基于在船舶電力拖動(dòng)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用研究

吳俊 王江濤

摘要：在船舶控制中，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值較高，能夠提高機(jī)械控制能力，滿足多場(chǎng)景應(yīng)用要求。本文以變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用為研究出發(fā)點(diǎn)，首先對(duì)調(diào)速技術(shù)的基本原理、控制原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，明確電壓與頻率設(shè)置的重要性。其次，論述船舶電力拖動(dòng)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用路徑，最后取得了較為明顯的研究成果，提高了船舶電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：船舶;電力拖動(dòng);變頻調(diào)速技術(shù);應(yīng)用

前言：近年來，隨著信息技術(shù)發(fā)展，在船舶電力拖動(dòng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)成為可能。在開展船舶電力拖動(dòng)中，相關(guān)人員應(yīng)分析目前技術(shù)應(yīng)用情況，對(duì)其基本原理和控制方式進(jìn)行明確，并通過多種技術(shù)方式，確保變頻調(diào)速技術(shù)被合理應(yīng)用。

1變頻調(diào)速技術(shù)

1.1基本原理與控制原理

以下對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理和控制原理進(jìn)行說明。目前，應(yīng)用較為廣泛的變頻方式是交流電—直流電-交流電。其基本原理是將50Hz的交流整流為直流電Ud，再通過三相逆變器，將直流逆變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的三相交流，供給鼠籠電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速目標(biāo)[1]。

變頻調(diào)速控制器的主電路包括QF1空氣開關(guān)、交流接觸器KM1和變頻器VF。具體運(yùn)行控制上，需要配合使用轉(zhuǎn)換開關(guān)SA、復(fù)位開關(guān)SB和停止開關(guān)SB2，通過上述開關(guān)能夠控制變頻器VF。在電力拖動(dòng)控制中，當(dāng)需要對(duì)VF進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，需要首先合上QF1和QF2，確保SA處于啟動(dòng)位置上。KM1會(huì)帶動(dòng)電子觸點(diǎn)閉合，此時(shí)HL2指示燈亮起;此外，也可按下SB1使得KA1帶電觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，當(dāng)VF運(yùn)行時(shí)，電源指示燈HL3亮起。在船舶電力拖動(dòng)控制中，不確定因素較多，為提高操作安全性與穩(wěn)定性，需要在每臺(tái)變頻器上加裝旁路接觸器KM2。 1.2電壓與頻率

在控制類型角度分析，電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)大部分設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速開環(huán)，在具體控制過程中會(huì)應(yīng)用三相可控整流器，同時(shí)需要考慮直流電壓?，F(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的直流電壓源逆變器為VSI，可通過該逆變器控制調(diào)速頻率。

由于控制整流器輸出電壓與逆變器的輸出頻率為帶有正值的信號(hào)電壓，為達(dá)到理想的控制效果，需要對(duì)絕對(duì)值變換器GAB進(jìn)行約束。GAB通過兩路控制整流器的輸出電壓和逆變器的輸出頻率，在具體控制環(huán)境中，由于采用了同一控制信號(hào)，因此，能夠確保電壓和頻率具有協(xié)調(diào)性。

2船舶電力拖動(dòng)中變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用

2.1控制方式

在船舶電力拖動(dòng)中，使用的變頻器型號(hào)為TD2000，通過執(zhí)行不同命令控制方式，并結(jié)合卸油泵工作性質(zhì)，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行了布置。例如，在某電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員對(duì)控制方式進(jìn)行了優(yōu)化，以變頻器控制端子，對(duì)設(shè)定信號(hào)進(jìn)行輸入，通過多種方式對(duì)端子進(jìn)行控制，其中包括VRF-GND、VCI-GND、FWD-COM。通過對(duì)上述控制方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，能夠滿足變頻器控制要求，確保變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力拖動(dòng)中被高效使用。

對(duì)不同控制方式的電壓值進(jìn)行說明：VRF-GND使用的外接頻率設(shè)定電源為10V，為直流電。VCI-GND需要模擬電壓頻率完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出與設(shè)定，其中輸入范圍值0～10V，直流電壓。FWD-COM運(yùn)行控制方式，主要的應(yīng)用場(chǎng)景是運(yùn)行控制和停止操作。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)整范圍較大，并且調(diào)速具有良好的平滑性。在具體操作中，相關(guān)人員需要對(duì)控制方式進(jìn)行合理選擇，根據(jù)船舶類型和電力拖動(dòng)目的，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，在控制過程中，也需要關(guān)注機(jī)械負(fù)載共振點(diǎn)，對(duì)其振動(dòng)較大的問題提高關(guān)注力度，并控制其運(yùn)行溫度，以達(dá)到較為平穩(wěn)的控制要求。在變頻控制過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)十分刺耳的聲音，其主要原因是控制方式選擇錯(cuò)誤，未能根據(jù)系統(tǒng)要求，對(duì)控制方案進(jìn)行優(yōu)化。因此，在調(diào)速變頻技術(shù)應(yīng)用過程中，相關(guān)人員應(yīng)重點(diǎn)考慮其工作環(huán)境，根據(jù)不同作業(yè)條件，對(duì)系統(tǒng)控制方式進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)應(yīng)用性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2控制步驟

