浅谈变频技术在船舶中的应用

摘要：本文以“某轮”轮可逆转变频控制的液压舵机系统为例，简单介绍了变频液压舵机的组成构造工作原理，并分析了在船舶舵机系统中应用变频调节技术的特点。

关键词：变频技术；液压；舵机

中图分类号：TM344.6 文献标识码：A

引言：

传统船舶舵机操作系统一般采用液压动力传动技术，液压动力传动具有传动平稳、调速方便功率体积比大等优良特性，但其主要调速方式采用节流操控运行速度，所以动力传动的能量利用功率低，整机系统的效率不高。为了保证船舶航行安全，舵机系统在整个航程中应该始终处于运行状态，以满足船舶操纵的要求。但在实际运行过程中，船舶在大部分航行中都处于空载运行的状态，虽然此时液压系统卸荷，功率较低，但电机、泵等却仍处于高速运行状态，且设备运转效率低，缩短了设备正常使用寿命。根据舵机工作的特殊性，采用变频调速技术，将舵机液压系统中的供油泵改变为由变频电机驱动的定量油泵，以达到简化系统结构、提高舵机系统的工作效率、延长设备使用寿命、改善工作环境和降低运行成本的目的。

1.变频技术原理及国内外应用现状

变频技术即改变供电频率的技术，在传统的电器设备中所用到交流电频率是不变的，其转速一经启动就不能改变，通过变频技术可以实现设备以不同的转速运转来适应不同的生产需要。变频技术的发展历经了各种电器器件的更新换代，从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的不断更新促使电力变换技术的持续发展。而在变频技术控制方面，上世纪70年代脉宽调制变压变频调速研究首先进入人们的视野，80年代中期鞍形波脉宽调制变压变频调速模式作为脉宽调制变压变频调速的优化模式被提出，80年代后期又出现了矢量控制变频调速和直接转矩控制变频技术。调速系统的集成度越来越高，以单片机为基础又研究出了数字信号处理器、精简指令集计算机和高级专用集成电路等。

高压变频器早起由于受电子电器设备耐压性弱的影响，一般采用高-低-高模式，即高压经过变压器降压后通过低压变频器变频，最后通过升压变压器升压供给高压变压器，这样一个流程使得变频器设备体积过大，耗能也增加。1980年日本东芝电气公司成功研制了1 800 kW 的交-交方式高压变频器。1981年德国西门子公司研制出4 000 kW 的交-交方式的高压变频器。此后，法国阿尔斯通、美国 AB、日本三菱和日立等公司也相继推出自己的高压变频器设备。20世纪90年代初，我国在自行开发和研制的高压变频器方面取得了很大成绩，在钢铁行业和电力行业得到很好的应用。交- 交变频调速系统的迅猛发展，在大型机电设备调速中得到广泛应用。

1.1 变频调速工作原理

变频调速技术是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率,来改变电机的转速,从而调整电机的输出功率。

根据电机学原理,交流异步电动机的转速n与电源频率f之间函数关系为:

n=60f（1-s）/p 公式（1）

其中,f为电源频率;s为转差率;p为磁极对数。从公式（1）可知,当p和s为定值时,f与n成正比例关系。即:可以通过连续地改变供电电源的频率来调节电动机的转速。

由电机原理可知,电机轴功率与其转速的三次方成正比,即p1/p2=（n1/n2）3,由公式（1）可推算出:

p1/p2=（f1/f2）3公式（2）

由此可分析出变频时电机能量消耗情况。举例说明:设额定频率为50Hz,当电源频率为30Hz时,由公式（1）、（2）可推知电机轴功率为额定功率的21.6％,即电机实际消耗电量为额定值的21.6％。

2.变频液压舵机的组成和工作原理

2.1系统结构原理

船舶变频液压舵机的系统主要由计算机，传感器，数据采集啦，转缸式转舵机构，异步电视，变频器等组成。该实例液压系统采用双向定量泵供油，定量泵于液压缸形成闭式回路，利用舵角传感器测量转舵角以形成反馈。根据舵角指令与反馈信号，有变频器控制泵组的启停和加速，从而实现控制舵角的目的。同时通过改变电机的转向以改变系统中液压油的流向达到控制舵的运动方向。

