下载文档原格式
变频调速技术在船舶上的应用思考◎ 李志喜 陈少勇 交通运输部南海救助局摘 要：在中国特色社会主义现代化建设不断取得新成果的今天，各种各样的先进技术纷纷出现并开始在许多行业发挥积极作用，变频调速技术正是其中比较具有代表性的技术手段之一，将其应用到船舶当中去，能有效提升船舶运行的节能效果和综合效益。
本文根据实际工作经验，在简单介绍变频调速技术的基础上，对变频调速技术在船舶上的具体应用方向进行了深入研究。
关键词：变频调速；船舶；节能环保我国拥有十分发达的船舶制造业和非常成熟的技术创新体系，随着时代的发展以及技术的更新换代，过去船舶上常用的电动机、空调系统和起重设备等不再具有先进性，很难保证船舶运行效率和节能效果，不符合新时期船舶制造业和水上运输业的发展需求。
在这种情况下，越来越多的技术人员投身研究，在变频调速技术方面取得了一定的研究成果，为优化我国船舶动力系统、空调系统等做出了一定贡献。
1.变频调速技术概述1.1船用变频技术原理及运行概况变频调速效果是通过变频器实现的，变频器能够将电源(交流电源)的固定频率和电压转换为一个可变的频率和电压，从而带动电机按照设计频率运行，在这个过程中，电机的转速会根据频率改变而出现线性变化，在确保电压和频率比恒定的情况下，电机的转矩也将会保持在一定范围内[1]。
在船舶上常用的变频调速技术同样是以这一原理运行，它能够将交流电压转换为一个恒定的直流电压，并在交流逆变单元的作用下将直流电压转变为可变的交流电压，最终达到调速的效果。
从实际应用情况来看，船舶变频调速技术的运行效率比较可观，能量转换效率也非常高，基本不存在能量损耗的问题，目前常见的船舶变频调速技术的能量转化率能达到97–98%，应用效果非常可观。
在实际运行过程中，其中由二极管和晶闸管组成的电源整流单元扮演着重要角色，其能够让电源提供的电流与电源电压保持同相，这避免了变频器产生无功功率，自然也就解决了传统模式下存在的能源浪费问题。
交流变频调速技术在船舶航行控制系统中的应用摘要：本文介绍了利用交流变调速技术在舰船航行控制系统的应用。
介绍了以Inte18751单片机为核心，辅相应的外转硬件电路，实现对交流电机变频器的输出频率和三相输出相序实时控制，从而最终实现对船舶航行姿态的监控，这种控制方式结构简单，控制方便，性能良好，是一种非常适应于中、小型船舶的电力拖动推进系统。
关键词：交流变调速技术单片机航行控制台1引言船舶航行动力推进主要有两大类。
机械传输推进系统和电力拖动推进系统。
其中采用电力拖动推进系统的船舶，因其噪音低、污染小、机动灵活，操作方便，易于维修，故多用于供游人参观游览航行在江面或湖面的游艇、游船。
由于受电力电子技术发展的约束，时期的电力推进系统的动力源均采用直流电源，随着电子控制技术发展与大功率晶体管的诞生，采用交流电力的船用推进系统已经成为现实。
采用分立元件组成的模拟控制电力推进系统，存在诸如设计周期长、连接线路多，焊点多，安装调试复杂以及不宜维修等一系列问题，并且控制精度不高，响应时间慢。
引入单片机数字控制的交流变频调速电力推进系统，不但克服了模拟控制系统所存在的诸多问题，并且控制性能优于模拟控制系统。
2系统简介2.1 系统的设计思路本系统采用船舶自身的柴油发电机组输出的50HZ、AC380V交流电作动力源，由Inte18751单片机为核心，辅以相应的控制程序，来遥控2台交流变频调速器的输出频率和相序，分别驱动船舶的左右异步电动机带动各自的螺旋桨旋转，通过左、右螺旋桨之转向和转速的不同组合，实现船舶作不同速度的前进、后退和转向等各种航行动作，并对船舶在航行过程中的主要参数进行实时监控，对螺旋桨转速同时采用指针仪表和LED数码管动态跟踪显示。
对电力推进系统运行中所出现的异常情况及时进行声光报警，以提醒船舶操作人员注意，必要时可以实现自动关机、以确保船舶的航行安全。
如果控制系统出现故障时，可以通过操作控制台的工况选择开关、应急操纵旋钮以及备用舵来操作船舶航行。
变频器在船舶设备中的应用近年来，随着科技的不断发展，船舶设备也在逐渐更新换代。
在船上，变频器作为一种重要的设备，被广泛应用于各种电气设备中。
它不仅提高了设备的性能和效率，还为船舶的航行和工作提供了更大的便利。
本文将探讨变频器在船舶设备中的应用。
