船舶电力推进的应用研究

船舶电力推进的应用研究张翔( 广州远洋运输公司技术部)摘要:电力推进因其良好的操作性、可靠性等原因, 从 50 年代起相继为工程船舶如破冰船、挖泥船、海上石油工程船、火车渡轮等所采用。近年来随着 DP( Dy-namically Posit ioned) 技术、变频技术的日趋成熟, 电力推进也有向常规船应用的趋势, 本文简述了国际上船舶电力推进技术的发展概况, 并以我司 18000 吨半潜船为例, 对电力推进主回路结构系统组成、关键技术等进行了研究和分析。关键词:船舶电力推进一引言早期采用直流电力推进系统, 其调速系统简单、性能好, 但直流电动机存在电刷和机械换向器, 因而结构复杂、体积及重量大、价格高、维护困难, 并且运行时有火花, 使用场所受到限制, 同时受到离心力和换向片之间的耐压限制, 所以直流电动机存在功率极限和转速极限。随着科学技术的进步, 特别是电力电子技术、交流调速技术、永磁电机及其控制技术的飞速发展, 电力推进的方式也多种多样, 如交流永磁同步电力推进系统, 利用了永磁同步电动机体积小、重量轻、噪音低、效率高的特点, 特别是在低速工况下, 效率比常规直流电机高很多; 又如 PWM 变频器带交流感应电机驱动, 具有功率因数高、转矩控制平滑的优点。现代电力、电子技术在器件、电路及其控制技术方面, 向着集成化、高频化、全控化、数字化方向发展, 为交流电动机及控制系统用于船舶电力推进提供了技术基础, 单机推进功率不断增加( ABB 公司 Azipod 推进系统功率已达 40MW) , 控制性能不断提高, 加速了电力推进的应用。二驱动技术简介及比较1 恒速电机驱动恒速电机驱动采用鼠笼式感应恒速电机带控矩桨来实现, 为了增加可操纵性, 也可用极数转换开关来实现电机速度控制, 但感应电机瞬间起动电流较大, 通常是正常电流的 5 7倍, 且瞬间机械轴转矩大, 以及系统电网压降大。工程应用上为了防止上述影响, 以及满足规范对船舶电站压降的要求, 可采用船舶电站规定启动大电机需要的最小运行机组, 以及电机采用 Y-启动、软启动器启动等。2 CSR 直流电机驱动采用全桥式晶体管整流器为一个电枢电流可控的直流马达供电来驱动( 参见图 1) 。但这种方式存在控制问题, 若想得到转矩精确平滑的控制, 必须提高电枢感应系数, 但增加28广东造船2003 年第 2 期枢时间常数会引起推进系统动态性能减弱, 同时有可能使系统的功率因数偏低, 功率因数低会增 加电 站和 分 配电 系统的损耗。通常电机的速度通过控 制晶 闸管 导 通角 调节电枢电流来实现, 根据电机速度, 可将功率因数控制在0 0. 96 之间。直流电机驱动需要换向器, 通过电刷部件将直流电转换给电枢, 由于电刷存在磨损, 因此换向器是 一个 易发 生 故障 和需图 1要维修的部件, 同时会限制静态转矩输出。鉴 于以上的因素, 目前船 舶应用方对直流电机驱 动的容量会限 制在 23MW 以内。3 电流转换型( CSI) 交流同步电机驱动电流转换型交流同步电机驱动, 将直流电通过晶闸管控制型整流器以及平波感应器进行转换后向交流同步电机供电( 参见图 2) , 转换后系统功率因数根据电机速度, 从额定速度的 0. 9 到低速的 0 之间变化。这种方式进行电流转换后电流谐波含量较高, 因此在系统设计的时候通常采用 12 半周、6 相电源配置来减少谐波。由于系 统存 在谐 波和 转矩 锯齿型输出, 工程上可利用感性电机的反方向 感应电 势来进 行电流 波形调整, 因此 CSI 驱动主要同交流图 2同步电机相匹配, 该种电机能在容性功率因数环境工作。但在低速情况尤其是在低于 5% 10% 的额定速度情况下, 电机的反向感应电势很低, 不能进行可靠的电流波形调整, 同时在这个速度区域内, CSI 将电流控制在零之间脉动, 这样转矩输出也存在在脉动, 因此会对电机的轴系带来振动, 工程上通常采用齿轮传动的形式来减少振动和噪音。