船舶电力推进系统的应用及其最新进展

船舶电力推进系统的应用及其最新进展

乔寿成1

,陈红霞

2

(1.中国船级社上海规范研究所,上海200135;2.江南造船(集团)有限责任公司,上海200011)

摘要:对电力推进系统的系统组成和关键技术及其最新进展作了阐述,对其典型布置作了介绍。关键词:船舶;电力推进;进展中图分类号:U665.13 文献标识码:B 文章编号:100529962(2006)0420033203

Abstract:This paper describes the syste m compositi on,key technol ogy and latest devel opment of marine electric p r opul 2si on syste m,and intr oduces its typ ical arrange ment onboard .Key words:shi p;electric p r opulsi on;devel opment

第一作者简介:乔寿成,男,高级工程师。1972年生,1998年

大连理工大学动力工程系内燃机专业硕士研究生毕业,曾从事船舶轮机设计工作,现从事船舶轮机专业审图工作。

1　引　言

近年来,大功率电子技术和集成电路、自动控制技术得到飞速发展,交流电动机调速技术随着功率电子器件和各种调速变换器技术的进步,也取得了重大突破,使电力推进作为大功率舰船的动力成为可能。与此同时,永磁电动机进入实用阶段,超导技术和燃料电池的研究取得一定的进展。从经济角度,市场形成对电力推进系统强劲的市场需求,电力推进越来越广泛使用在潜艇、工程船、破冰船、滚装船、渡船以及豪华游船上。最近双燃料发动机的成熟和应用,使电力推进在LNG 船上的应用取得进展。ABB 、SI E ME NS 、ALST OM 等大公司纷纷形成电力推进系统的系列成套装置,掀起又一轮使用电力推进作为大功率船舶动力的热潮。

2　电力推进系统的组成

电力推进系统通常由电站和电站管理系统、配电系统、变压器、调速控制系统、推进电动机、谐波抑制器、监控系统和螺旋桨等组成。2.1　电站和电站管理系统

目前最为常用的仍然为柴油发电机组,通过配电板为船上的电力推进系统和其它主要设备供电。对电力需求量大的船舶来说,系统中柴油机有可能被其他原动机取代。在豪华游船上,有柴油发电机组被燃气轮机发电机组取代的设计。

电站管理系统通常设计成采用同步运作方式取代常规的柴油发电机组降速耦合方式,保证了船舶电网频率的稳定性,从而满足高标准电源的要求,这可以通过相互连接的计算机化的数字同步和负荷控制器来实现。这些控制器和可编程控制器相连,

P LC 处理上层功率管理任务、起动柴油机、发电机合

闸、自动离闸、停机等。2.2　配电系统和变压器

目前国内建造的大多数船舶交流电网的额定电压是380V 或440V,属于低压交流电力系统。随着船舶用电量增加,使中压开始进入船舶电力系统和供电配置领域。电压等级选择的条件之一是将负荷电流及短路电平控制在各主要配电设备的额定值以内。为了满足电力推进系统的大功率需求,主电力系统通常采用400～690V 的低压电力系统或2.3kV 、3.3k V 、4.16kV 、6.6k V 的中压电力系统。船

上的其它辅助设备通常采用380V 或440V 低压电力,因此,还需要提供辅助低压配电系统。辅助低压配电系统的电源通常来自中压配电系统经变压器变压或者提供低压辅助发电机组。

采用中压电力系统最重要的是它的安全性。为了操作人员的安全,系统在中压主发电机断路器与中压汇流排连接点之间,在中压汇流排连接断路器的两端,以及在变压器的断路器与中压汇流排连接点之间,都需串联隔离开关。另外,中压供配电线路上还需安装多处接地开关,接地开关一端与母线相连,另一端与接地点可靠相连。2.3　调速控制系统

船舶电力推进系统的核心是主推进电动机的调速控制系统。

直流电动机的转速容易控制和调节。在额定转速下,保持励磁电流恒定,可用改变中枢电压的方法实现恒转矩调速;在额定转速以上,保持中枢电压稳定,用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

交流电动机的控制和变速驱动依赖于变压变频技术。根据被控对象———交流电动机种类的不同,现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同

步电动机调速系统。改变同步电动机转速的方法是改变电源的频率,即变频调速。改变异步交流电动机转速的途径有:改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。其中变频调速因其调速范围宽、平滑性好、效率最高、具有优良的静态及动态特性,成为应用最广的一种高性能交流调速方法。

