施耐德变频器的原理解说

表 1：调速驱动与液压驱动的比较 我们可以明显的得出结论，调速驱动的优势更为突出，主要表现在：效率高，维护 方便，且成本低廉。因此，调速驱动适合在船舶行业大范围推广。
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变频器和软启动在船舶行业上的应用方案
随着微电子技术的快速发展，电子控制技术越来越被广泛地应用于船舶行业的自动 化控制，极大地提高了整船的技术含量和自动化程度，它结构简单，所占空间小、噪音 低、对环境无污染，无极调速效率高，同时对船东来讲设备保养和维修简单，运行费用 低，因此深得国内外的船东好评。下面重点分析船舶行业四大系统采用施耐德 ATS48 软 起动器和 ATV61 变频器驱动的应用方案及主要优势。 4.1 使用电机驱动带来的好处 (1) 起动电流最大 2.5 In（ATS48）、1 In （ ATV61 ），对电网冲击小，电机的转 矩有了明显的提高，特别是低速运行的时候（可以达到 100%）。 (2) ATS48、ATV61 结构简单、重量轻、模块化结构易于安装及维护，同时故障率 低，维护成本低。 (3) 因无液压单元，故不会出现漏油现象，不会出现卡轴现象，同时无污染，且噪 声低，环保性很高，符合绝大多数港口标准要求。同时也提高了电网的利用 率，降低船舶地运行成本。
脉冲序
列
等效正弦 ACDC 2.3.1 软起动器 (1) 软起动器是一种智能化降压起动器，在起动电机时可有效地控制和限制起动电 流，可减少对电机及其驱动的设备的机械应力； (2) 在只需要软起动和软停止而不需要调速的场合可以使用软起动器； (3) 软起动器为了降低起动电流，必须实施降压起动,，同时降低了起动转矩。 2.3.2 变频器 (1) 变频器可以实现软起动和软停止； (2) 也可以根据负载的变化和系统的要求调节速度和改变输出转矩； (3) 电机起动后可以不以工频转速运行； (4) 变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩。 2.3.3 结论 (1) 从功能上变频器可取代软起动器，但软起动器不能取代变频器； (2) 从成本上变频器高于软起动器。 2.4 关于变频器和电机使用。 对于一般的鼠笼电机来说，使用上有几个缺陷： (1) 普通的鼠笼电机低速转矩出力差，造成低速时电机带载能力差，特别是10Hz一 下时。 -2DCAC
2007 年 PAE 应用方案文集
变频器与软起动器
ATS48 与 ATV61 在船舶行业上的应用
吴 玮 （变频器与软起动器产品应用工程师/上海/13817721196）
摘要：本文主要介绍了船舶行业的概况及船舶调速系统的主要缺点，通过对采用驱动器的新型 调速系统与传统调速系统比较，阐述了船舶行业采用驱动器调速是未来发展的必然趋 势，最后重点介绍了船舶四大系统采用施耐德 ATS48 软起动器及 ATV61 变频器调速的应 用方案及主要优势。
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(3) 变频调速：能够连续调速、效率高、易操作和控制、可靠性高易于维护、起 动电流和运行电流小，过载能力大。 2.2 变频器工作原理 通常变频器的结构为交－直－交，也就是将单相或三相交流电压整流成为直流电压 （AC→DC），然后再将直流“逆变”成为所需频率的三相交流电压（DC→AC），如下 图所示：
3.1 用电环境
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在船上电器使用的环境 (1) 高温 船舱温度可能达到 60 度 (2) 高湿 由于在海上运行而且通风效果不是很好，船舱的湿度也很大 (3) 盐蚀 由于在海上运行空气中盐份很高，所以盐蚀的现象比较普遍（船级社认 证，这个是一个重要的指标） (4) 振动 在海上的遇到风浪是很平常的，在振动的条件下，设备的可靠运行是必要 的。 对于施耐德的产品优良的硬件条件保证了，设备能够正常的使用， (1) ATV61 在 50 度不降容工作，到 60 度降容工作。 (2) 对于 ATS48 可以接受±20%的频率波动，很适合发电机的供电的环境应用，更 不要说 ATV61 运行最大瞬间电压跌落 50%的环境下使用。 (3) 在比如 ATV61 和 ATS48 都通过了 DNV 挪威船级社认证，就很好的说明了，施 耐德的产品是完全符合在海上的应用的。 以上得情况都说明，施耐德的 ATV61 和 ATS48 产品在这个行业能够给客户提供完 善的性能，是可以信赖的。 3.2 目前采用的主要调速系统： (1) 星三角启动 (2) 自藕变压器 (3) 液压传动 压舱水泵 侧推电机 典型设备锚机
动 工作形式 力 效 尺 设 执 行 率 寸 备
低 大 难 难 难 难
高 小 易 易 易 易
液压马达(油缸) 电动机
工作形式 旋转（往复）
旋转 高 大
系 大功率组
态 调整变动 维
低 小
工作形式 活动件＋固态
统 备 阀组＋电子 电子电器 电器
固态 小
制 尺
寸
大
注η1－电动机,η2－控制器,η3－油泵, η4－管路及阀 件,η5－液压马达
