变频技术在船舶风机及水泵上的应用

陈响杨, 赵士龙

(中海工业(江苏)有限公司，江苏 扬州 225200)

变频技术在船舶风机及水泵上的应用

陈响杨, 赵士龙

(中海工业(江苏)有限公司，江苏 扬州 225200)

变频技术随着工业自动化程度的不断提高而得到广泛应用。对此,对变频技术在船舶风机及水泵上的应用进行研究。介绍变频器的定义及其分类，并简要阐述其工作原理。通过分析船舶上风机和水泵的使用特性，并结合风机和主海水泵变频控制的实际案例，给出变频技术在船舶风机及泵浦上应用的实现方案。

变频；调速；风机；泵浦

0 引 言

随着全球温室效应日益加剧、资源匮乏问题日益严重，保护环境和节约能源越来越受到重视。在此背景下，有效利用能源显得尤为重要。船舶运输业在能源应用领域占有很大比重，在船舶上合理利用能源并减少污染物排放是国际社会普遍关注的问题。近年来，相关研究人员将岸上常见的变频技术应用到船舶节能上，使得船舶能源使用变得多样化。

1 变频器

1.1 变频器的定义

变频器是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备，主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元组成。变频器通过控制内部绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要提供电源电压，进而达到节能、调速的目的。此外，变频器还有很多保护功能，如过流保护、过压保护和过载保护等。

1.2 变频器的分类

1) 按照主电路工作方式的不同,变频器大体上可分为电压型和电流型2类。电压型变频器是将电压源的直流变换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电容;电流型变频器是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电感。

2) 按照脉冲方式的不同,变频器可分为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制变频器和脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)控制变频器2类。PWM是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，进而调节输出量值和波形的一种调制方式;PAM是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，进而调节输出量值和波形的一种调制方式。

1.3 变频器的工作原理

交流电机(以下简称电机)的旋转速度取决于电机的极对数和电源的频率，其计算式为

n=60f/p

(1)

式(1)中:n为同步转速;f为电源频率;p为电机极对数。由于极对数不是连续的数值(为正整数)，且大部分电机的极对数是固定不变的，因此不适合通过改变极对数来调节电机的转速。与之相比,频率可在电机外部调节后再提供给电机，通过改变频率即可自由地对电机的转速进行调节。

电机的磁通量与电源电压的关系式为

U=E=4.44kfNφ

(2)

式(2)中:U为电源电压;E为定子绕组的感应电动势;f为电源频率;N为绕组线圈匝数;k为绕组分布系数;φ为磁通量。由式(2)可知，若减小电源频率f，而使电源电压U保持不变，则φ必然变大。由于电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，φ变大会使磁路进入饱和状态，严重时将烧毁电机，因此须保证φ恒定。在电源频率f减小时，电源电压U也要减小；同理，f增大时，U也要增大，必须保证U/f为常量。

2 变频器在船舶节能上的应用

2.1 在船舶上应用变频器的意义

变频器的节能作用在船舶上主要体现在对风机和水泵电机的控制上。为保证船舶各系统运行的可靠性，各设备在设计配用动力驱动时都预留一定的余量。当外在需求无需电机满负荷运行时，电机的输入功率并没有减少，始终恒速运转，除满足动力驱动的要求之外，多余的力矩会增加有功功率的消耗，造成电能浪费。风机和水泵等设备以往常通过调节入口或出口的阀门开度来调节电机的输出流量，其输入功率大，大量的电能消耗在对阀门的控制上。在使用变频器调速时，若外在流量需求有变化，则可直接通过调节输入电源的频率和电压来调节电机的转速，以有效节约电能，从而减少燃料消耗和污染物排放。

2.2 变频器在风机节能上的应用

在中海工业有限公司建造的208 000 DWT散货船上使用变频器,对机舱风机实现变频调速控制。该船上配备有4台变频器,分别控制4台机舱风机,风机转速的调节需求来自于机舱环境温度的变化;机舱各层甲板上均布置有1台温度传感器，用于监测机舱的温度，取其中的最大值作为机舱的实际温度。此外，布置有1台压差传感器，用于监测大气压与机舱气压的差值。在系统运行前，需设置好船舶正常航行时机舱温度的上限值和下限值及大气压与机舱气压的差值，并确认风机变频系统的所有设备处于自动模式。

