船舶電力推進在工程船部分負荷運行下具有顯著的節(jié)油和降噪的優(yōu)點，因此電力推進在船舶市場領(lǐng)域每年都在增長。下圖是典型的電力推進系統(tǒng)圖。   

此圖中起關(guān)鍵作用的是變頻器，把電網(wǎng)中交流電力調(diào)制成頻率可變化的推進電力。

變頻器原理

下圖為典型的6脈沖變頻器

        間接變頻方式的工作原理是先將電網(wǎng)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，然后再在變流電路中將直流轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出。其變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率變化范圍大、功率因數(shù)高、諧波易于消除、可應(yīng)用于各種大功率設(shè)備等優(yōu)點。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵極型功率管)具有高速開關(guān)功能，可以把直流電壓調(diào)制成任何寬度的直流脈沖電壓（PWM信號），高速開關(guān)的性能能使得任何頻率可以調(diào)制出來。

為什么說它是6脈沖呢，請看圖的左邊，在系統(tǒng)的輸入側(cè)，是三相電源，經(jīng)過橋式整流器時，對于直流電來說正極有三次脈沖，負極有三次脈沖，所以叫著6脈沖變頻器。

諧波問題

          6脈沖變頻器會產(chǎn)生嚴重的諧波問題。

        在變頻器輸入端的橋式整流電路上，二極管工作在通斷狀態(tài)，電壓大于直流側(cè)的電壓時，二極管打通，電壓小于直流側(cè)的電壓時關(guān)斷。IGBT把輸入的直流電流以高頻脈沖的方式逆變并模擬形成正弦波，但電機得到的波形不是標準的正弦波形而是有所畸變的。如下圖所示

        IGBT的電流是脈沖形式的，IGBT的高頻開關(guān)把電流以高頻的形式返射給配電網(wǎng)絡(luò)，高頻電流通常是基頻的奇數(shù)倍，3倍，5倍，7倍……形成高次諧波，諧波會導(dǎo)致正弦波形畸變?nèi)缦聢D所示，電網(wǎng)中的諧波電流會最終流向發(fā)電機組，導(dǎo)致發(fā)電機溫度升高，選用的馬達也會因為諧波電流的存在而溫度升高，因此選擇發(fā)電機，變壓器和馬達時要選擇絕緣等級高的，尺寸大一點的，散熱能力強的型號，或者功率容量也要大一點的。

諧波會影響整個電氣網(wǎng)絡(luò)，與電氣相連的電子設(shè)備有時會不正常的溫度升高，功能失常。

變頻器也會損壞電機的軸承。這是因為高頻的電壓輸入電機時，在PWM信號上升沿時會形成高頻的電流，這時電纜及繞組等通電導(dǎo)體在空間上會形成雜散電容，軸承套與軸承座也會形成雜散電容，當軸承運轉(zhuǎn)時，就會形成電容充放電過程，想像一空氣閘開關(guān)分離的瞬間產(chǎn)生電弧。軸承內(nèi)部也會產(chǎn)生電弧。造成軸承內(nèi)部表面產(chǎn)生小坑，損害軸承。如果是經(jīng)常變頻使用，極端情況下軸承的壽命有時會縮短至6個月。

當配電網(wǎng)絡(luò)的容量很大時，而變頻功率又比較小時，產(chǎn)生的諧波不足以造成損害。而在電力推進的船舶上通常變頻的功率相當大的，造成的諧波干擾會在相當程度上危害船舶設(shè)備。解決的方法之一是可采用12脈沖的的變頻器，如下圖所示。

12脈沖變頻器

12脈沖變頻器需要移相變壓器，會降低電網(wǎng)中的諧波含量。當然系統(tǒng)價格也會提高。

另外一種方法是采用AFE技術(shù)。AFE變頻是用IGBT把輸入端的二極管整流裝置替換掉，這樣輸入的波形就是正弦波，輸出也是正弦波，電網(wǎng)中就諧波就會很小。但此時電網(wǎng)會有高頻干擾，需要加裝高頻過濾裝置。下圖是AFE變頻裝置電路原理圖。

AFE變頻器

采用AFE變頻技術(shù)的電機在制動時產(chǎn)生的動能會反饋給電網(wǎng)，有時需要安裝制動電阻箱防止對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

AFE變頻設(shè)備不需要移相變壓器。但價格依然很貴。18脈沖和24脈沖的變頻器需要更多的移相變壓器，這種形式上變頻由于用得不多，價格又貴得離譜，所以很少會用在船舶電力推進裝置中。