一、航行船舶的变频器应用在航行过程中，船舶需要根据不同的航行状态和任务需求来调整马达的工作频率和转速。
这时，变频器可以根据输入信号和预设参数来控制电动机驱动系统，从而实现马达的调速和控制。
通过灵活调节马达的工作频率和转速，船舶可以在不同的航行状态下保持合适的速度和推力，从而实现航行安全和能源节约。
二、码头操作船舶的变频器应用在进出港口或者完成停靠任务时，码头操作船舶需要精确控制船舶的位置和姿态。
变频器在这方面发挥了重要作用。
通过控制船舶的各种电动机设备，例如舵机和推进器，变频器可以实现船舶的精确移动和操纵。
无论是港口航行还是紧急停靠，变频器能够根据需要控制船舶设备的转速和力度，使船舶能够平稳、准确地完成各项操作任务。
三、船上动力系统的变频器应用船舶的动力系统主要由船用发电机和推进器组成。
而这些设备在使用过程中需要根据船舶的运行状态进行灵活调整。
变频器可以根据电力负荷的需求，实现发电机的自动调节和负载均衡。
同时，变频器还能够监测和控制推进器的转速和推力，确保船舶能够在不同的航行环境下保持稳定和可靠的性能。
四、能源管理系统的变频器应用船舶的能源管理是一个重要的课题，对于船舶的经济性和环境保护起着关键作用。
变频器可以通过电气负荷的精确控制，最大限度地提高能源利用率。
它可以根据船舶的实时能源需求，合理调整各个电动机设备的工作频率和转速，实现能源的智能管理和优化利用。
通过变频器的应用，船舶可以减少能源浪费，降低航行成本，同时也减少对环境的影响。
总结起来，变频器在船舶设备中的应用是多种多样的。
它不仅能够提高船舶设备的性能和效率，还能够为船舶的航行和工作提供更大的便利。
浅谈变频技术在船舶中的应用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。
为了保证船舶航行平安，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，船舶在大局部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，以到达简化系统结构、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本钱的目的。
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。
变频技术的开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开展。
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，以单片机为根底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。
变频调速在船闸电气控制系统中的合理应用Abstract：The application of variable frequency speed regulation in the shiplock electrical control system can promote the overall quality of shiplock control and ensure the effect of shipping passage. The effective application of variable frequency speed regulation system and logic controller in shipping electrical control system can improve the sensitivity of electrical circuit devices，thus effectively reducing the probability of failure，and bring convenience to the maintenance work. It is proved by practice that the frequency conversion speed regulation and logic