3.3 传统调速系统的主要缺点及改进措施： (1) 星三角这种启动方式存在启动力矩小，对设备的冲击大等问题，可以根据工艺 选用变频器或软启动替换，不仅能保证正常使用，而且对电机的保护也更加完 善，不用外加对电机的保护设备，节省投资。 (2) 自藕变压器这种启动方式的缺点在于起动设备体积大，使用不方便，且维护成 本高，同样适合采用变频器或软启动替换。 (3) 液压传动的主要问题及与调速驱动的比较如下表：
波
2.3 变频器与软启动器的比较
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(2) 普通的鼠笼电机高速时不能达到满转速，造成电机达不到额定转速。这是和电 机自身的特性所决定的。 (3) 一般的电机效率都很低大约在85%。 当使用了变频器以后的问题得到了大为的改善，主要是在设计电机模型的时候，对 相应的问题进行了补偿，例如使用了变频器后电机低速时是可以保证，满转矩的输出。 使用变频器这也是提高了整体的设计方案的先进性和节能。 2.5 变频器的问题 由于变频器自身的设计原理造成了其自身比较特殊工作方式，因此在实际应用中存 在一些比较明显的问题。 (1) 对原有配电系统产生谐波(即降低原电网质量)，降低原电网系统的效率，并在一 定程度上破坏电机的绝缘。 (2) 对现场维护人员的素质要求比较高，但是对电机维护的周期和强度有明显的减 少。 综上所诉，针对船舶这个特殊的行业，在设计选择驱动设备时要综合考虑以上问题 所带来的影响。 2.6 关于普通鼠笼电机和变频电机 使用普通鼠笼电机低速运行时，散热差。主要是由于电机自身结构造成的，散热风 扇和转子公用电机轴。而且普通鼠笼电机低速和高速特性虽然使用变频器后有了很大的 改观，但是天生的缺陷还是会有不足的。以上的两个问题在变频电机设计上有了根本的 改观，比如变频电机使用了独立的散热风扇，无论高速还是低速都能够满足电机的散热 需要。在低速和高速的问题上，变频器电机在锭子和转子的设计上有了很大的变化，使 他基本克服了这个问题。这样在使用或不使用变频器都可以充分发挥电机的能力。
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船舶行业概述
按照我国船舶工业统计快报，2006 年全国造船完工量 1452 万载重吨，同比增长 20%；新承接船舶订单 4251 万载重吨，同比增长 150%；手持船舶订单 6872 万载重 吨，同比增长 73%。三指标均创历史新高，而且中国份额分别提高到 19%、30%和 24%。按照载重吨计算，我国造船完工量占世界市场份额的 19%，比 2005 年提高 2%， 这已经是我国造船产量连续 12 年稳居世界第三；新承接船舶订单占世界份额 30%，比 2005 大幅提高 7%，位居世界第二；手持船舶订单占世界市场份额的 24%，比 2005 年底 也大幅提高了 6%。单纯从数量统计来看，我国造船月韩国、日本的差距正大幅缩小。 2006 年承接订单超 4000 万载重吨。30 万 VLCC 批量接单增加，30 万吨矿砂船、一万标 箱 TEU 船和海洋工程设备等高技术船接单实现突破。我国船舶行业发展迅速，但相应的 配套能力不足，这为推动驱动器的广泛应用带来了机遇。
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(4) ATS48、ATV61 工作时无扰切换，无极调速迅速，通过 PLC 来实现各货舱的流 量控制与切换使用，故能够智能化地处理船舶卸货的交替进行。 (5) 电气传动系统在工作时，可以收集货油泵工作时各种参数，进行监控、报警、 急停等，并可传输到机舱集控中心，提高了整船的技术含量，优化电源控制和 降低电源消耗。 (6) 可以连接通讯网络，便于远程控制，并且数字监控系统比模拟系统的精度和准 确度有了很大的提高。 4.2 侧向推进控制系统 (1) 适用船型：成品油船、化学品船、散货船、集装箱船、拖轮、特种工作船等。 (2) 结构组成：推进器+变频马达+控制柜+远程控制面板 (3) 分析：针对以往的启动方式星三角或自耦变压器的方式有了很大优势。而且自 耦变压器的投资成本和软起动的投资成本一样，而且每条船至少有一台，同是 功率很大最少 250Kw，是我们关注的重点。 (4) FPP+ATS48 方案的优点：使用成本低，几乎不用增加。 (5) FPP+ATV61 方案的优点：控制更方便，精度更高。 4.3 货油泵系统 (1) 适用船型：成品油船、沥青船、原油船、加油船等。 (2) 结构组成：货油泵+变频电机+控制柜+控制单元 (3) 分析：ATS48、ATV61 的使用对液压驱动和自耦变压器很大的冲击，使用方 便，维护方便，投资和产出比显而易见。 4.4 压载水泵 (1) 适用船型：各类船只（浮船坞和半潜船等） (2) 结构组成：压载水泵+变频电机+软启动柜+控制单元 (3) 分析：ATS48 的使用对星三角启动方式的冲击很大，同时对于此处频繁启动的 应用，ATS48 比星三角更适合。如果使用 ATV61 的问题是成本较高。 4.5 电动深井泵 (1) 适用船型：化学品船 (2) 结构组成：泵+变频电机+变频启动柜+控制单元 。 (3) 分析：由于电动深井泵一般在使用时是一套系统既由多台电机组成的，所以 ATV61、ATS48 混合使用即满足现场工艺需要，又体现了施耐德公司方案的优 化性，同时也为设计院和船东节约了资金。ATV61、ATS48 方便的客户的使用 和维修，提高了泵的使用效率。 4.6 总结