船舶动力装置中的异步电动机变频调速节能技术.pdf.pdf

第 3 7 卷第 3期 2 0 0 8 年 6 月 船 海 工 程 S HI P &O CE AN E N GI NE E R I N G Vo 1 3 7 No 3 J u r L 2 0 0 8 文章编号 ： 1 6 7 1 7 9 5 3 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 6 2 0 3 船舶动力装置 中的异步电动机变频调速节能技术 徐立， 刘杰 ( 武汉理工大学 能源与动力工程学院 ， 武汉 4 3 0 0 6 3 ) 摘要： 介绍异步电动机的变频调速技术的发展以及变频调速系统的基本类型， 以直接转矩控制异步电 动机为例分析异步电动机数学模型及直接转矩控制原理， 并 以变频调速方法应用于船舶动力装置中的实例， 充分说明其节能潜力， 在当今能源短缺的形势下无疑具有很好的推广价值。 关键词： 异步电动机； 变频调速； 船舶动力装置 ； 节能 中图分类号 ： U6 6 4 1 文献标志码 ： A Ene r g y s a v i n g An a l y s i s o f As y n c h r o n o u s M o t o r S Va r y i n g Fr e q u e n c y S p e e d Re g u l a t i o n o f M a r i n e Po we r Pl a n t XU Li 。LI U J i e ( S c h o o l o f En e r g y a n d P o we r En g i n e e r i n g，Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 6 3 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e d e v e l o p me n t o f a s y n c h r o n o u s mo t o r S v a r y i n g f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n a n d t h e b a s i c t y p e o f a s y n c h r o n o u s mo t o r S v a r y i n g f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n a r e i n t r o d u c e d Th e ma t h e ma t i c s mo d e l o f a s y n c h r o n o u s mo t o r a n d t h e p r i n c i p l e o f d i r e c t t o r q u e c o n t r o l mo d e a r e a n a l y z e d wi t h a n e x a mp l e o f t h e a d v a n c e d d i r e c t t o r q u e c o n t r o l a s y n c h r o n o u s mo t o r u s e d i n t h e ma r i n e p o we r p l a n t W i t h t h e g r e a t p o t e n t i a l o f e n e r g y s a v i n g，t h e me t h o d h a s g o o d v a l u e o f a p p l i c a t i o n u n d e r t h e c o n d i t i o n o f s h o r t o f e n e r g y Ke y wo r d s ：a s y n c h r o n o u s mo t o r ；v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n；ma r i n e p o we r p l a n t ；e n e r g y - s a v i n g 船上泵和风机是用途最广 、 数量最多的辅助 机械 ， 采用调整 阀、 回流阀、 截止 阀等设备进行流 量、 压力等的控制时常 出现管路 、 阀门等密封性能 受破坏 ， 加速泵腔 、 阀体磨损和汽蚀 ， 严重时损坏 设备 。