船舶電力推進幾種典型方式的比較

關(guān)鍵詞：船舶 電力推進 原理 特點

0 前言

船舶電力推進，有直流推進和交流推進兩大類。

1970年代以前，主要采用直流電力推進系統(tǒng)，因為直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬廣和平滑，過載起動和制動轉(zhuǎn)矩大，逆轉(zhuǎn)運行特性好；而交流電動機盡管具有輸出功率大、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、運行可靠等優(yōu)點，但限于當(dāng)時的技術(shù)限制，調(diào)速困難，應(yīng)用較少。

隨現(xiàn)代控制理論和數(shù)字控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美[1]。交流電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)成為船舶電力推進發(fā)展的主流，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。水面船只，交流電力推進占主導(dǎo)地位，所選用的交流電動機，交流異步電機、交流同步電機、永磁同步電機等并存。只有潛艇，仍是直流推進占主導(dǎo)地位。

世界著名的電氣集團，如SIEMENS，ABB，以及ALSTOM等，都研制出船舶交流電力推進的成套裝置，功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，其中以吊艙式推進器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推進系統(tǒng)，功率已達40MW，性能可靠，傳動效率高，節(jié)省空間，已成功地應(yīng)用在油輪、破冰船、郵輪、化學(xué)品船、半潛船等多種船型，并在近期新造船舶市場獲得良好評價。

目前，船舶采用的電力推進系統(tǒng)，型式多種多樣，但歸納起來基本可分為以下五類[2~4]：

·可控硅整流器+直流電動機

·變距槳+交流異步電動機

·電流型變頻器+交流同步電動機

·交一交變頻器+交流同步電動機

·電壓型變頻器+交流異步電動機

選擇電力推進裝置時，主要關(guān)注價格、功率范圍、推進效率、起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標(biāo)。本文從以上五類電力推進裝置的工作原理出發(fā)，分析其工作特性，并比較關(guān)鍵指標(biāo)。

1 可控硅整流器+直流電動機

1970年代以前，船舶電力推進系統(tǒng)中，直流電動機占據(jù)主導(dǎo)地位。1940和1950年代，推進系統(tǒng)采用原動機一直流發(fā)電機一直流電動機形式，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小和方向，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。

1950年代末，大功率可控靜態(tài)電力變流元件研制成功，可控硅整流裝置出現(xiàn)，直流電力推進系統(tǒng)演變成可控整流器加直流電動機模式。晶閘管的問世加速了這種推進技術(shù)的發(fā)展，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。至今，該種推進形式仍不失為一種高效、經(jīng)濟的推進方案。

可控硅整流器+直流電動機系統(tǒng)，采用全橋式晶體管整流器為一個電樞電流可控的直流馬達供電，原理如圖1。

其基本工作原理是：

圖1 “可控硅整流器+直流電動機”原理圖

·通過控制晶閘管導(dǎo)通角，改變觸發(fā)電路輸出脈沖的相位，從而改變直流電機的電樞電壓Ud，再由此改變電樞電流，實現(xiàn)電機速度的平滑調(diào)節(jié)；

·利用可控整流電路調(diào)節(jié)勵磁電流，使電動機能夠在轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩坐標(biāo)的任一象限運行。

可控整流電路最基本的變量是控制角α (從晶閘管承受正向電壓起到加觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通的瞬間，這段時間對應(yīng)的電角度)。α與各電壓、電流之間的關(guān)系決定了可控整流的基本特性。功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速成正比，在0～0.96之間。

這種推進方式的優(yōu)點：

·控制角α的控制范圍，理論上是0～180°；實際上一般在15～150°，是考慮到電網(wǎng)的壓降，確保電機可控，控制角α確保留有換流邊界；

·起動電流及起動轉(zhuǎn)矩接近于零；

·扭矩波動平滑；

·動態(tài)響應(yīng)一般小于100毫秒。

缺點是：

·轉(zhuǎn)矩控制不夠精確，若要得到精確平滑的轉(zhuǎn)矩控制，必須提高電樞感應(yīng)系數(shù)，但會引起系統(tǒng)動態(tài)性能減弱，功率因數(shù)偏低，增加系統(tǒng)損耗；

·直流電機驅(qū)動需要的換向器，是一個易發(fā)生故障的部件；

·會對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染，因為采用了大功率電力電子器件；

·直流電動機固有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大、維護困難、效率低等缺點，阻礙了它在船舶電力推進領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