由于直流电同感性负载相连导致时间常数较大,因此 CSI 驱动的动态性相对于交流驱动来讲较差, 但 CSI 驱动能匹配大功率的电机, 目前已达到 40 60M W, 因此在陆用得到了成熟的应用, 但在船舶驱动方面同其它驱动方式来比并没有太多的优势, 因此船舶上还未应用。4 循环换流器配交流同步电机驱动该驱动采用循环换流机向电机供电而不用直流电源驱动, 系统通过控制一个可控的桥式反并联晶闸管, 通过它选择交流电源的不同相位区间给电机提供交流电( 参见图 3) 。2003 年第 2 期广东造船29图 3该驱动系统可将电机的电压频率控制在额定频率的 1/ 3( 大约 20H z) , 因此可以不需要齿轮传动而直接驱动螺旋桨, 同时电力系统内的谐波含量较小, 功率因数高, 工程应用上还可通过 12 半周、6 半周等电源配置方式进一步减少系统的谐波含量。系统功率因数是由电机电压决定的, 通常可达 0. 76, 系统内谐波高低是由电机速度决定的, 因此设计时应注意电机的额定输出功率不要过大于消耗功率。该驱动性价比高, 应用比较广泛, 目前单个电力驱动系统的功率范围在 2 30MW 之间。5 PWM 变频器配交流感应电机驱动这种驱动方式采用二极管整流将交流电整流后, 再通过 P WM 变频直流电斩波后向电机提供电压、频率调整的交流电( 参见图 4) 。采用二极管整流器可保持电力系统能在任何电机速度的时候保持功率因数接近 0. 95, 相比 CSI 和 Cyclo 驱动, PWM 驱动的系统谐波含量最少, 前两种驱动的谐波含量正比于电机的速度, 用三芯变压器为变频器提供 12 半周的电源可进一步减少谐波含量。目前变频器主要有星形调制型和 DT C 型, 后者可用于电机没有速度传感器的情况下进行高精度速度控制。通过 PWM 以后系统电源输出的频率范围较宽, 动态性能好, 它和高速鼠笼感应式电机( 900 1200rpm ) 相匹配, 在任何速度都能保持转矩平滑输出, 若采用矢量控制器在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出。船舶电力系统的电流波形决定于 整流器, 为 了保证 电网质 量, 通常采 用全桥 式二极 管整 流器, 目前应 用PWM 驱动的单机功率达 8M W( 3, 300V) 。图 430广东造船2003 年第 2 期6 各种驱动方式的比较目前, 虽然各大公司也在研究其它的驱动方式, 如 CSI 同 PWM 变频器相合驱动、PAM变频驱动等, 但目前技术有限并没有得到应用, 同时由于各种驱动随应用的不同, 特性也不一样, 具体情况可能不一样, 因此很难进行详细的技术比较, 因此, 表 1 仅对主要的技术参数进行典型比较。SCR DC 电机驱动Cyclo- converter*CSI( LCI) * *V SI PWM * * *低速电流FFF0功率因数0 0. 90 0. 760 0. 9 0. 95动态系数( 转矩) 100ms 100ms慢 50ms转矩输出平滑平滑脉动平滑0 速区不连续平滑脉动平滑满负荷效率低高高高谐波畸变马达匹配要求有时需要有时需要有无换向器有无( 滑环)无( 滑环)无* 与有刷同步马达相配* * 与有刷同步马达相配* * * 与鼠笼式感应电机相配表 1各种驱动方式的比较表三螺旋桨和推进器的种类1 轴桨推进在柴油机电力推进系统中, 通常采用水平的变速电机齿轮箱或直接驱动螺旋桨, 系统简单可靠, 或通过齿轮箱带动恒速电机驱动也能提供可操纵的推进功率。轴桨推进应用在穿梭油轮或类似的船舶, 这些船比传统的方向推进器要更多的推进功率。2 管道式推进管道式推进中马达可垂直安装, 并通过 L 型齿轮传动, 或者水平安装通过 Z 型齿轮传动, 后者可使用转速高、体积小的马达。管道式推进可变速恒螺距推进或者恒速变螺距推进, 变速恒螺距推进没有螺距变化机构从而机械结构简单, 应用较广, 并且推进损失也较少( 0 额定功率的 15% ) 。