同时风机、 泵类多采用异步电动机直接驱 动方式运行 ， 还存在启动 电流大、 机械 冲击 、 电气 保护特性差等缺点 ； 不仅影响设备使用寿命 ， 而且 当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备 ， 时常在损坏泵的同时电机也被烧毁 。 近 1 0年来 ， 交流调速和计算机数字控制技术 正逐步取代模拟控制技术。交流变频调速以其优 异的调速和起、 制动性能 ， 高效率 、 高功率和节能 效果 ， 被公认为最有发展前途的调速方式_ 1 。 6 2 收稿 日期 ： 2 0 0 8 一 O 1 2 4 修回 日期 ： 2 0 0 8 0 3 1 3 基金项 目： 武汉市青年晨光计划 ( 批准号 2 0 0 4 5 0 0 6 0 7 1 2 9 ) 资助 作者简介 ： 徐立 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 硕士 ， 讲 师。 研究方 向： 工程机 械混合 动力 ， 动力装置设计 。 E - ma i l ： x u l i 9 2 2 1 1 s i n a c o m 1 异步 电动机调 速 系统的基本类型 从定子传人转子的电磁功率 P 可分为拖动 负载 的有效功率和转差功率和转差功率 。转差功 率如何处理 ， 是消耗掉还是回馈给电网， 可衡量异 步电动机调速系统的效率高低 。因此按转差功率 处理方式的不同可以把现代异步 电动机调速系统 分为三类 。 1 。 1 转差功率消耗型调速 系统 全部转差功 率都转换成热能 的形式而 消耗 掉。晶闸管调压调速属于这一类 。在异步电动机 调速系统 中， 这类系统 效率最低 ， 是以增加转差功 率的消耗为代价来换取转速的降低。但由于这类 系统结构最简单 ， 故对于要求不高的小容量场合 还有一定应用 。 1 。 2转差功率回馈型调速系统 转差功率一小部分消耗掉 ， 大部分则通过变 流装置 回馈给电网。转速越低 ， 回馈 的功率越多。 绕线式异步电动机串极调速和双馈调速属于这一 类。显然这类调速系统效率较高。 维普资讯 http:/www.cqvip.com 船舶动力装置 中的异步 电动机变 频调速节能技术 徐立 ， 刘杰 1 3 转 差功 率不 变型 调 速 系统 转差功率 中转子铜损部分 的消耗是不可避免 的， 但在这类系统 中， 无论转 速高低 ， 转差 功率 的 消耗基本不变 ， 因此效率很高 。变频器属于此类 。 目前在交流调速系统中， 变频调速应用最多、 最广 泛 ， 可以构成高动态性能的交流调速系统 ， 取代直 流调速 。变频调速技术及其装置仍是 2 1世 纪的 主流技术和主流产 品。 2直接 转 矩 控 制 原 理 在交流电动机控制技术中最具代表性 的有开 环的变压变频 ( VVVF ) 控制 、 转差频率控制 、 矢量 控制 ( 磁场定向控制) 以及 当前研究热点之一 的直 接转矩控制( D TC ) 。 直接转矩控制技术采用空 间电压矢量 的分析 方法 ， 直接在定子坐标 系下计算 和控制交 流电动 机 的转矩 ， 采用定子磁场定 向， 借助于离散 的 2点 式调节产生 P WM 信 号 ， 直接对逆变器的开关状 态进行最佳控制 ， 以获得转矩的高动态性能 ， 在很 大程度上解决 了矢量控制 中存在的问题 。 直接转矩控制的原理见图 1 。 图 1 直 接 转 矩控 制 原 理 图 建立异步电动机在 邓 坐标系下的数学模型。 1 )电压方程 。 f 。 一R i 。 。 + J 一 R s + ( 1 ) l 二 = =R i 。 + + l 一R 咯+ 一 式 中 ： R 定 子单 相 电阻 ； R 转子折算到定子侧的单相电阻 ； 转子角速度 ； 微分算子 ； 磁 通 。 2 )磁链方程。 1+ L 0 L 0 0 L 1 + L 0 L ( 2 ) 式 中： L 定子单相漏 电感 ； L 。 转子单相漏 电感 ； L 旷 坐标系 中定子转子互感 。 3 )电磁转矩方程 。 K ( 一 i 。 。 ) ( 3 ) 式 中： 电磁转矩 ； K 转矩系数 。 4 )运动方程 。 一 ( 一丁I | ) ( 4 ) J 式 中： 丁I | 负载阻抗转矩 ； 机 电系统转动惯量 ； 。 极对数。 