1) 当系统监测到机舱内的温度高于设定的上限值时，首先判断运行中的风机的转速是否达到最大。若风机没有达到最大转速，则增加其转速；若风机已达到最大转速，则启动备用风机。如此循环判断并调整风机转速，直至机舱温度低于设定的上限值或风机全部启动(见图1)。

2) 当系统监测到机舱温度低于设定的下限值时，首先判断气压差是否大于设定值。若气压差小于设定值，则不调整；若气压差大于设定值，则判断运行中的风机是否已达到最小转速。若风机没有达到最小转速，则降低风机转速；若风机已达到最小转速，则使风机停止运行。如此循环判断并调整风机转速，直至机舱内的温度高于设定的下限值或风机全部停止运行(见图2)。

考虑到主机运行时机舱内的温度有可能低于设定的下限值且没有风机运行，而主机发热量较大，需通风降温，该系统接收一个主机遥控系统反馈来的主机运行信号，当主机运行时强制启动给主机区域供风的风机。主机运行时，很多系统都处于运转状态，也需要通风降温。因此,在设计系统过程中，当主机运行时，除强制启动主机区域的风机之外，还强制启动另外一台风机。同时,系统设置有气压差传感器发生故障时的应急方案，若出现该情况，则启动全部风机(见图3和图4)。

此外，系统中还根据机舱环境拓展对百叶窗的控制，可根据风机的运行状态开启或关闭对应风机室的百叶窗,并可根据机舱内的温度是否超过限定值来开启或关闭烟囱上的百叶窗。

2.3 变频器在水泵节能上的应用

在该208 000 DWT散货船上使用变频器对主海水泵进行变频调速控制。在该船型上，配备3台变频器分别控制3台主海水泵。主海水泵转速的调节需求来自于低温淡水温度的变化；分别在用于冷却低温淡水的中央冷却器的海水进出口和淡水进出口布置1台温度传感器，用于监测海水和淡水的温度。在系统运行前，需设置好船舶正常航行时的低温淡水出口温度的上限值和下限值，并确认主海水泵变频系统所有设备处于自动模式。

1) 当系统监测到低温淡水出口温度高于设定的上限值时，首先判断运行中的主海水泵的转速是否达到最大。若主海水泵转速没有达到最大，则增加主海水泵的转速；若主海水泵转速已达到最大，则启动备用主海水泵。如此循环判断并调整主海水泵转速，直至低温淡水出口温度低于设定的上限值或主海水泵全部启动(见图5)。

2) 当系统监测到低温淡水出口温度低于设定的下限值时，首先判断运行中的主海水泵的转速是否达到最小。若主海水泵转速没有达到最小，则降低主海水泵的转速；若主海水泵转速已达到最小，则停止主海水泵。如此循环判断并调整主海水泵转速，直至低温淡水出口温度高于设定的下限值或主海水泵全部停止运行(见图6)。

3 结 语

当前国际海事组织正陆续出台更严格的船舶环保标准，随着这些标准逐步生效，船舶行业将面临更加严峻的能源使用挑战。这些因素都在加速推进各种环保节能技术的应用。变频技术在风机和泵浦调速节能上的应用证明其在船舶电网节能方面具有一定的适用性和优越性。

[1] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统:运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] 王占奎.交流电机变频调速的应用[J].电气应用,2004(3):35-38.

[3] 肖乐明.交流电机变频调速技术在船舶的应用[J].航海技术,2007(2):51-53.

Variable Frequency Technology for Marine Fan and Pump

CHENXiangyang，ZHAOShilong

(China Shipping Industry(Jiangsu) Co., Ltd., Yangzhou 225200, China)

The definition and classification of the frequency converter are introduced and the operational principle is explained in brief. The operational performances of fans and pumps are analyzed and the frequency converters driving fans/ main sea water pumps on board ships are studied. The design schemes of the fans/pumps with variable frequency technology are proposed.

variable frequency; speed regulation; fan; pump

2016-08-22

陈响杨(1986—)，男,江苏滨海人,工程师,从事船舶电气设计工作。

1674-5949(2017)01-0066-04

U665.1

A