目前，船舶推進所應(yīng)用的直流推進電機的容量，在2～3MW之間。

2 交流異步電動機+可調(diào)螺距螺旋槳

交流異步電動機+可調(diào)螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Direct on line)模式，多采用鼠籠式感應(yīng)恒速電機驅(qū)動變距槳實現(xiàn)，船速的控制靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數(shù)轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)電機速度控制。

這種推進方式的優(yōu)點是：

·幾乎沒有影響電網(wǎng)的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件；

·電動機轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定沒有脈動；

·在設(shè)計點運行時效率很高。

但缺點也不少，例如：

·交流異步感應(yīng)電機起動瞬間電流較大，通常是正常電流的5～7倍，系統(tǒng)電網(wǎng)壓降大；

·起動瞬間機械軸承受的轉(zhuǎn)矩大，約為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍；

·極低航速，螺距近似為0時，仍要消耗額定功率的15％，電流約為正常值的45～55％；

·功率因數(shù)低，滿負(fù)荷時也只能達到0.85；

·功率及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)慢，一般3～5秒才能完成，因為采用液壓機構(gòu)完成螺距的變換；

·反轉(zhuǎn)慢，制動距離長；

·變距槳的液壓控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，并工作在水下，故障維修時需進塢；

·變距槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，價格貴。

為了防止起動時電流和扭矩過大等不利影響，以及滿足規(guī)范對船舶電站壓降的要求，這種電力推進方式啟動時必須采用船舶電站規(guī)定啟動大電機需要的最小臺數(shù)運行機組，以及電機采用Y一△啟動、軟啟動器啟動等方式。

這種推進方式只適合于中、小功率船舶，或1000kW以下的側(cè)推裝置，因為微軟起動器目前還只有中、小功率的低壓產(chǎn)品。

3 電流型變頻器+交流同步電動機

電流型變頻器+交流同步電機驅(qū)動方式(CSI+Synchronous motor)原理圖如圖2。

圖2 “電流型變頻器+交流同步電動機”原理圖

(1)電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)

由整流器、濾波器、逆變器等三部分組成。

工作原理是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進電動機。

電流型變頻器的直流中間環(huán)節(jié)，采用大電感濾波，直流電流波形平直，對電動機來講，基本上是一個電流源。

改變整流電路的觸發(fā)角，就改變了中間直流環(huán)節(jié)的電壓，相當(dāng)于直流電動機的調(diào)壓調(diào)速；而改變逆變電路觸發(fā)脈沖的順序，即可改變推進電動機的轉(zhuǎn)矩方向，控制推進電動機轉(zhuǎn)向，從而使控制電路大大簡化。

(2)SYNCHRO電力推進

交流電通過三相橋式全控整流電路以及平波電抗器，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換后向交流同步電機供電，此種推進方式通常被稱為SYNCHRO電力推進。

SYNCHRO變流裝置的輸出頻率，受同步電機轉(zhuǎn)子所處角度控制：

·每當(dāng)電機轉(zhuǎn)過一對磁極，變流裝置的交流電輸出相應(yīng)地交變一個周期，保證變頻器的輸出頻率和電機的轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會出現(xiàn)失步和振蕩。

·系統(tǒng)功率因數(shù)根據(jù)電機速度，從額定速度時的0.9到低速的0之間變化。

SYNCHRO電力推進系統(tǒng)主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結(jié)構(gòu)形式，諧波成分比較固定，消除比較容易。12脈波SYNCHRO電力推進系統(tǒng)，如果在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網(wǎng)質(zhì)量可以滿足船級社的規(guī)定，故12脈波的SYNCHRO電力推進系統(tǒng)應(yīng)用較多。

SYNCHRO電力推進系統(tǒng)的缺點是：

·低速運行時，電流型變頻器將電流控制在零附近脈動，轉(zhuǎn)矩輸出也存在脈動，給軸系帶來振動；

·時間常數(shù)較大(由于直流電同感性負(fù)載相連)，所以系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差；

·電流型逆變電路中的直流輸入電感數(shù)值很大才能夠構(gòu)成一個電流源，使直流回路電流恒定，所以電感重量、體積都很大，使得電流型逆變器使用受到一定限制。

而其優(yōu)點，是：

·起動電流接近等于零，起動轉(zhuǎn)矩最高可達50％額定轉(zhuǎn)矩；

·價格上有一定的優(yōu)勢；

·控制方便，操作靈活；

·能匹配特大功率電機，目前已達40～60MW。

10MW以上容量的電力推進裝置，ALSTOM公司和STNATLAS公司傾向于選擇SYNCHRO電力推進。

4 交一交變頻器+交流同步電機

CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交一交變頻器或循環(huán)變頻器。該變頻器廣泛應(yīng)用于大功率、低速范圍內(nèi)的交流調(diào)速，其調(diào)速上限不超過基頻的40％。

