[摘 要] ： 变频技术在船舶风机及泵浦中有着广泛的应用前景。本文首先引入变频技术的定义，分析实现变频调速的几种方法，阐述了 船舶风机、泵浦的变频调速原理，通过两个案例分析船舶风机、泵浦的变频调速的实现方案，以更好地实现节能目的。

0 引言

众所周知，船舶上使用了大量的机电设备，这些机电设备90%以上由交流电动机驱动，无论是大功率的电动机驱动马达，还是小型的电动机，它们在驱动负载时都采用了工频恒速驱动，也就是无论负载的大小如何，电动机始终以不变的转速（1500rpm）运转，这样就存在一个问题，当电机所驱动的负载处于轻负荷时，倘若电动机还是以额定的转速运行，不仅对电机本身的性能造成不利的影响，更为不利的，会造成大量的电能的白白浪费，无形中增加了船舶的运输成本。

随着电力及电子技术的迅猛发展，具备调速能力的电机已经大量使用于工业、农业、交通运输、军事装备乃至人们的日常生活中，许多机械为了满足运行及生产工艺的要求需要进行调速，如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织机城等等。而另一类设备如风机、水泵等以前基本上是不调速的，现在为了减少运行损耗、节约电能，也广泛地采用了调速技术。因此，变频技术在船舶的使用，特别在风机、泵浦中的使用是船舶机电设备发展的趋势，现结合船舶机电设备的使用特点，浅析变频技术在船舶风机、泵浦中的应用以及它们的变频调速控制方案。

1 变频技术简介

变频控制技术的基本原理：就是直接将交流电的电源频率变换为较低频率的交流电，用改变供电频率的方法来调节电动机的转速，并且满足一定的转距要求。

由电机学可知，异步电动机的转速和转差率分别为：n=60 /p*（1-s）和s=（f-f 1 ）/f

式中 f——电动机定子频率；p——定子的极对数；f 1 ——转子频率。

从上式可以看出，改变极对数p、改变转差率s和调节频率f均可以调速。异步电动机的调速方法主要有以下几种：

(1)变极调速：利用YD系列笼型异步电动机的绕组接线方式变换，可改变该电动机的极对数，实现阶跃式的转速调节，其调速范围限定在2—4级。

(2)电磁转差离合器调速：该调速系统主要由晶闸管整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分组成。实质上就是在笼型转子异步机轴上装上一个电磁转差离合器，并由晶闸管控制装置控制离合器绕组的电流，改变这一电流，即可调节离合器的输出转速。晶闸管整流电源通常采用单相全波或桥式整流电路，通过改变晶闸管的控制角可以方便地改变直流输出电压的大小，实现电动机的调速。

(3)转子串电阻调速：在绕线式异步电动机的转子回路中串接电阻，可改变电动机的机械特性，并随电阻值的增大而变软，如果负载为恒定值，则电动机的转速将随机械特性的改 变而变化。由于调速运行过程中有电能消耗于外接的电阻器中所以也不宜长期低速运行。

(4)变频调速：变频调速就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，是异步电动机调速方法中最有前途的一种方法。按照控制方法来分类，目前的交流异步电机变频调速电源主要有脉冲宽度调制型和矢量控制型两种。

脉冲宽度型（又称PWM型）变频器的基本工作原理：通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器逆变成频率可调的交流电，供电给交流电动机。

异步电动机矢量控制方式的特征从原理上来说是：它把交流电动机解析成直流电动机一样的转矩发生机构，按照磁场和其正交的电流的积就是转矩这一最基本的原理，将异步电动机的数学模型转化为类似于直流电机的数学模型，在经过了转化的异步电机数学模型的基础上，模仿直流电机控制的一种高性能的控制方法。

本文仅针对变频调速进行讨论，我们知道，船舶中的风机主要用于机舱及各个货舱的通风换气，而泵浦则大量用于主副机、生活系统、船舶辅助系统之中。一般情况下，船舶上的风机、泵浦的转速是按工频转速运行的，是不随负载的大小而改变的，当电动机所拖动的负载处于轻载或变化时，此时电动机若仍按恒速工况运行，其运行效率将降低，造成电能的浪费。因此，船舶风机、泵浦的变频调速就很有必要和实际意义，通过变频调不仅降低电动机的机械性能的耗损，更为重要的是能节省大量的电能。

