艦船電力推進(jìn)大功率變頻器分析

方曉旻

摘 要：電力推進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械式推進(jìn)形式相比具有噪音污染小、機(jī)動(dòng)性好以及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和可靠性高等特點(diǎn)。隨著電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工藝技術(shù)的改進(jìn)，艦船逐漸采用電力推進(jìn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式推進(jìn)方式，為提高艦船運(yùn)行的安全性和可靠性提供了動(dòng)力保障。下文從艦船電力推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)越性著手，對(duì)艦船電力推進(jìn)大功率變頻器控制和制動(dòng)的方法做了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：艦船；電力推進(jìn)；大功率；變頻器

中圖分類號(hào)：U665.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、現(xiàn)代電力推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)形式相比，現(xiàn)代化電力推進(jìn)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(dòng)力裝置配置。傳統(tǒng)艦船軸系的長(zhǎng)度是艦船全場(chǎng)的38%左右，設(shè)計(jì)艦船的長(zhǎng)度時(shí)必須綜合考慮推進(jìn)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(jì)?，F(xiàn)代化電力推進(jìn)技術(shù)不需要構(gòu)成長(zhǎng)軸系，可以獨(dú)立布置柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等原動(dòng)機(jī)組裝置，這在一定程度上減小了傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)形式中艦船總體設(shè)計(jì)受限制的弊端；

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

（4）電力推進(jìn)可以選擇任一形式的推進(jìn)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組；

（5）電力推進(jìn)技術(shù)還有利于電網(wǎng)電力供應(yīng)，綜合使用電力推進(jìn)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(fèi)用的同時(shí)，還能為艦船的順利建造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、艦船大功率變頻器的特點(diǎn)

艦船大功率變頻器的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）多項(xiàng)逆變電路。多項(xiàng)逆變技術(shù)的主要應(yīng)用對(duì)象是驅(qū)動(dòng)艦船常用的多相電機(jī)，這種形式下的推進(jìn)變頻器通常以“H”橋式逆變電路為主，主要目的是向多項(xiàng)推進(jìn)電機(jī)供電?！癏”橋式逆變電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示。多項(xiàng)逆變電路與三相電機(jī)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(shí)現(xiàn)大功率；多項(xiàng)逆變電路還能減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)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(diǎn)之一，無(wú)論使用哪種形式的變頻器均會(huì)產(chǎn)生諧波電流，諧波電流對(duì)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(jì)人員必須對(duì)艦船電力推進(jìn)大功率變頻器進(jìn)行深入地分析和探討。

三、艦船電力推進(jìn)大功率變頻器控制和制動(dòng)的方法

（一）艦船電力推進(jìn)大功率變頻控制的方法

艦船電力推進(jìn)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(dòng)機(jī)職能控制等。其中，磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的效益最明顯。磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的原理以直流電機(jī)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(dá)到直流電機(jī)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(chǎng)定向和空間電壓矢量的分析方法為主要手段，同時(shí)在定子坐標(biāo)中計(jì)算和控制交流電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)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(diǎn)式調(diào)節(jié)為主，順利生成PWM信號(hào)后，可以對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行有效地控制，從而獲取轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)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(diǎn)和不足。

1矢量控制法

（1）矢量控制的優(yōu)點(diǎn)有：

①調(diào)速范圍非常大，可以有效開(kāi)展恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，無(wú)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(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中仍可以進(jìn)行大轉(zhuǎn)矩。

（2）矢量控制的缺點(diǎn)有：

①很難觀測(cè)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(dòng)機(jī)的實(shí)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(dòng)機(jī)的控制方式，矢量控制中變換計(jì)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(shì)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(duì)象是電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的參數(shù)，控制效果與轉(zhuǎn)子回路參數(shù)沒(méi)有直接關(guān)系；

②直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算十分簡(jiǎn)單。實(shí)際運(yùn)算過(guò)程不需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中對(duì)定子電流進(jìn)行分解或者設(shè)定合理的定子電流，在簡(jiǎn)化信號(hào)處理過(guò)程的同時(shí)，還能有效提高運(yùn)算速度；

③控制結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)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(diǎn)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(cè)器的計(jì)算存在偏差；

③低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)頻率處于較低狀態(tài)。

（二）艦船電力推進(jìn)大功率變頻器制動(dòng)方法

艦船運(yùn)行的實(shí)際特點(diǎn)直接決定了電力推進(jìn)電機(jī)的速度。也就是說(shuō)，推進(jìn)電機(jī)在急減速、停機(jī)和倒車(chē)等狀態(tài)下必須進(jìn)行制動(dòng)操作。目前，運(yùn)用頻率最高的變頻器制動(dòng)方法主要有回饋能耗制動(dòng)和能量回饋電網(wǎng)制動(dòng)兩種方法?；仞伳芎闹苿?dòng)以直流側(cè)加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻為主要依據(jù)，將其構(gòu)成推進(jìn)電機(jī)制動(dòng)能量的泄放回路，從而滿足制動(dòng)的要求。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)施難度低一級(jí)技術(shù)較成熟等特點(diǎn)。

能量回饋電網(wǎng)制動(dòng)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(dòng)能量向交流電網(wǎng)反饋的實(shí)際需求。能量回饋電網(wǎng)制動(dòng)具有雙向流動(dòng)、節(jié)約資源、對(duì)電網(wǎng)污染小以及性能高等特點(diǎn)，在艦船電力推進(jìn)大功率變頻器的使用過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

結(jié)語(yǔ)

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(shí)，還能使艦船電力推進(jìn)上的某些缺點(diǎn)得到有效地改善。近幾年，世界上又出現(xiàn)了大量電力推進(jìn)的艦船，這些艦船上的電力推進(jìn)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(jī)，為提高艦船運(yùn)行的安全性和可靠性，研究人員必須對(duì)艦船電力推進(jìn)大功率變頻器的使用進(jìn)行有效分析。

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