交一交變頻器+交流同步電機(Cyclo converter+Synchronous motor)驅(qū)動方式，采用CYCLO變頻器，通過控制一個可控的橋式反并聯(lián)晶閘管，選擇交流電源的不同相位區(qū)間向交流同步電機提供交流電。

圖3所示為典型的6脈波交一交變頻器+交流同步電機驅(qū)動方式。

圖3 “6脈波交一交變頻器+交流同步電機”原理圖

雙繞組電動機，就是電動機定子裝有2套同功率但空間相位差30°的繞組，分別由一套6脈波三相輸出交一交變頻裝置供電。

變頻裝置輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路：一組晶閘管整流電路提供正向輸出電流，另一組提供反向輸出電流。構(gòu)成這種交一交變頻裝置的三相橋式電路，在一個輸出周期中三相電流有六次過零，帶來六次轉(zhuǎn)矩波動，所以這種交一交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻裝置，是最基本的類型，應(yīng)用廣泛。

與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、諧波含量少、損耗降低、轉(zhuǎn)矩脈動低等優(yōu)點。其缺點是所需電子元件數(shù)量大，對于6脈沖電路需要36個晶閘管，而12脈沖電路需要72個晶閘管，因而增加了成本。

SIEMENS公司，針對雙繞組同步電動機提供了12脈波交一交變頻裝置。

采用交一交變頻推進的特點是：

·起動平穩(wěn)，起動電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大；

·轉(zhuǎn)矩脈動平滑；

·功率及轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，一般小于100毫秒；

·電力系統(tǒng)內(nèi)諧波高低取決于電機速度；

·系統(tǒng)功率因數(shù)由電機電壓決定，通?？蛇_0.76；

·滿負(fù)荷時效率高；

·變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅(qū)動螺旋槳。

這種驅(qū)動方式，性價比高，應(yīng)用比較廣泛。

根據(jù)國外經(jīng)驗，交一交循環(huán)變流器主要用于速度極低、轉(zhuǎn)矩極高的場合，典型的例子就是破冰船。

目前單個電力驅(qū)動系統(tǒng)的功率范圍在2～30MW之間。針對特大功率低轉(zhuǎn)速推進船舶，ABB和SIEMENS公司傾向于采用CYCLO電力推進方式[5]。

5 電壓型變頻器+交流異步電動機

電壓型變頻器VSI(Voltage Source Inverter)，與電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)同屬于交一直一交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進電動機。

電壓型變頻器的中問環(huán)節(jié)采用大電容，對電動機來講，基本上是一個電壓源。

隨著電力電子器件的發(fā)展，電壓型變頻器發(fā)展成新型的脈寬調(diào)制型(PWM)，整流器用二極管組成，逆變器用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)組成。

IGBT是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數(shù)產(chǎn)品為此類型，并有低壓及中壓規(guī)格。

IGBT的特點是：

·線路簡單；

·功率因數(shù)高；

·諧波少；

·調(diào)速范圍寬和響應(yīng)快。

圖4為PWM型變頻器+交流異步電動機(VSI+Asynchronous motor)的系統(tǒng)原理圖。

圖4 “電壓型變頻器+交流異步電動機”原理圖

這種驅(qū)動方式采用二極管將交流電整流后，再通過PWM變頻直流電斬波后向電機提供電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的交流電。

采用二極管整流器，可保持電力系統(tǒng)能在任何電機速度的時候功率因數(shù)接近0.95。

相比CSI和CYCLO驅(qū)動，PWM驅(qū)動的系統(tǒng)諧波含量最少，用三芯變壓器為變頻器提供12半周的電源還可進一步減少諧波含量[6]。

PWM電壓型變頻器中，西門子采用IGBT器件進行矢量控制，ABB采用IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉(zhuǎn)矩控制。從控制原理來說，兩者都是用數(shù)字技術(shù)，通過計算機將電動機電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量分別進行控制，以達到類似于直流電機的動態(tài)特性。

通過PWM型變頻器控制后：

·系統(tǒng)電源輸出的頻率范圍較寬；

·功率及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)快(小于10毫秒)；

·與高速鼠籠式感應(yīng)式電機(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持轉(zhuǎn)矩平滑輸出；

·若采用矢量控制器，在零速度的時候仍能保持轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出；

·起動平穩(wěn)，起動電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大；

·在任何負(fù)載狀況下均有很高的功率因數(shù)(約為0.95)：

·低速時功率損耗?。?/FONT>