舰船电力推进大功率变频器分析

方晓旻

摘 要：电力推进技术与传统的机械式推进形式相比具有噪音污染小、机动性好以及经济实惠和可靠性高等特点。随着电动机结构的优化和工艺技术的改进，舰船逐渐采用电力推进方式代替传统的机械式推进方式，为提高舰船运行的安全性和可靠性提供了动力保障。下文从舰船电力推进技术的优越性着手，对舰船电力推进大功率变频器控制和制动的方法做了简单介绍。

关键词：舰船；电力推进；大功率；变频器

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

一、现代电力推进技术的优越性

与传统机械推进形式相比，现代化电力推进技术在舰船上的使用具有以下优越性：

（1）有利于舰船动力装置配置。传统舰船轴系的长度是舰船全场的38%左右，设计舰船的长度时必须综合考虑推进装置轴系的布置状况，这在一定程度上限制了舰船的总体设计。现代化电力推进技术不需要构成长轴系，可以独立布置柴油机、燃气轮机等原动机组装置，这在一定程度上减小了传统机械推进形式中舰船总体设计受限制的弊端；

（2）电力推进形式可以自由选择合适的螺旋桨，合理控制附加在舰船上的阻力；

（3）电力推进技术与传统机械推进形式相比可以减少舰船上原动机组配备的数量，节省原动机占用的空间的同时，还能为后期维修施工提供便利；

（4）电力推进可以选择任一形式的推进电机和发电机组；

（5）电力推进技术还有利于电网电力供应，综合使用电力推进技术后，不仅可以提高螺旋桨的使用效率，还能提高舰船的隐形功能，减低舰船研制费用的同时，还能为舰船的顺利建造打下坚实的基础。

二、舰船大功率变频器的特点

舰船大功率变频器的特点主要表现在以下方面：

（1）多项逆变电路。多项逆变技术的主要应用对象是驱动舰船常用的多相电机，这种形式下的推进变频器通常以“H”桥式逆变电路为主，主要目的是向多项推进电机供电。“H”桥式逆变电路结构如下图1所示。多项逆变电路与三相电机调速系统相比具有更多可以控制的资源和潜能；可以采用低压功率器件实现大功率；多项逆变电路还能减小转矩脉动的幅度，采用频率较低的方波电压供电；减少转系谐波损耗量；提高驱动系统的可靠性和安全性等；

（2）多脉波整流。多脉波整流是舰船大功率变频器的主要特点之一，无论使用哪种形式的变频器均会产生谐波电流，谐波电流对电网有严重的污染作用，舰船建造规范有严格规定，电网电压畸变率必须控制在5%以内，因此，设计人员必须对舰船电力推进大功率变频器进行深入地分析和探讨。

三、舰船电力推进大功率变频器控制和制动的方法

（一）舰船电力推进大功率变频控制的方法

舰船电力推进大功率变频器控制的方法有很多种，常用的方法有矢量控制、直接转矩控制以及矩阵式交-交控制和异步电动机职能控制等。其中，磁场定向矢量控制和直接转矩控制的效益最明显。磁场定向控制系统的原理以直流电机电枢电流与磁通为依据，并以此作为控制转矩特性的主要手段，从而达到直流电机满足转矩和磁通的控制需求。

直接转矩控制技术以定子磁场定向和空间电压矢量的分析方法为主要手段，同时在定子坐标中计算和控制交流电动机，从而实现转矩和定子磁链之间的连接。直接转矩控制技术以离散的两点式调节为主，顺利生成PWM信号后，可以对逆变器的开关状态进行有效地控制，从而获取转矩的高动态性能。矢量控制法和直接转矩控制法均具有自身的优点和不足。

1矢量控制法

（1）矢量控制的优点有：

①调速范围非常大，可以有效开展恒转矩调节，无论是低速还是高速控制其性能都可以保持不变；

②可以通过模型解耦控制提高调速的精确度；

③具有连贯性的低速特性，低速运转的过程中仍可以进行大转矩。

（2）矢量控制的缺点有：

①很难观测到精准的转子磁链结果；

②以电子模型和参数为主要依据，矢量控制的性能与电动机的实际参数之间存在必然的联系；

③如果需要模拟直流电动机的控制方式，矢量控制中变换计算十分复杂、控制内容十分繁琐。

2直接转矩控制

（1）直接转矩控制的优势表现在：

①直接转矩控制具有较高的性能。直接转矩控制的主要对象是电动机定子侧的参数，控制效果与转子回路参数没有直接关系；

②直接转矩控制计算十分简单。实际运算过程不需要在旋转坐标中对定子电流进行分解或者设定合理的定子电流，在简化信号处理过程的同时，还能有效提高运算速度；

③控制结构十分简单；

④精度高，具有较快的响应速度。

（2）直接转矩控制的缺点主要有：

①必须采用转矩滞环调节转矩；

②定子电阻与温度有直接关系，导致转矩观测器的计算存在偏差；

③低速运转时，逆变器开关频率处于较低状态。

（二）舰船电力推进大功率变频器制动方法

舰船运行的实际特点直接决定了电力推进电机的速度。也就是说，推进电机在急减速、停机和倒车等状态下必须进行制动操作。目前，运用频率最高的变频器制动方法主要有回馈能耗制动和能量回馈电网制动两种方法。回馈能耗制动以直流侧加制动单元和制动电阻为主要依据，将其构成推进电机制动能量的泄放回路，从而满足制动的要求。这种方法具有结构简单、可靠性高、实施难度低一级技术较成熟等特点。

能量回馈电网制动以整流侧并联逆变电路为主，可以之力利用PWM整流满足制动能量向交流电网反馈的实际需求。能量回馈电网制动具有双向流动、节约资源、对电网污染小以及性能高等特点，在舰船电力推进大功率变频器的使用过程中发挥着重要的作用。

结语

功率电子器件在舰船上使用，功率电子技术在改变舰船能量变换形式的同时，还能使舰船电力推进上的某些缺点得到有效地改善。近几年，世界上又出现了大量电力推进的舰船，这些舰船上的电力推进装置大部分配备了现代化的功率电子变换设备，还有的配备了永磁电机，为提高舰船运行的安全性和可靠性，研究人员必须对舰船电力推进大功率变频器的使用进行有效分析。

参考文献

[1]李勇.舰船电力推进大功率变频器分析[J].中国航海，2011，（02）：41-45.

[2]林治国，高孝洪，高海波.舰船电力推进变频调速实验系统[J].船舶工程，2010，（04）：38-40+48.