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摘要：变频技术随着工业自动化程度的不断提高而得到广泛应用。对此，本文根据多年工作经验以及现有研究成果对变频技术在船舶风机及水泵上的应用进行研究，论述了变频技术应用于船舶的必要性以及其工作原理，通过探究其在风机及水泵上的应用分析其节能效果，并提成相关展望。
关键词：变频技术；船舶；风机；水泵；应用
引言
船舶上使用了大量的机电设备，当电机所驱动的负载处于轻负荷时，对电机本身的性能会造成不利影响，甚至会造成大量电能的浪费，无形中增加了船舶的运输成本。船舶运输业在能源应用领域占有很大比重，在船舶上合理利用能源并减少污染物排放是国际社会普遍关注的问题。近年来，相关研究人员将岸上常见的变频技术应用到船舶节能上，使得船舶能源使用变得多样化。
1变频技术运用在船舶上的必要性
船舶上最主要的电力负载为交流异步电动机。常用交流异步电动机的调速方式主要有三种：变频调速、变极对数调速和变转差率调速。目前，船舶大部分电力负载没有采用调速技术，仅在各类甲板机械上采用变极对数调速。由风机、泵类负载消耗的功率与转速的三次方成比例，对有些不需要电动机有很高的速度的场合，如果能够适当调节电动机的转速，经过一段时间后，节约的能量会相当可观。随着石油价格持续低迷状态下，船舶营运成本不断攀升，传统技术方案已经逐渐不能满足现代航运发展需要，因此，必须寻求在船舶上应用新技术的可能性。
2变频调速技术的特点
变频调速技术的主要设备是变频器，它最显著的特点就是节能。变频器是调节电动机转速的电子装置，很多动力设备都是在不断变速中工作的。而变频器通过微电脑改变供电频率控制电动机的转速，使设备省去了变速齿轮和启动、刹车等因素造成的额外耗电，并使设备始终在最佳效率中运转，因此变频器能有效的节约电能。大部分变频调速传动系统不仅具有显著的节电性能，而且还具有高速响应、低噪声、大范围、平滑无级调速操作方便、便于实现自动控制、起动转矩大、起动电流小、功率因数高、维护简单经济等特点，使得变频调速被认为最理想的调速方式之一。
3变频器的工作原理
交流电机（以下简称电机）的旋转速度取决于电机的极对数和电源的频率，其计算式为
n＝60f／p（１）
式（１）中：n为同步转速；f为电源频率；p为电机极对数。由于极对数不是连续的数值（为正整数），且大部分电机的极对数是固定不变的，因此不适合通过改变极对数来调节电机的转速。与之相比，频率可在电机外部调节后再提供给电机，通过改变频率即可自由地对电机的转速进行调节。
电机的磁通量与电源电压的关系式为
U＝E＝4.44kfN（２）
式（２）中：U为电源电压；E为定子绕组的感应电动势；f为电源频率；N为绕组线圈匝数；k为绕组分布系数；为磁通量。由式（２）可知，若减小电源频率f，而使电源电压U保持不变，则必然变大。由于电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，变大会使磁路进入饱和状态，严重时将烧毁电机，因此须保证恒定。在电源频率f减小时，电源电压U也要减小；同理，f增大时，U也要增大，必须保证U／f为常量。
4变频器在风机节能上的应用
当系统监测到机舱内的温度高于设定的上限值时，首先判断运行中的风机的转速是否达到最大。若风机没有达到最大转速，则增加其转速；若风机已达到最大转速，则启动备用风机。如此循环判断并调整风机转速，直至机舱温度低于设定的上限值或风机全部启动，如图1所示。
当系统监测到机舱温度低于设定的下限值时，首先判断气压差是否大于设定值。若气压差小于设定值，则不调整；若气压差大于设定值，则判断运行中的风机是否已达到最小转速。若风机没有达到最小转速，则降低风机转速；若风机已达到最小转速，则使风机停止运行。如此循环判断并调整风机转速，直至机舱内的温度高于设定的下限值或风机全部停止运行。
考虑到主机运行时机舱内的温度有可能低于设定的下限值且没有风机运行，而主机发热量较大，需通风降温，该系统接收一个主机遥控系统反馈来的主机运行信号，当主机运行时强制启动给主机区域供风的风机。主机运行时，很多系统都处于运转状态，也需要通风降温。因此，在设计系统过程中，当主机运行时，除强制启动主机区域的风机之外，还强制启动另外一台风机。同时，系统设置有气压差传感器发生故障时的应急方案，若出现该情况，则启动全部风机。
图１机舱风机变频系统机舱降温流程
5变频器在水泵节能上的应用
当系统监测到低温淡水出口温度高于设定的上限值时，首先判断运行中的主海水泵的转速是否达到最大。若主海水泵转速没有达到最大，则增加主海水泵的转速；若主海水泵转速已达到最大，则启动备用主海水泵。如此循环判断并调整主海水泵转速，直至低温淡水出口温度低于设定的上限值或主海水泵全部启动，如图2所示。
当系统监测到低温淡水出口温度低于设定的下限值时，首先判断运行中的主海水泵的转速是否达到最小。若主海水泵转速没有达到最小，则降低主海水泵的转速；若主海水泵转速已达到最小，则停止主海水泵。如此循环判断并调整主海水泵转速，直至低温淡水出口温度高于设定的下限值或主海水泵全部停止运行。
图2主海水泵变频系统淡水降温流程
6变频器调速装置应用在风机、水泵设备上具备的优点
6.1具有软启功能
可替代各种降压启动电阻、软启动器等，控制电机的启动电流，使启动电流变化平稳，大幅降低电机因直接工频启动产生的对电机的电感应力，减少启动电流对电网的冲击。
6.3提高控制精度
根据系统需要随时控制电机转速，减少无用功，降低电机震动以及运行噪音，大幅延长电机寿命，降低维修量。
结束语
当前国际海事组织正陆续出台更严格的船舶环保标准，随着这些标准逐步生效，船舶行业将面临更加严峻的能源使用挑战，这些因素都在加速推进各种环保节能技术的应用。变频技术在风机和水泵节能上的应用证明其在船舶电网节能方面具有一定的适用性和优越性。
参考文献：
[1]马振邦.船舶海水冷却系统变频控制仿真研究[D].大连海事大学，2017.
[2]史贵昌.船舶海水泵变频技术应用研究[J].造船技术，2016，（03）：75-79.
[3]易瑞庭.变频调速技术在船舶行业的应用及其发展前景[J].科技信息，2010，（07）：512.