5 MW電力推進系統(tǒng)綜合試驗方案

王金榮，柳 葉，羅 珊，陳友善，曾宗平

(中船動力有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000)

0 引言

電力推進系統(tǒng)是將傳統(tǒng)主機帶齒輪箱軸系加螺旋槳的機械傳動方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娬井a(chǎn)生電能供給變頻器，變頻器驅(qū)動電動機來帶動螺旋槳的方式，通過系統(tǒng)集成將控制系統(tǒng)、原動機、發(fā)電機、配電板、變壓器、變頻器、電動機以及推進器組成一個系統(tǒng)。隨著特種運輸船、大型游艇、郵輪、海洋工程及科考船、LNG船、考古船、鉆井平臺和帶DP(Dynamic positioning)功能其他類型高端船舶的快速發(fā)展，電力推進系統(tǒng)以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢開始應用于這些高端船舶。本方案為針對上述項目電力推進系統(tǒng)的裝船應用提供一套陸上聯(lián)調(diào)模擬試驗平臺。

1 技術方案

由于被試驗產(chǎn)品主體是大功率低壓永磁推進電機，其轉(zhuǎn)速慢、頻率運行范圍寬，且采用多相設計，所以試驗時對電源配置和陪試設備的要求比較高。

本系統(tǒng)采用一組電力電子變頻裝置與試驗變壓器及陪試電機和齒輪箱等一同組成試驗電源和加載系統(tǒng)，為被試產(chǎn)品提供需要的電壓以及實際負載。

(1)輸入交流電源經(jīng)由變壓器變換為匹配的AC690 V低壓交流，為產(chǎn)品配套的變頻器及站用陪試變頻器供電。電源變壓器原邊設置有載分接開關，一方面可以在電網(wǎng)電壓因為負荷或其他原因波動時提供補償，另一方面可以模擬電網(wǎng)波動進行一些相關試驗。

(2)變頻器電源采用經(jīng)典的公共直流母線方案。變頻器整流單元采用AFE整流前端，除可將輸入交流整流為直流輸出為逆變器供電外，還具備四象限運行能力，可以滿足能量在變流器與交流供電電源之間的雙向自由流動。采用AFE整流前端還可以確保對電網(wǎng)不會產(chǎn)生超過相關標準規(guī)定的污染諧波。

變頻器輸出設4個逆變器，可以兩兩組合并聯(lián)后分別為2臺串軸安裝的2 700 kW陪試電機供電，滿足5 MW電機試驗需求。

以上2種測試模式條件下，被試驗電機均由配套的產(chǎn)品變頻器驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，陪試電機配合齒輪箱進行電反饋加載。

此套變頻器還可將4臺逆變器組合成1個12相傳動單元后直接輸出驅(qū)動1臺12相推進電機。再次增補同規(guī)格4臺逆變器后，2臺同規(guī)格被試驗電機產(chǎn)品使用站用變頻器，可以不依賴配套變頻器直接背靠背進行對拖加載試驗，更有利于電機產(chǎn)品在生產(chǎn)廠家的臺架性能試驗和生產(chǎn)管理。

變頻器為模塊化、冗余化結構，各模塊之間具有良好的互換性和冗余性。當一個或幾個模塊發(fā)生故障時，其余模塊仍然可以工作，整流/逆變單元可在降容模式下保持長時間運行。通過增加功率模塊，還可以簡單實現(xiàn)整流/逆變單元的增容。

(3)對于推進變壓器，常規(guī)絕緣電阻、工頻耐壓等試驗可以借助電機試驗設備。而變壓器試驗特需的設備需要在二期另行填平補齊。其中，變壓器空載特性以及短路特性和溫升等試驗項目需要的試驗電源采用靜態(tài)交流變頻電源。該電源可以共用電機試驗用的傳動變頻器。該變頻器通過更換變頻器軟件，增補輸出正弦濾波器和隔離變壓器，可以作為正弦試驗電源滿足推進變壓器相關試驗需求。系統(tǒng)方案圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)方案圖

2 主要工藝設備

2.1 試驗用電源變壓器

直接來自市電10 kV電網(wǎng)的電源經(jīng)電源變壓器變成690 V后供產(chǎn)品變頻器以及站用變頻器使用，電源變壓器原邊采用有載分接開關，使輸出電壓可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

電源變壓器按首期直接滿足5 MW產(chǎn)品試驗需求設置。

電源變壓器副邊設置2套繞組，分別為高壓和低壓繞組，其中，低壓繞組為推進變頻器的輸入變壓器提供690 V輸入電源。考慮未來產(chǎn)品發(fā)展，另設1組高壓輸出繞組。該繞組可以通過變換組合實現(xiàn)3.3/6.6/10 kV恒功率變換輸出，滿足未來中壓產(chǎn)品試驗需求。