controller used in the electric control system can greatly improve the performance of the whole machine and extend the service life of the motor and improve the overall safety factor.Keywords：variable frequency speed regulation；shiplock electric control system；application analysis由于我國河流众多，航运在交通运输中占据重要的地位。
变频器在船舶中的应用
随着科技的不断发展，变频器在船舶中的应用越来越广泛。
本文将
介绍变频器在船舶中的应用及其优势。
一、什么是变频器
变频器是一种电气设备，它可以控制交流电动机的转速和输出功率。
在船舶中，交流电动机广泛应用于各种系统，如推进系统、空调系统
和液压系统等。
二、变频器的应用
交流电动机通常采用固定频率供电，而变频器则可以将电源频率转
换为可以控制的输出频率，从而改变电动机的转速和输出功率。
这使
得电动机可以更加精准地控制，且不会浪费能量。
因此，在船舶中采
用变频器可以实现以下应用：
1. 节能
在传统系统中，电机通常以全功率运行，而变频器则可以根据实际
需要调整电机的输出功率，从而减少电能的浪费，实现节能效果。
2. 精准控制
变频器可以实现精确的电机控制，从而提高了船舶的性能和安全性。
例如，在船舶推进系统中，通过调整电机转速，可以实现推进螺旋桨
的快速启停、正逆转等操作。
3. 降噪
由于变频器可以控制电机的速度和输出功率，相比传统系统，可以
减少电机噪声。
这使得船舶更加安静，舒适。
4. 改善稳定性
在传统系统中，由于电机运转的稳定性不够好，容易出现干扰频率，产生波动。
而变频器则可以通过控制电机的输出频率来解决这个问题，从而改善系统的稳定性。
三、总结
变频器作为一种先进的控制设备，在船舶中应用广泛。
它可以提高
船舶的性能和安全性，降低使用成本，改善乘客的体验。
随着科技的
不断进步，相信变频器在船舶中的应用会越来越广泛。
交流变频调速技术在船舶航行控制系统中的应用摘要：本文介绍了利用交流变调速技术在舰船航行控制系统的应用。
介绍了以Inte18751单片机为核心，辅相应的外转硬件电路，实现对交流电机变频器的输出频率和三相输出相序实时控制，从而最终实现对船舶航行姿态的监控，这种控制方式结构简单，控制方便，性能良好，是一种非常适应于中、小型船舶的电力拖动推进系统。
关键词：交流变调速技术单片机航行控制台1引言船舶航行动力推进主要有两大类。
机械传输推进系统和电力拖动推进系统。
其中采用电力拖动推进系统的船舶，因其噪音低、污染小、机动灵活，操作方便，易于维修，故多用于供游人参观游览航行在江面或湖面的游艇、游船。
由于受电力电子技术发展的约束，时期的电力推进系统的动力源均采用直流电源，随着电子控制技术发展与大功率晶体管的诞生，采用交流电力的船用推进系统已经成为现实。
采用分立元件组成的模拟控制电力推进系统，存在诸如设计周期长、连接线路多，焊点多，安装调试复杂以及不宜维修等一系列问题，并且控制精度不高，响应时间慢。
引入单片机数字控制的交流变频调速电力推进系统，不但克服了模拟控制系统所存在的诸多问题，并且控制性能优于模拟控制系统。
2系统简介2.1 系统的设计思路本系统采用船舶自身的柴油发电机组输出的50HZ、AC380V交流电作动力源，由Inte18751单片机为核心，辅以相应的控制程序，来遥控2台交流变频调速器的输出频率和相序，分别驱动船舶的左右异步电动机带动各自的螺旋桨旋转，通过左、右螺旋桨之转向和转速的不同组合，实现船舶作不同速度的前进、后退和转向等各种航行动作，并对船舶在航行过程中的主要参数进行实时监控，对螺旋桨转速同时采用指针仪表和LED数码管动态跟踪显示。
对电力推进系统运行中所出现的异常情况及时进行声光报警，以提醒船舶操作人员注意，必要时可以实现自动关机、以确保船舶的航行安全。
如果控制系统出现故障时，可以通过操作控制台的工况选择开关、应急操纵旋钮以及备用舵来操作船舶航行。
