電力推進系統(tǒng)在某試驗船上的應用

曾慶東

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063）

船舶推進系統(tǒng)的選擇與很多因素有關，船型、航速、操縱性、機艙布置等是主要考慮因素。對于某些特種船舶，由于對推進系統(tǒng)的特殊有要求，選擇時就更需全面考慮。

近年來，電力推進的市場份額增長很快，這主要歸功于大功率電子技術和集成電路、自動控制技術的飛速發(fā)展，交流電動機調速技術隨著功率電子器件和各種調速變換器技術的進步，也取得了重大突破，永磁電動機進入實用階段，使電力推進作為大功率船舶的動力成為可能。

電力推進自身有許多優(yōu)點，特別是操縱靈活、營運成本低、噪音和振動低、安裝靈活等。電力推進越來越廣泛地使用在工程船、破冰船、滾裝船、渡船、調查船以及豪華游船等民用特種船舶上。本文介紹電力推進系統(tǒng)在一艘試驗船上的應用。

1 概況

該船為小水線面雙體船，具有雙層連續(xù)甲板，設計排水量為2 500t，船總長約60m，設計水線長50m，設計吃水約6.5m，設計靜水航速15kn，經(jīng)濟航速11kn，最小航速2kn。該船對操縱機動性要求較高，零航速下能原地回轉，全速回轉半徑不超過5.5倍船長。

小水線面雙體船要求將推進裝置安裝在尺寸很小的水下潛體中，此時電力推進系統(tǒng)柔性連接的優(yōu)勢完全顯現(xiàn)出來，并因此成為惟一選擇。采用電力推進系統(tǒng)可將電動機布置在尺寸較小的潛體中，其它設備可布置在其它寬敞的艙室中，達到合理利用空間和適應特殊要求的目的。

該船試驗作業(yè)航行時，要求有穩(wěn)定的低航速，采用電力推進系統(tǒng)能滿足這樣航速要求，并且運行經(jīng)濟性好。這是由于電力推進系統(tǒng)的動力由多臺柴油發(fā)電機組供應，可以根據(jù)航行工況的變化調整運行發(fā)電機組的數(shù)量，使運行的發(fā)電機組保持較高的負載率，具有最佳的效率，則其油耗可達最低，不僅經(jīng)濟性好而且柴油機運行狀態(tài)好，可減少維修量，降低成本。

該船試驗時要求水下背景噪聲盡可能低，采用電力推進系統(tǒng)后，推進電動機作為一個旋轉機械，其振動、噪聲要比柴油機低幾個等級，并且采用低速傳動，省去減速齒輪箱，又減少了一個產生噪聲的因素，靜音效果更好。

該特種船要求船舶具有起動快、反轉快、能無級調速、低速穩(wěn)定等優(yōu)良的操縱性能。電力推進系統(tǒng)完全滿足這一操縱機動性要求，同時簡化了許多復雜的機械裝置而代之以電氣裝置，冗余度更高，使推進系統(tǒng)的可靠性得到極大的提高。

該船采用交流變頻調速電力推進系統(tǒng)，設置三臺主發(fā)電機組提供主電源，動力傳動型式為雙推進電機、雙軸系和雙槳形式。

2 推進系統(tǒng)應用方案

該船選擇電力推進系統(tǒng)時，除了關注功率范圍、推進效率、起動電流、起動轉矩、動態(tài)響應、轉矩波動、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標外，設備尺寸和重量也是重要考慮因素。同時，由于近年來全球船舶市場繁榮，設備供貨周期及價格也成為選型的一個決定性因素。

世界著名的電氣集團ABB、SIEMENS、ALSTOM等大公司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，并紛紛形成系列，基本壟斷了全球電力推進市場。

綜合各方面因素，最終選擇ABB公司作為電力推進系統(tǒng)主要供應商。

ABB公司提供的電力推進系統(tǒng)主要設備由電站、配電系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)PMS、變頻器、推進電動機、諧波抑制器、推進控制系統(tǒng)等組成。

電站為三臺1 600kW柴油發(fā)電機組，電壓690V，提供全船主電力。

配電系統(tǒng)主要由配電板組成，配電板框架的構造采用C型截面，底部框架采用易于運輸?shù)腢型截面。配電板共8屏，包括發(fā)電機輸入屏3屏、母線開關屏1屏、推進變頻器輸出供電屏2屏和配電負載屏2屏。