2.2 高精度電流傳感器

高精度電流傳感器用于測量變頻器到被試電機的變頻電流。

此類電流傳感器選用歐洲知名品牌的0.006級超高精度磁平衡電流傳感器，對電機12相電流設置電流檢測元件。

2.3 熱工測量

被試驗電機直接關聯(lián)的各非電量的測量則通過獨立的精密測量儀表完成。

系統(tǒng)設置1套熱工數(shù)據(jù)精密測量采集設備用于被試產(chǎn)品需要的精密測量。這里所指被試產(chǎn)品的熱工量，包括被試機溫度(試品內(nèi)埋置溫度傳感器Pt100及臨時配置傳感器Pt100，含繞組、鐵心、機殼、軸承、通風等溫度)、水冷型產(chǎn)品的被試機冷卻水進回水溫度、被試機冷卻水壓力、被試機冷卻水流量等。

本系統(tǒng)采用便攜式數(shù)據(jù)采集裝置，可以通過通訊網(wǎng)絡將被測熱工數(shù)據(jù)傳輸至上位機系統(tǒng)，系統(tǒng)據(jù)此可通過現(xiàn)場各控制站對被試機進行有效的保護和監(jiān)控。按照一般被試機的需求，配通用輸入模塊16～32路。

2.4 陪試變頻器

初步方案中，建議采用歐洲某空冷變頻器。該變頻器可以提供多種傳動模式，既可以并聯(lián)或單機驅(qū)動常規(guī)電機，也可以多個單元組合驅(qū)動多相感應電機或永磁電機。

變頻器主要功能是作為推進電機試驗時的陪試傳動設備，滿足5MW被試產(chǎn)品試驗需求。

變頻器主要參數(shù)為：

額定輸入電壓

(690±10%) V

輸入側(cè)額定功率

5×1 100 kW

輸入側(cè)整流方式

AFE(有源功率前端)

直流母線額定工作電壓

DC 1 050 V

逆變器額定輸出電壓

AC 690 V

逆變器額定輸出電流

4×1 500 A

總效率(含變壓器)

96%

變頻器的每組整流和逆變模塊各配有1個PROFIBUS接口模塊，具備完備的人機接口和開放的通訊能力，可以與PLC進行快速數(shù)據(jù)交換。試驗站的上位機監(jiān)控系統(tǒng)可方便地通過相應的接口讀取和設置變頻電源及其相關設備的各種運行參數(shù)與報警信號。

2.5 陪試電機

本試驗站采用交流異步電機作為陪試電機。

陪試電機由站用變頻器驅(qū)動，采用高精度閉環(huán)矢量控制，可以提供精確快速的速度和轉(zhuǎn)矩響應，實現(xiàn)對水力測功機等水工機械特性的模擬；完成對被試驗電機的加載測試，也可以作為拖動電機帶動被試電機旋轉(zhuǎn)，用于進行發(fā)電態(tài)試驗項目的測試。

考慮電機制造成本和工期，該電機采用4極2 700 kW異步變頻電機，通過齒輪箱完成與被試驗電機的速度匹配。試驗站配設2臺陪試電機。2臺電機串軸安裝完畢后，可以滿足5 MW被試產(chǎn)品測試需求。

2.6 齒輪箱

本齒輪變速箱用于電機試驗站的電機試驗。其功率傳遞的鏈路：2臺交流變頻調(diào)速電機串聯(lián)→聯(lián)軸器→齒輪變速箱→聯(lián)軸器→轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器→被試電機。功率傳動方向可逆。

齒輪減速箱采用稀油潤滑。

齒輪箱要求可正反轉(zhuǎn)，功率傳遞方向可逆，潤滑油密封良好。

2.7 測控系統(tǒng)

試驗站計算機測控系統(tǒng)最核心的任務在于根據(jù)試驗工藝要求，完成對試驗設備的動作控制。并實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的讀取、存儲、計算、分析、檢索、打印等功能，其中，根據(jù)電機試驗工藝，讀取和分析試驗數(shù)據(jù)，計算電機特性參數(shù)，獲得試驗結果/結論是本系統(tǒng)的重中之重。它包含計算機監(jiān)視控制系統(tǒng)(DCS)和計算機測試測量系統(tǒng)(CMS)兩大子系統(tǒng)，實現(xiàn)對被試機試驗數(shù)據(jù)的自動采集、自動計算和處理，繪制相關電機特性曲線，并根據(jù)用戶提供的表格樣式自動打印試驗報告。試驗報告內(nèi)容應包括測量數(shù)據(jù)、曲線、計算結果、結論等。軟件也應能輸出未經(jīng)處理的原始測量數(shù)據(jù)。

3 結語

本方案的實施可以滿足推進系統(tǒng)設備常規(guī)試驗、型式試驗、推進變壓器試驗、推進變頻器試驗、負載特性測試和系統(tǒng)性能試驗(系統(tǒng)總效率測試、諧波電流含量測試、可靠性試驗)等，為該系統(tǒng)的裝船應用提供良好的陸上聯(lián)調(diào)平臺。