變頻器的控制步驟具體包括以下方面：首先按照基本配線圖做好常規(guī)接線，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢查，當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)均滿足條件后，方可進(jìn)行上電操作。隨后使用PRG鍵進(jìn)入到編程狀態(tài)，并在操作面板上，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行定義，使得操作流程更加規(guī)范。當(dāng)上述定義完成后，相關(guān)人員需要使用PRG鍵返回到停機(jī)狀態(tài)。其次需要按下啟動(dòng)按鈕，使得中間繼電器K得到電力供應(yīng)。當(dāng)船舶電力拖動(dòng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，應(yīng)在監(jiān)控臺(tái)上對(duì)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)運(yùn)行頻率進(jìn)行控制，使得相關(guān)的參數(shù)變化可在顯示器長(zhǎng)呈現(xiàn)出來，以達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。

此時(shí)，為確保電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)人員應(yīng)繼續(xù)調(diào)節(jié)電位器，并對(duì)油泵電機(jī)的頻率和運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，使得電機(jī)處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)上述條件被滿足后，油泵電機(jī)的頻率被加速到50Hz，此時(shí)電機(jī)正常工作。在無需控制電力拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，只要斷開K開關(guān)，則電機(jī)出現(xiàn)減速，直到完全停止。

在控制步驟中，相關(guān)人員也需要考慮技術(shù)升級(jí)問題，對(duì)其中應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行分析，使得系統(tǒng)應(yīng)用效果達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。試驗(yàn)表明，在控制過程中，對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行調(diào)整，注重縮短時(shí)間和速度，能夠提高變頻調(diào)速能力。此外，在調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，應(yīng)重視對(duì)調(diào)試范圍和系統(tǒng)進(jìn)行分析，了解技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使得船舶電力拖動(dòng)作業(yè)高效開展。

2.3性能分析

在船舶電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，需要對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行明確，了解系統(tǒng)應(yīng)用性能。試驗(yàn)表明，在監(jiān)控平臺(tái)上以順時(shí)針方向調(diào)節(jié)電位器、可提高電機(jī)的運(yùn)行頻率，使得相關(guān)參數(shù)從0值達(dá)到50Hz，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的頻率達(dá)到最大化。變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能良好，其調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性良好，并且加減速時(shí)間短，從0值到50Hz僅僅需要50s。此外，分析后可知，時(shí)間與輸出頻率之間呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性。

此外，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，能夠滿足船舶電機(jī)機(jī)械性能可靠要求。目前，在電力拖動(dòng)中使用較為廣泛的變頻調(diào)速方式為三相異步電動(dòng)機(jī)。為進(jìn)一步分析電動(dòng)機(jī)各參數(shù)與系統(tǒng)性能之間關(guān)系，有必要對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與轉(zhuǎn)矩之間的表達(dá)式進(jìn)行明確，二者的關(guān)系可利用線性關(guān)系n=f（M）表達(dá)。本次研究中使用的電機(jī)為卸油泵電機(jī)，在開展電力拖動(dòng)工作時(shí)，其機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式：

根據(jù)公式，已知條件n=n0（1-s）及 ，將其帶入到公式中，可知f11>f12>f14.通過上述分析，可知電動(dòng)機(jī)具有較為強(qiáng)硬的機(jī)械性能，其各項(xiàng)指標(biāo)均良好，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。

在船舶電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的過程中，相關(guān)人員需要關(guān)注油泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程，對(duì)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并嚴(yán)格控制頻率，對(duì)其初始頻率與最大頻率進(jìn)行控制。在本次研究中，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流較小，根據(jù)分析結(jié)果，其電流值只有16A，然而在后期運(yùn)行中，電流值隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升而提高，其穩(wěn)定值會(huì)固定在50A。上述頻率電流能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，使得電力拖動(dòng)系統(tǒng)工作正常，并減少對(duì)電機(jī)的機(jī)械沖擊，確保其達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)的目標(biāo)[3]。

現(xiàn)階段，隨著半導(dǎo)體變流技術(shù)發(fā)展，一些性能更為良好的變頻技術(shù)和方式不斷涌現(xiàn)，相關(guān)人員應(yīng)做好技術(shù)升級(jí)工作，使得變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電動(dòng)控制中應(yīng)用更加高效，并節(jié)約成本，提高運(yùn)行管理效率。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，本文從變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用原理出發(fā)，對(duì)其基本原理與控制理念進(jìn)行分析，并且研究了電壓和電流對(duì)變頻技術(shù)產(chǎn)生的具體影響。根據(jù)上述研究成果，提出了在船舶電力拖動(dòng)系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)的觀點(diǎn)。通過對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式、控制步驟和應(yīng)用性能的分析，證明了變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用效果。文章研究也可為行業(yè)相關(guān)人員提供理論參考，以更好開展基于變頻調(diào)速理論的系統(tǒng)控制工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊忠安，甘海云，朱春偉.變頻器在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（02）：97-99.

[2]苗立偉.電機(jī)拖動(dòng)中變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用分析[J].教育教學(xué)論壇，2020，No.454（08）：177-178.

[3]李定川.變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜合分析[J].變頻器世界，2020（02）：45-52.