矢量的分析方法為主要手段，同時在定子坐標(biāo)中計算和控制交流電動機，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈之間的連接。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以離散的兩點式調(diào)節(jié)為主，順利生成PWM信號后，可以對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行有效地控制，從而獲取轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法均具有自身的優(yōu)點和不足。

1矢量控制法

（1）矢量控制的優(yōu)點有：

①調(diào)速范圍非常大，可以有效開展恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，無論是低速還是高速控制其性能都可以保持不變；

②可以通過模型解耦控制提高調(diào)速的精確度；

③具有連貫性的低速特性，低速運轉(zhuǎn)的過程中仍可以進行大轉(zhuǎn)矩。

（2）矢量控制的缺點有：

①很難觀測到精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子磁鏈結(jié)果；

②以電子模型和參數(shù)為主要依據(jù)，矢量控制的性能與電動機的實際參數(shù)之間存在必然的聯(lián)系；

③如果需要模擬直流電動機的控制方式，矢量控制中變換計算十分復(fù)雜、控制內(nèi)容十分繁瑣。

2直接轉(zhuǎn)矩控制

（1）直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢表現(xiàn)在：

①直接轉(zhuǎn)矩控制具有較高的性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的主要對象是電動機定子側(cè)的參數(shù)，控制效果與轉(zhuǎn)子回路參數(shù)沒有直接關(guān)系；

②直接轉(zhuǎn)矩控制計算十分簡單。實際運算過程不需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中對定子電流進行分解或者設(shè)定合理的定子電流，在簡化信號處理過程的同時，還能有效提高運算速度；

③控制結(jié)構(gòu)十分簡單；

④精度高，具有較快的響應(yīng)速度。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的缺點主要有：

①必須采用轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；

②定子電阻與溫度有直接關(guān)系，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩觀測器的計算存在偏差；

③低速運轉(zhuǎn)時，逆變器開關(guān)頻率處于較低狀態(tài)。

（二）艦船電力推進大功率變頻器制動方法

艦船運行的實際特點直接決定了電力推進電機的速度。也就是說，推進電機在急減速、停機和倒車等狀態(tài)下必須進行制動操作。目前，運用頻率最高的變頻器制動方法主要有回饋能耗制動和能量回饋電網(wǎng)制動兩種方法。回饋能耗制動以直流側(cè)加制動單元和制動電阻為主要依據(jù)，將其構(gòu)成推進電機制動能量的泄放回路，從而滿足制動的要求。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、實施難度低一級技術(shù)較成熟等特點。

能量回饋電網(wǎng)制動以整流側(cè)并聯(lián)逆變電路為主，可以之力利用PWM整流滿足制動能量向交流電網(wǎng)反饋的實際需求。能量回饋電網(wǎng)制動具有雙向流動、節(jié)約資源、對電網(wǎng)污染小以及性能高等特點，在艦船電力推進大功率變頻器的使用過程中發(fā)揮著重要的作用。

結(jié)語

功率電子器件在艦船上使用，功率電子技術(shù)在改變艦船能量變換形式的同時，還能使艦船電力推進上的某些缺點得到有效地改善。近幾年，世界上又出現(xiàn)了大量電力推進的艦船，這些艦船上的電力推進裝置大部分配備了現(xiàn)代化的功率電子變換設(shè)備，還有的配備了永磁電機，為提高艦船運行的安全性和可靠性，研究人員必須對艦船電力推進大功率變頻器的使用進行有效分析。

參考文獻

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