3 方位角推进方位角推进系统是用旋转机构在任何方向上产生推进输出, 电动马达通常垂直安装驱动 L 型齿轮传动, 通常也采用变速马达带固定螺距螺旋桨驱动, 从而简化水下机械结构以及减少推力损失, 目前这种推进模式的功率达到 5 7MW。4 吊舱式推进吊舱式推进的结构是将变速电机放在一个吊舱内, 固定螺距的螺旋桨直接连接在电机轴上, 避免了齿轮部分, 因此比方位角推进的传动效率高, 机械结构简单, 紧凑可靠, 占用空间小。电源是通过活动电缆连接马达, 若需要 360 度旋转时可通过滑环向马达供电。吊舱式推进方式从应用到现在已有 10 多年的历史, 在油轮、海上工程船等都有应用, 目前的输出2003 年第 2 期广东造船31功率可达 25M W, 功率大的吊舱式推进系统有足够的空间进吊舱内检查, 增加了系统的可维护性, GSI 为中远航运建造的 18000 吨半潜船就是采用该种推进方式。四电力推进需要考虑的问题电力推进使用大功率的电子器件, 因此很容易对船舶的电力系统产生影响, 特别是谐波污染, 对于运行电机, 谐波将引起附加损耗, 使电动机转矩减小, 对测量仪表将产生虚假的谐波功率, 出现随机误差; 对于继电保护装置, 谐波将影响其设定整定值, 引起误动作; 对于通讯网络, 谐波将影响其电磁效应和正常的载波, 因此在选择推进方案的时候应当考虑变频器类型、是否加谐波吸收器、或与船舶的低压系统进行电气隔离等不同方案。为了防止谐波对船舶产生影响, 通常在建造过程中要进行谐波的测定, 目前采用的方法是进行总谐波变形值( TH D) 的测量, 船级社为此也提出了相关的规范, 一般要求低压配电系统的 T H D 应小于5% , 推进系统 TH D 应小于 8% 。变频器的选择应考虑其功率损失要小, 过度阻尼要尽量大, 变频器中元件的储藏能量尽可能小。五实例介绍中远在 GSI 建造的 18000 吨级级半潜船, 是中国建造的第二艘使用电力推进系统的船舶, 上层建筑及机舱位于艏部, 装货甲板在舯部和艉部。为了满足船舶装货要求, 采用电力推进系统推进, 并设有动态定位( DP ) 系统。主发电机组供电的 POD 式 SSP 电力推进系统,功率达 24700KW, 可 360旋转。设有船艏侧推器两套, 每套功率 800KW, 增强了船的机动性, 可在驾驶室的组合控制台及驾驶甲板两翼进行摇控。船上配备的级动态定位系统,可控制 SSP 推进系统和船艏侧推器, 使船舶定位在任何预先设定的位置。该船的主尺度如下:总长156. 00 m载重量17860 吨两柱间长145. 00 m总吨位14184型型宽深32. 20 m10. 00 m净吨位服务航速425514 节夏季吃水下潜吃水7. 50 m19. 00 mm续航力12000 海里2 电力推进系统介绍图 5 描述了该电力推进系统的结构, 该系统三台中压 6. 6KV、3900KW 发电机组为两台 4700KW PSD 式推进器和两台 800KW PWM 式侧推器供电, 主推进系统采用 P OD 式推进器, 利用 Cy co-l convert er 将 6. 6V 交流电转换成 12. 75Hz3. 3KV 交流电供给交流永磁同步电机, 电机转速 0 155rpm 。艏侧推器利用-Y 型变压器将三相 6. 6KV 电源转换成6 周波 800V 交流电, 减少了高次谐波的含量, 再通过 PWM 型交直交变频器向 1200rpm、三相异步电机供电, 并用齿轮驱动螺旋桨。防止谐波对低压系统的影响, 电力系统中增加了两台旋转变流机组向低压配电板供电, 实现了中压推进系统和低压系统的电、磁隔离。实船测量 TH D, 中压系统 6% 左右, 低压系统 4% 左右, 很好地防止了电力推进的不利影响。感谢您试用AnyBizSoft PDF to Word。试用版仅能转换5页文档。要转换全部文档，免费获取注册码请访问