船舶电力推进的应用研究.doc

 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 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, 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