2.2基本控制原理

在舵柱上安装齿轮通过链条将舵角位移传送到反馈传感器测量转舵角度，将测量数据实时反馈给控制器，经过计算处理后发送出控制信号对变频器进行控制，进而调节电机转速。最终通过电机转速达到控制液压系统来实现对舵角的控制。达到要求的舵角后隔离电磁阀关闭，电机迅速降到零赫兹停止运转。

3.轮液压舵机应用变频器的特点

主要用于海上失事船只的人命救生和以海上人命救生为目的的船舶救助及消防灭火。该轮采用了丹弗斯VLT5000变频器的可逆转变频控制的液压舵机系统，该轮配备了两台转缸式液压舵机，四台液压泵组。采用转转缸式舵机缩小了设备布置空间，双机座配置增加了转舵效果与舵机设备的可靠性。该舵机马达与油泵安装在舵机本体上，机构紧凑是的转舵动作更加迅捷，直接，反应滞后时间缩短。由于没有往复运动的部件使运动冲击更小，噪音更低。由于丹弗斯VLT5000变频器的功能相当强大，通过变频器的内部调节可以很方便的获得需要的功率，达到转舵迅速的要求，因此，外部控制原件更加简洁，直观。

这种型号的变频液压舵机有如下特点：

① 降低液压马达电动机的启动电流。电动机通过工频直接启动时，电动机的启动将会产生一个剧烈的冲击电流，该电流是电机额定电流的7到8倍，将会使电机绕组的电应力大大增加，并产生大量热量，从而降低电机的寿命。而变频技术在液压舵机中的应用，则可以大大降低启动电流，提高绕组承受力，电机的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加；

② 有效降低船舶电网的电压波动。电动机通过工频直接启动的瞬间，船舶电网电流剧增。将会产生较大幅度的电压降。电压降将会导致供电网络中的电压敏感身边故障跳闸或工作异常。而采用变频调速后舵机液压油泵电机能在零频零压时逐步启动，在最大程度上消除船舶电网的电压降低；

③ 实现对液压油泵的排量做平滑的无极调节。可逆转变频电机配合液压马达的使用，使液压换向变得更加简单，可靠、平缓，转舵机构噪音更低、冲击更小、能耗更少，确保了液压系统的高效运行；

④ 延长了设备的使用寿命，减少设备事故维修工作量，系统维护成本低。变频器为舵机液压油泵提供了软启、软停和保护功能。在没有舵令或舵叶没有因外力作用偏离设定舵角的情况下，液压油泵电机被软停，减少了设备运行时间，从而使油泵机械磨损大大减少。另外，变频器对过压，欠压、过载、短路及电动机失速都能提供可靠地保护，对延长电动机的寿命，减少设备磨损等都具有很好的效果；

⑤ 节能效率显著。传统液压舵机的油泵在航行时一直处于高速运转状态，设备运转率低，设备故障率高。应用变频调速技术后，液压油泵可实现在没有舵令时处于软停机状态，大大减少了运行成本。

4.结束语

在舵机系统中应用变频技术，能够平稳调节油泵电机转速，进而灵活改变供油速度，实现转舵的灵敏，迅速。此外，应用变频调速能够明显改善电机和油泵运行工况，减少维护量，更为重要的是它的节能效果能够获得可观的经济效益，随着全球工业生产的迅速发展，能源短缺的矛盾也日渐显现。因此，变频液压舵机及技术具有广阔的应用前景，变频技术的推广应用对船舶设备技术含量及企业的经济效益具有重大现实的意义。

参考文献：

[1]汪国梁主编.电机学.北京：机械工业出版社.1987

[2] 费千.船舶辅机.大连：大连海事大学出版社.2005.9

[3]邱阿瑞，孙旭东．实用电动机控制[M]．北京：人民邮电出版社