變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)電流諧波影響及應(yīng)對(duì)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(jī)械設(shè)備隨處可見，并能改變各行各業(yè)傳統(tǒng)作業(yè)模式的工業(yè)化時(shí)代，變頻器在其中起著不可或缺的重要作用。因?yàn)?，變頻器的調(diào)速性能能夠滿足各種工業(yè)生產(chǎn)要求,極大地提高工業(yè)生產(chǎn)效率。尤其是對(duì)風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速調(diào)節(jié)流量的節(jié)能效果非常明顯,從而使得變頻器在船舶行業(yè)得到廣泛的推廣與應(yīng)用。然而，隨著變頻設(shè)備在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，將會(huì)導(dǎo)致各種非線性負(fù)荷的增加，同時(shí)，船舶中所涉及的電力電子設(shè)備的能耗占船舶電氣總能耗的比例越高，進(jìn)一步加大人們對(duì)使船舶電網(wǎng)中諧波污染分析的難度，進(jìn)而直接影響到船舶運(yùn)行的安全可靠性以及相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)電流諧波的影響分析

1.1 對(duì)電力控制元件和電容器的影響

一旦變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)電流諧波影響達(dá)到一定限度，將會(huì)使得原本確保整個(gè)船舶電流網(wǎng)絡(luò)的電子式保護(hù)繼電器工作失靈，或者導(dǎo)致可編程控制器（PLC）等因諧波而產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而影響到船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的其他元件的失效。此外，由于諧波電流將會(huì)產(chǎn)生大量的額外電流，從而使電容器和系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振造成諧波電流放大,在過大電流的載荷下，將會(huì)使電容器出現(xiàn)過載被擊穿或燒壞。

1.2 對(duì)動(dòng)力設(shè)備的影響

在諧波電流的影響下，對(duì)于那些依靠電壓源型變頻器供電的普通電機(jī),其轉(zhuǎn)矩將會(huì)降低。因?yàn)?，電機(jī)在調(diào)速運(yùn)行時(shí)諧波引起電機(jī)的鐵損和銅損進(jìn)一步增加,不能夠產(chǎn)生原有的額定轉(zhuǎn)矩,盡管現(xiàn)代變頻器技術(shù)在一定程度上能夠克服各種障礙以得到足夠的轉(zhuǎn)矩,但是，若要在此情況下長期維持額定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，只會(huì)加劇船舶動(dòng)力設(shè)備的損耗，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)長期處于高溫狀態(tài)下工作而縮短絕緣壽命。

1.3 對(duì)船舶通訊設(shè)備的影響

由于諧波電流的產(chǎn)生，使得通訊系統(tǒng)的工作模式必須處于有諧振的環(huán)境中,當(dāng)諧波達(dá)到通訊系統(tǒng)的臨界點(diǎn)時(shí)，將會(huì)使整個(gè)通信系統(tǒng)出現(xiàn)通訊干擾，不利于船舶與指揮臺(tái)之間的信號(hào)傳輸，進(jìn)而影響到船舶航行的安全性。

2 變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)電流諧波影響的對(duì)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(chǎn)生的諧波對(duì)船舶電網(wǎng)的影響。因?yàn)?，濾波電抗器其工作原理正是與諧波產(chǎn)生的相反，從而達(dá)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(yùn)行,即避免由自身所產(chǎn)生的諧波干擾而出現(xiàn)功率忽大忽小的情況，還可亦減了變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)的污染，使船舶電網(wǎng)信號(hào)處于最優(yōu)狀態(tài)。同時(shí),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(dú)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(duì)周圍環(huán)境的高頻輻射。

2.2 船舶電網(wǎng)設(shè)計(jì)中采用無源濾波器

由于無源濾波器成本低下，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，不僅能夠有效地抑制由變頻器所產(chǎn)生的諧波，還可以補(bǔ)償無功功率，在船舶行業(yè)受到人們的青睞。無源濾波器包括單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器這兩種類型。其中，單調(diào)諧濾波器主要是用于吸收由變頻器所產(chǎn)生的單次諧波；而雙調(diào)諧濾波器可同時(shí)吸收兩個(gè)次數(shù)的諧波，其工作原理與單調(diào)濾波器相同，只是它在在諧振頻率附近實(shí)際上等于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。此外，雙調(diào)諧濾波器的基波損耗比單調(diào)諧濾波器的小，僅一個(gè)電抗器承受全部沖擊電壓，但是其構(gòu)造較復(fù)雜，調(diào)諧困難，也不利于實(shí)現(xiàn)。

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(shí)，還可以有效地增加諧波電壓峰值上升時(shí)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(jī)的運(yùn)行性能，因?yàn)閷?duì)電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。尤其是在船舶電機(jī)絕緣水平相對(duì)比較弱的情況，限壓濾波器表現(xiàn)出良好的效果。

2.4 設(shè)置π型濾波器

在船舶電網(wǎng)電流中，π型濾波器設(shè)置在主變壓器和應(yīng)急變壓器初級(jí)與次級(jí)兩端,同時(shí)，并裝設(shè)由電感、電容及電阻組成的單調(diào)諧濾波器和低通濾波器，將會(huì)極大地降低變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)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(diào)諧濾波器是針對(duì)某個(gè)特定次數(shù)的諧波而設(shè)計(jì)的濾波器。由此可見，設(shè)置π型濾波器的方法，在降低變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)電流諧波影響中不僅效果良好，還可以切實(shí)地降低船舶運(yùn)作成本，簡單易于實(shí)現(xiàn)，并為相關(guān)船舶企業(yè)最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益提供可靠保障。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著我國船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，加上我國海上貿(mào)易日益擴(kuò)大，使得船舶中變頻器對(duì)船舶電網(wǎng)電流諧波影響越來越受到人們的關(guān)注。因?yàn)?，船舶上的電網(wǎng)電流、航行設(shè)備運(yùn)行、船舶上無線電通信以及部通信工作等都會(huì)受到諧波影響，因此，這就需要相關(guān)人員必須綜合各種有效策略切實(shí)地減少諧波的影響，對(duì)于確保船舶的安全、可靠航行，最終為相關(guān)船舶企業(yè)創(chuàng)造更大的利益空間。

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