電能管理系統(tǒng)（PMS）是基于ABB最新的控制平臺AC800系列。作為一個緊湊型系統(tǒng)，可以根據(jù)功率需求以及故障情況控制和監(jiān)視發(fā)電機和柴油機，防止發(fā)生全船失電的情況。電能管理系統(tǒng)包括了每臺發(fā)電機的各自的控制器，控制器與主配電板分開布置。

變頻器為6脈沖ACS800W系列水冷式船用變頻器，采用直接轉矩控制方法（DTC），是交流變頻調速傳動的一種獨特控制形式。

推進電動機為永磁電動機，效率高、尺寸小、重量輕，額定輸出功率1 700kW，轉速200r／min。

諧波濾波器連接于400V低壓配電板上。濾波器的設計技術指標是可將400V低壓網(wǎng)上的總的電壓諧波干擾值（THD）控制在小于5%的范圍內。所有連接到主推進配電板上的設備在設計時都要考慮到能夠承受由推進變頻器所產生的諧波干擾。

每套推進控制系統(tǒng)由兩臺微處理器控制，分別是應用控制器和變頻器控制器（配置UPS）。

應用控制器的主要任務是功率限定控制，監(jiān)測推進裝置和速度參考鏈管理。功率限定控制通過必要時降低推進功率的輸出來防止電站和推進電動機的過載?；谶x擇的速度參考值，應用控制器計算需要的轉矩參考值以保持所需的電機轉速，同時轉矩參考值發(fā)送到變頻器控制器上。

變頻器控制器負責變頻器的內部控制。它計算所需要的電動機電流以保持需要的轉速，相應地控制變頻器的工作狀態(tài)。變頻器控制器也包括變頻器的保護和故障診斷功能。

該船電力推進系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 電力推進系統(tǒng)原理圖

3 技術特點和技術優(yōu)勢

ABB電力推進系統(tǒng)除了具有電力推進系統(tǒng)本身的優(yōu)勢外，作為國際領先的設備供應商，還具有獨特的技術特點和技術優(yōu)勢。

主要技術特點在于該方案采用了6脈沖的ACS800W系列的變頻器，省去了推進變壓器，減輕了系統(tǒng)重量，在400V電網(wǎng)安裝了濾波器，保證400V電網(wǎng)電壓畸變率小于5%，此外變頻器的控制柜還配備了UPS，保證在突發(fā)的電源故障情況下，變頻器能繼續(xù)工作。

6脈沖的ACS800W系列的變頻器具有下列諸多優(yōu)勢：

1）ACS800W船用變頻器是緊湊的靜態(tài)變頻器。直接采用液體冷卻，因此使得變頻器格外的緊湊和安靜。液體冷卻減少了在安裝艙室配置高功率的清潔空氣冷卻裝置。直接液體冷卻在擁有高效率的同時，也保證了低噪音和容易的熱量交換，而沒有空氣過濾的問題，同時也帶來鋼結構的節(jié)省。

2）可省卻移相變壓器，從而經(jīng)濟性更好；無需考慮移相變壓器瞬間起峰電流的影響；因而可允許即使電網(wǎng)中只有一臺發(fā)電機工作，也可直接連接變頻器，驅動推進電動機工作。

3）ACS800W變頻器使用DTC控制法（直接轉矩控制法）。直接轉矩控制是交流變頻傳動中的一種獨特的電機控制方法。逆變器的觸發(fā)是根據(jù)電動機定子鐵芯的磁通變量和轉矩來直接控制的。與使用磁通矢量控制或脈寬調制（PWM）的傳統(tǒng)控制方法相比，DTC控制法允許的響應時間要快十倍。由于采用直接轉矩控制（DTC）方法，不需要速度反饋編碼器進行控制，轉子的轉速和位置編碼器可以省略，因此可以節(jié)省維護費用，同時保證很高的可靠性。此外，快速的直接轉距控制可以保證較小的轉距波動，從而導致最小的電機軸的機械磨損。

4）高效率，在整個轉速控制范圍內，功率因數(shù)保持0.95恒定，提高了網(wǎng)絡的功率因素。

5）推進電動機的軟啟動，電動機的電流從零開始，從而避免產生對電網(wǎng)的沖擊電流，低電動機噪聲。

4 結束語

雖然目前電力推進尚需要比傳統(tǒng)推進較高的初始投資，技術維護難度也較大，但在某些特種船舶上，電力推進的優(yōu)勢是決定性的。可以預見，隨著現(xiàn)代電力電子技術不斷發(fā)展、進步、成熟，電力推進系統(tǒng)將具有更加廣闊的市場，將成為船舶推進裝置的主要發(fā)展方向。

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