根据以上各式就可建立异步电动机 的各个子 模型 ， 其中定子磁链模 型和转矩 的估算模型是异 步电动机直接转矩控制系统的重要组成部分 。其 准确性对系统的性能影响很大 。 3 应 用实例 船舶动力装置 中有大量风机、 水泵类负载 ， 常 采用 鼠笼式异步 电机拖动 ， 其 电机可采用变频调 速 、 调压调速 、 转差离合器控制调速等调速方式 。 在众多调速方法中， 变频调速因改变了同步转速 ， 在转速降低时具有节能效果 ， 因此在风机 、 水泵系 统中应用变频调速是最佳的选择 。 以汉 申线客轮的舱底水泵为例。水泵型号 ： C B 6 5 ， 流量 ： 6 5 r n 3 h ， 压力 ： 0 2 2 1 MP a ； 电动机 型号 ： J O2 6 1 2 一 H D2 ， 额定功率 ： 1 7 k W， 额定转 速 ： 2 9 3 0 r mi n ， 额 定 电压 ： 3 8 0 V。 配备 AB B公 司的 AC S 8 0 0 0 1 0 0 0 3直接转 矩控制变频器 ， 不 同流量调节方法 的效率 曲线见 图 2 。 水泵型号 C B 6 8 ， 流量 6 5 m。 h 压力 0 2 2 7 MP a ， 电动机型号 J 0 2 6 1 2 一 H D 2 ， 6 3 L 0 +0 L 维普资讯 http:/www.cqvip.com 船舶动力装置中的异步电动机变频调速节能技术徐立 ， 刘杰 欢 迎 订 阅 船 海 工 程 船海工程 系中文核心期刊， 湖北省优秀期刊。国内外公开发行 ， 双月刊。刊号 本刊面向船舶工业 ， 主要刊载船舶与海洋工程领域中生产 、 科研 、 教学 、 管理等方面的研究成果和先 进技术应用型论文， 以及 国内外船舶与海洋工程科学的发展动态。 主要栏 目： 船舶设计、 结构工程 、 造船工艺及设备 、 海洋工程、 轮机工程、 港航技术、 舰船专项技术、 船舶动装、 自动控制、 计算机技术与应用 、 海事管理 、 船检技术 、 交通企业管理等 。 欢迎从事船舶与海洋工程科研、 教学和管理的科研人员、 师生以及工程技术人员和管理人员订阅。 订阅手续 ： 向当地邮局订阅或直接 向本刊社订阅。 国 内发行 ：湖北省 邮政报 刊发行 局 邮发 代号 ： 3 8 5 0 0 订 费： 全年 6期 ， 定价 ： 1 5 O O元 期 9 O O O元 全年。 开户 行 ： 中行 理工 大分理 处 帐 号 ： 8 4 6 7 1 9 -0 1 6 0 4 3 0 8 0 9 5 0 0 1 户 名 ： 武 汉理 工大 学 联 系地址： 武汉市武昌区武汉理工大学( 余 家头校区) 船海工程 编辑部 邮政编码 ： 4 3 0 0 6 3 电 话 ： ( 0 2 7 ) 8 6 5 5 1 2 4 7 ， 8 6 5 4 4 4 4 7 E - ma i l ： c h g c k wh u t e d u C F I 额定功率 1 7 k W ， 额定转速 2 9 3 0 r mi n 额定电压 3 8 0 V。 一 q 占 _ 亩 产 o 流量比 冉 晶 ； + 挈 ； -i t- 荔 孥 ； 一 图 2 不同流量调 节方法的效 率曲线 由图 2 可 以看 出， 当流量 比处于 8 O 以 下时， 采用变频调速方式来控制流量 ， 相对于其他 3种流量调节方式功率损失 比小很多， 可 以达到 很好的节能效果。 考虑到水泵在流量调节的同时还往往伴随有 泵升扬程 的变化 ， 因此 ， 表 1中列出了水泵在不同 实需流量和实需扬程下节 电率的数据， 其中节 电 率是与系统 中装设出 口调节 阀的情况相 比较 ， 实 需流量的百分 比数据将实际计算的流量与水泵标 称流量 比较 ， 实需扬程的百分 比数据将实际计算 6 4 的泵升扬程与水泵标称扬程比较。可以看出， 在 水泵的流量和扬程均有一定富裕量 时， 节能效果 会更明显一些。 表 1 水泵 的电动机变频调速节能效果 4 结束语 船舶动力装置中的大量风机 、 泵类等需要调 速的电力拖动系统 ， 如果采用变频调速拖动， 虽然 维修技术复杂 ， 一次投资较大， 但随电力 电子技术 的发展 、 自动化设备工艺水平的不断提高， 长期节 能效果可观 。 参考文献 1 王君艳 交流调速E M 北京： 高等教育出版社， 2 0 0 5 E 2 李华德 交流调速控制系统 M 北京 ： 电子工业出版 社 ， 2 0 0 3 维普资讯 http:/www.cqvip.com