2.2 交流变频器的工作原理一般交流变频器均采用AC-DC-AC的工作原理，即工频交流电压经不可控整流和滤波后变成直流电，利用脉宽调制技术（SPWM），以便函获得不同频率的输出电压波形，来驱动不同场合的负载，满足不同的技术条件。
2.3 单片机控制的船舶用交流电力推进系统的组成单片机控制的船用交流电力推进系统框图如图1所示船舶自备柴油发电机组为整个船舶提供电力和船舶航行的动力。
航行控制台根据船舶航行操作指令遥控1#变频器、2#变频器的输出频率和输出相序，再由变频器分别控制左、右交流异步电动机的转速和转向，交流异步电动机通过连轴器同步带动左、右辊旋桨旋转。
船舶和各种航行状态就是靠左、右螺旋桨的旋转状态的不同组合来实现的。
船舶的航行状态是由航行控制台实时控制，其具体的控制过程是由船舶航行操作人员通过航行控制台的操作键盘来实现的，为了进一步明确船舶航行状态实现方式，现将航行控制台操作按键与左、右螺旋桨旋转状态以及船舶航行状态的对应关系列入表1中。
表1 航行控制台操作按键与左、右螺旋转状态以及船舶航行状态的对应关系按键名左桨旋转状态右桨旋转状态船舶航向前进顺时针旋转逆时针旋转前进航行后退逆时针针旋转顺时针旋转后退航行左转逆时针针旋转顺时针旋转左转弯航行右转顺时针旋转逆时针旋转右转弯航行加速加速旋转加速旋转加速航行减速减速旋转减速旋转减速航行停止停止旋转停止旋转停止航行急退方向急速反旋转方向急速反旋转航行急速反向航行控制台是交流电力推进系统的控制核心，为此本文着重讨论航行控制台硬件组成构成和软件编程，以及如何利用航行控制台来遥控实现船舶的航行。
3航行控制台的系统硬件的设计航行控制台硬件框图见图2所示。
3.1 单片微型计算机（Inte18751）为了提高系统的抗干扰能力，单片机选用Inte18751单片机，它是航行控制台的整个硬件控制系统的核心，有一个带4KB光擦除只读存储器（EPROM）和256B随机存储器，数据位为八位。
Inte18751单片机在本控制系统中主要完成控制过程中所必需的各种数学和逻辑运算、信号处理、逻辑控制以及系统的故障判断和分析等任务。
3.2 电源模块电源模块由两部分组成，一部分是由220V交流电经过开关电源输出+5V、+12V、-12V直流电，作为控制系统的数学电路的电源；另一部分是船舶蓄电池提供的+24V直流电经过高波纹抑止比稳压器件LM117输出+18V直流电，作为控制系统的模拟电路的电源。
电源模块的两部分电源，各自独立，互不影响，提高了整个电路的抗干能力。
3.3 采样与模/数转换电路由船舶尾部的测速传感器送来的左、右螺旋桨的弱电压信号，分别经过预放大、整形处理后，经电子模拟开关AD7501选通二信号通道的其中一路送到放大器LM218处理，经放大后的转速信号的幅值要求在0V-+5V之间，然后再送到A/D 转换器件DAC0809变换成相应的数字信号，由单片机Inte18751进行处理。
DAC0809是8路8位逐步比近法A/D转换器，其分辨率相对比较低。
根据需要螺旋桨的转速范围在0转/分～730转/分。
其对应的转速电压信号的范围为0V-5V，所以经A/D转换后，每一个量化单位所对应的转速大约为3转，基本满足实际要求。
3.4 模拟输出模块模拟输出模块由两路模拟信号输出通道构成，二模拟输出信号均为4mA-20mA 的直流电源连续信号，用于控制1#、2#交流变频调速器之输出频率，最终动态控制船舶的左、右螺旋桨的转速，并由此来确定航速，它们分别是由相应的数字量经D/A转换芯片AC0832和由运算放大器组成的功率放大电路变换而来。
3.5 数字输出模块数字输出模块分信号控制通道和故障指示通道两部分。
3.5.1 信号控制通道信号控制通道共有6路控制信号组成，其中2路用来控制交流变频调速器电源端的交流接器，4路用于控制交流变频调速器的输出相序，以驱动螺旋桨的正、反向旋转。
从而操作船舶航向。
2路用于变频器故障光电指示，1路用于柴油发电机组油机故障光电指示3.5.2 故障批示通道故障指示通道3路组成，其中2路用于1#、2#变频器故障光电指示，1路用于柴油发电机组的油机故障光电指示。
3.5.3 键盘输入电路键盘输入电路是通过Inte18751单片机本身的中行接口通过移位寄存器74HC164扩展而来，共有9个功能键，主要完成船舶航行的各种控制指令的一达以及显示模式的选择。
