变频器对船舶电网电流谐波影响及应对策略

曲兆源

利丰海洋工程(天津)有限公司，天津 300457

研究表明，在工艺机械设备随处可见，并能改变各行各业传统作业模式的工业化时代，变频器在其中起着不可或缺的重要作用。因为，变频器的调速性能能够满足各种工业生产要求,极大地提高工业生产效率。尤其是对风机水泵调速调节流量的节能效果非常明显,从而使得变频器在船舶行业得到广泛的推广与应用。然而，随着变频设备在船舶电力系统中的应用进一步扩大，将会导致各种非线性负荷的增加，同时，船舶中所涉及的电力电子设备的能耗占船舶电气总能耗的比例越高，进一步加大人们对使船舶电网中谐波污染分析的难度，进而直接影响到船舶运行的安全可靠性以及相关企业的经济效益。

1 变频器对船舶电网电流谐波的影响分析

1.1 对电力控制元件和电容器的影响

一旦变频器对船舶电网电流谐波影响达到一定限度，将会使得原本确保整个船舶电流网络的电子式保护继电器工作失灵，或者导致可编程控制器（PLC）等因谐波而产生误动作，从而影响到船舶电网系统的其他元件的失效。此外，由于谐波电流将会产生大量的额外电流，从而使电容器和系统产生并联谐振造成谐波电流放大,在过大电流的载荷下，将会使电容器出现过载被击穿或烧坏。

1.2 对动力设备的影响

在谐波电流的影响下，对于那些依靠电压源型变频器供电的普通电机,其转矩将会降低。因为，电机在调速运行时谐波引起电机的铁损和铜损进一步增加,不能够产生原有的额定转矩,尽管现代变频器技术在一定程度上能够克服各种障碍以得到足够的转矩,但是，若要在此情况下长期维持额定转矩运行，只会加剧船舶动力设备的损耗，进而导致电机长期处于高温状态下工作而缩短绝缘寿命。

1.3 对船舶通讯设备的影响

由于谐波电流的产生，使得通讯系统的工作模式必须处于有谐振的环境中,当谐波达到通讯系统的临界点时，将会使整个通信系统出现通讯干扰，不利于船舶与指挥台之间的信号传输，进而影响到船舶航行的安全性。

2 变频器对船舶电网电流谐波影响的对策

2.1 增加滤波电抗器

一般情况下，在变频器输入输出端增加滤波电抗器，能够有效地减少变频器所产生的谐波对船舶电网的影响。因为，滤波电抗器其工作原理正是与谐波产生的相反，从而达到抑制谐波的目的，这样不仅能够确保变频器自身的安全运行,即避免由自身所产生的谐波干扰而出现功率忽大忽小的情况，还可亦减了变频器对船舶电网的污染，使船舶电网信号处于最优状态。同时,因这些变频器是装在薄钢板制成的控制柜中的,将变频器单独可靠接地后,加上控制柜的屏蔽作用,大大降低了高频谐波对周围环境的高频辐射。

2.2 船舶电网设计中采用无源滤波器

由于无源滤波器成本低下，结构简单，易于实现，不仅能够有效地抑制由变频器所产生的谐波，还可以补偿无功功率，在船舶行业受到人们的青睐。无源滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器这两种类型。其中，单调谐滤波器主要是用于吸收由变频器所产生的单次谐波；而双调谐滤波器可同时吸收两个次数的谐波，其工作原理与单调滤波器相同，只是它在在谐振频率附近实际上等于两个并联的单调谐滤波器。此外，双调谐滤波器的基波损耗比单调谐滤波器的小，仅一个电抗器承受全部冲击电压，但是其构造较复杂，调谐困难，也不利于实现。

2.3 采用限压滤波器(du/dt滤波器)

研究表明，限压滤波器除了包含电抗器之外,还有电容阻或电容器吸收整流桥,这些电子元件能够明显地降低谐波峰值电压，同时，还可以有效地增加谐波电压峰值上升时间，即减少du/dt值。例如，谐波电压峰值可降到684V，du/dt为40V/μs，然而，却不影响电机的运行性能，因为对电机所造成的损失电压大约只占其额定电压0.5%～1.0%,从而减少启动转矩和最大转矩。尤其是在船舶电机绝缘水平相对比较弱的情况，限压滤波器表现出良好的效果。

2.4 设置π型滤波器

在船舶电网电流中，π型滤波器设置在主变压器和应急变压器初级与次级两端,同时，并装设由电感、电容及电阻组成的单调谐滤波器和低通滤波器，将会极大地降低变频器对船舶电网电流谐波的影响，为船舶的安全、正常航行提供可靠保障。其中，低通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器，而单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器。由此可见，设置π型滤波器的方法，在降低变频器对船舶电网电流谐波影响中不仅效果良好，还可以切实地降低船舶运作成本，简单易于实现，并为相关船舶企业最终实现经济效益与社会效益提供可靠保障。

3 结论

综上所述，随着我国船舶工业的不断发展，加上我国海上贸易日益扩大，使得船舶中变频器对船舶电网电流谐波影响越来越受到人们的关注。因为，船舶上的电网电流、航行设备运行、船舶上无线电通信以及部通信工作等都会受到谐波影响，因此，这就需要相关人员必须综合各种有效策略切实地减少谐波的影响，对于确保船舶的安全、可靠航行，最终为相关船舶企业创造更大的利益空间。

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