交流电动机调速主要采用变频器,目前常用的3种变频器有同步变频器、循环变频器和脉宽调制变频器(P WM)。根据国外的发展经验,同步变频器和脉宽调制变频器是目前的主流变频调速技术。在功率4000MW以内,最常用的选择是低压P WM变频器;而当功率增加至8000MW以内,常用中压的P WM变频器;更高功率的传动有两种选择:一是循环交交变频器,另一种是同步变频器。

脉宽调制变频器在功率密度、输出谐波、控制性能等方面比其它几种类型的变频器具有更多优点,控制对象也更加灵活,可以是感应电机、同步电机或者永磁电机,因此在中、小功率的各种船舶和军用舰船上得到广泛使用。同步变频器采用中间直流换流电路,可运行在更大的频率范围。同步变频器主要用于同步电动机的调速控制,其技术发展已经十分成熟,由于它主要采用晶闸管作为主开关器件,因此在电压、功率等级和经济性方面具有优势,适用于大中小各种类型民船。它的主要缺点是功率密度不高,同样存在噪声和振动较大的问题。循环变频器是将输入电压的额定频率直接转换为适合于可直接推进的较低转速频率,它可运行在电机功率因数为1的工况下,适用于5000k W以上特大功率低速驱动船舶。

2.4　推进电动机

目前,工程上应用的电力推进电动机主要有直流电动机、交流电动机和永磁电动机,正大力研究的新型船舶电动机还有超导励磁的直流电动机、超导单极电动机、高磁常规励磁的单极电动机等。

2.4.1　直流电动机

直流推进电动机转速调整范围宽广,过载起动和制动转矩大,逆转运行性能好,在船舶电力推进系统中长期占据统治地位。但是直流电动机存在结构复杂、成本高、体积大、故障多、维护困难、效率低等致命缺点,当负荷大时体积很庞大,并且电刷容易出故障。直流电动机功率一般不超过4MW,因此只能在较小的船舶上使用。

2.4.2　交流电动机

交流电动机输出功率及转速极限值比直流电动机大得多,结构简单,制造成本低,运行可靠,体积小。用于电力推进的交流电动机可以是异步电动机或者同步电动机。异步电动机结构简单,不需要电刷装置。同步电动机较异步电动机对转矩的扰动具有更强的承受能力,电网电压和负载转矩发生波动时,功角做适当变化就能确保转速始终维持在原来同步转速不变。从调速范围看,同步电动机转子自带磁场,即使在很低的频率下也能稳定运行,调速范围比较宽。同步电动机励磁损耗小,功率因数可以为1。因此,同步电动机在现代电力推进系统中得到越来越多的使用。

2.4.3　永磁电动机

随着第三代稀土永磁材料钕2铁2硼的研制成功,永磁电动机得到很大发展。永磁电动机与常规电动机相比功率密度高、转矩密度高,与异步电动机一样结构简单,体积更小,重量更轻,同时还具有直流电动机一样的调速性能,可以简单地通过调节直流电压、直流电流大小达到控制转矩和转速的目的,更适合于大功率低速推进的要求。由永磁电动机构成的推进系统噪声低、效率高、维护性好,表现出强大竞争力。目前已有多种不同结构的永磁电动机,其功率范围从几百瓦到应用于船舶的几兆瓦。但目前永磁电动机的材料费用和生产费用还比较高。

2.5　谐波抑制器

变频器运行时,电力推进船舶电网中会出现高次谐波,它将引起电机、电器附加热耗,同时对电子设备产生不良干扰。为了防止谐波对船舶产生影响,船级社对总谐波变形值(THD)制定了相关的规范。最常用的降低谐波分量的方法是采用谐波滤波器或采用旋转变流器用于敏感负荷的供电。滤波器的设计需要考虑周密以防止出现电网谐振,而旋转变流器则需要在配电系统中增加附加设备及电缆。

采用更高脉动数的变频器也会降低负荷电流中的谐波分量,但会增加变频元件数和投资成本。另外,还有采用双重电抗器进行谐波控制的设计。2.6　电力推进监控系统

船舶电力推进是一个控制系统要求比较高的复杂系统,一般采用现场总线网络监控系统。监控系统由推进控制中心、推进操纵单元、舵角控制单元以及报警监视单元组成。目前,部分电力推进监控系统采用光纤总线传输各种信号,它的特点是传输的信息量大,速度快,抗干扰能力强。

3　电力推进系统的调速方式

电力推进系统主要有发电机2直流电动机可控变流调节、交2直变流、交2交直接变频和交2直2交间