3.5.4 显示电路显示电路也是通过74HC164扩展而来的，它由3个7段绿色LED数码管和4全红色发光二极管组成，数码管用于显示船舶左螺旋桨或右螺旋桨的转速，以及造成系统自动停机故障点指示。
发光二极管用于指示船舶当前的航行状态。
3.5.5 信号传输线为了提高系统抗干扰能力，信号传输线采用带屏蔽的双绞线。
信号传输线的作用就是为了航行控制台、交流变频器等之间的信号传输，以实现航行控制台对交流变频器的遥控操作。
4航行控制台的系统软件设计根据系统的要求，系统软件所完成的主要功能为：系统完成自栓任务后，再根据键盘输入命令，发出相应的控制命令和过程命令，完成船舶的各种航行工况的操作，并动态监视和控制左、右螺旋桨的转速。
定时检测系统的硬件和软件故障，实现船舶的安全航行。
系统软件主要由主程序和键盘输入及处理、显示输出、A/D转换以及状态检测及故障报警等子程序组成。
主程序流程图如图3所示：显示输出了程序流程图如图4所示：键盘输入及处理子程序完成各种键盘输入航行控制指令的辨识和控制指令的执行。
D/A转换子程序流程图如图5所示：A/D转换子程序流程图如图6所示：当船舶的整个电力拖动系统发生严重故障时，如柴油机冷却水温过高，交流变频器输出严重过载等严重故障，转入报警中断服务子程序，开始进行记录故障点，切断变频器供电电源，使船舶停车，显示故障信息，接通声光报警电路等一系列的动作。
5系统的抗干扰措施由于系统的控制对象为强电设备（交流接触、异步电机等），环境电磁干扰比较严重。
特别是控制信号传输线和检测信号传输的距离比较长（35m左右），由线路引进的不可预见的电磁干扰可能性非常大。
为了提高系统的抗干扰能力，使系统能够可靠而稳定的工作，我们在设计和安装调试过程中，采取了如下措施。
5.1 提高电源的抗干扰能力主控线路的数字电路采用分开供电的方法：数字电路的电源采用隔离度好、抗干扰能力强的开关式直流稳压电源，该开关式直流稳压电源输入为AC220V，输出为+5V，+12V，-12V。
模拟电路的电源采用船舶自备的24V蓄电池供电，中间加入一级高波纹抑制比的直流稳压器件1m117，稳压输出+18V直流电为模拟电路单独供电。
5.2 抑制执行机械动作的回馈干扰在系统的开关量输出端加入一级光电藉合器和一级小电流继电器实现双重隔离，并且在继电器的吸合线圈两端并联上高速齐纳续流二极管。
经过以上措施后，有效地抑制触点吸合与断开瞬间产生的尖脉冲干扰，或其它强电线路串入电磁干扰。
这种双重隔离措施的原理如图8所示：5.3 模拟输出信号采用电流环传输技术将D/A芯片传输来的0-5V的电压信号通过V-I变换电路转换为4-20mA的电流型号。
以提高传输线路的抗干扰能力。
5.4 信号传输线的选择与安装我们采用了如下措施：由于从航行控制台到交流变频器的距离比较远，为了昼避免设备的误动作，减少外界的干扰，对信号传输线选择和安装我们采用了如下措施：选用带屏蔽层的双绞线，作为信号传输线，以减少共模干扰，屏蔽层仅一端接地，以避免由于异地的不同地电位引起的电位差干扰系统，传输线要尽量远离强电（如AC220V、AC380V等）架设和安装，距离要大于500mm，并且避免与电源线并行。
5.5 软件抗干扰措施利用看门狗技术来实现计算机自己监视自己的运行情况。
这种看门狗基本技术特点为：监视软件本身能够独立运行，基本上不依赖于CPU，CPU在一个固定的时间间隔内访问监视软件一次，也就是喂一次狗，以此表示系统目前运行尚且正常，其中时间间隔根据实际需要人为确定。
当系统因受干扰使CPU陷入死循环后，由于CPU不能定时访问监视软件，监视软件及时发现异常并使系统实现软复位，使系统恢复正常运行。
在各个程序模块之间和程序之后，添加若干条空操作指令和一条无条件绝对跳转指令组成“陷阱”。
一旦程序跑飞，跌入“陷阱”便可转入系统寝化程序，使程序得以继续运行。
6应急处理措施该船舶航行控制系统设计为自动控制，在正常情况下，只需要通过键盘简单的操作命令即可。
但为了确保船舶航行的可靠性和安全性，控制系统又添加了应急手动控制部分。
一旦计算机控制部分出现异常，无法正常运行，操作人员可以通过控制面板的“控制模式选择旋钮”旋向“应急”位置，用应急控制方式对船舶实现分档控制操作。
