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1、2003年第2期广东造船27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-namicallyPositioned)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
2、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
3、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
4、、软启动器启动等。2CSR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,但增加电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
5、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2~3MW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,
6、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40~60MW,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
7、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20Hz),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
8、动性价比高,应用比较广泛,目前单个电力驱动系统的功率