2 船舶风机、泵浦的变频调速原理

图1详细地说明了风机、泵浦的变频调速节能原理：

图中曲线（1）为风机在恒速下的风压-风量（H-Q）特性，曲线（2）为恒速下功率-风量（P—Q）特性，曲线（3）为管阻特性。

假设风机在设计时工作在A点效率最高，输出风量Q为100%，此时轴功率N 1 与Q 1 、H 1 的面积A H 1 OQ 1 成正比，当采用调节风门方法改变送风量时，由于管路阻力的增加，使得管阻力特性变为曲线（4），系统在新工况点B运行，从图中可见，风压增加，轴功率N 2 与面积BH 2 OQ 2 成正比，减少不多。若采用调速控制方式，风机转速由n 1 降到n 2 ，如图所示，在同样风量Q 2 的情况下，风压H 3 大幅度减少，功率N 3 （相当于面积CH 3 OQ 2 ）则显著减少。因此，在风机、泵浦的机械中，采用调速控制方式调节风量或流量可以有效地节能节电。

3 船舶风机、泵浦的变频调速实现方案

3.1 变频控制技术在船舶抽/鼓风机的实现方案（以机舱风机为例）

一般来说，机舱设置有2~3台的抽/鼓风机，这些风机几乎24小时不停地以不变的转速运行，造成很大的电能浪费。为了减少电能的浪费，我们可以以机舱的舱室温度及舱室的气体成分（O 2 气的浓度）作为参数控制量，通过PLC程序控制装置及变频器实现对风机转速的控制。具体实现方案如图2所示。

图中所示，温度传感器感测机舱内的温度T，通过温度变送器将机舱的温度T转换成相应的数字信号送入PLC，同时，机舱内的气体成分（O 2 ）浓度通过传感器送入浓度变送器，浓度变送器输出相应的成分数值送入PLC，这两个值分别与温度及成分浓度设定值进行比较得出偏差，按一定的控制规律PLC 输出控制信号给变频器，由变频器输出相应的频率信号，对鼓风机进行转速控制，实现节能节电。

3.2 变频控制技术在船舶泵浦中的实现方案（以海水冷却泵为例）

泵浦在船舶中使用最为广泛，但，这些泵浦使用时基本上是在工频下以不变的转速进行工作，无论负载的工况如何，它们运行时的转速也是始终是没有改变的。同样也会造成大量的电能的浪费。现以海水冷却泵为例，分析如何利用变频技术实现海水泵的转速控制。具体的实现方案流程如图 3 所示。

图中所示，温度传感器将淡水冷却器的出口温度送入温度变送器，温度变送器将输出一个数值上与传感器所感受温度一致的信号送入 PI 调节器，通过与给定的温度值进行比较，得出温度偏差值，输入变频器中，变频器输出频率信号改变冷却海水泵电机的转速，实现了节能控制及实时恒温控制。

4 结论

变频控制在船舶风机及泵浦中的应用，不但可以提高风机、泵浦的运行质量，减少风机、泵浦的磨损，延长其检修周期和使用寿命，而且，在设备流量变化大，负荷小或负荷时大时小的情况下，通过变频调速器可以实现无级调速，调节风机、泵浦的排出量，降低压差的耗损，实现节能控制。

参考文献

[1] 许大中, 贺益康.电机控制[M], 浙江大学出版社出版, 1995年2月第2版

[2] 王占奎等, 交流变频调速技术应用例集[M], 科学出版社, 1994年12月

[3] 梁学进等, 基于变频控制技术的压力调节方法[J], 石油仪器 2005.1.

作者简介：

刘建华，男 (1969,12-) 集美大学轮机工程学院 高级轮机长 硕士 主要从事轮机工程教学与研究。