电力推进系统在某试验船上的应用

2007-09-20曾庆东

船海工程 2007年4期

曾庆东

（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063）

船舶推进系统的选择与很多因素有关，船型、航速、操纵性、机舱布置等是主要考虑因素。对于某些特种船舶，由于对推进系统的特殊有要求，选择时就更需全面考虑。

近年来，电力推进的市场份额增长很快，这主要归功于大功率电子技术和集成电路、自动控制技术的飞速发展，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，永磁电动机进入实用阶段，使电力推进作为大功率船舶的动力成为可能。

电力推进自身有许多优点，特别是操纵灵活、营运成本低、噪音和振动低、安装灵活等。电力推进越来越广泛地使用在工程船、破冰船、滚装船、渡船、调查船以及豪华游船等民用特种船舶上。本文介绍电力推进系统在一艘试验船上的应用。

1 概况

该船为小水线面双体船，具有双层连续甲板，设计排水量为2 500t，船总长约60m，设计水线长50m，设计吃水约6.5m，设计静水航速15kn，经济航速11kn，最小航速2kn。该船对操纵机动性要求较高，零航速下能原地回转，全速回转半径不超过5.5倍船长。

小水线面双体船要求将推进装置安装在尺寸很小的水下潜体中，此时电力推进系统柔性连接的优势完全显现出来，并因此成为惟一选择。采用电力推进系统可将电动机布置在尺寸较小的潜体中，其它设备可布置在其它宽敞的舱室中，达到合理利用空间和适应特殊要求的目的。

该船试验作业航行时，要求有稳定的低航速，采用电力推进系统能满足这样航速要求，并且运行经济性好。这是由于电力推进系统的动力由多台柴油发电机组供应，可以根据航行工况的变化调整运行发电机组的数量，使运行的发电机组保持较高的负载率，具有最佳的效率，则其油耗可达最低，不仅经济性好而且柴油机运行状态好，可减少维修量，降低成本。

该船试验时要求水下背景噪声尽可能低，采用电力推进系统后，推进电动机作为一个旋转机械，其振动、噪声要比柴油机低几个等级，并且采用低速传动，省去减速齿轮箱，又减少了一个产生噪声的因素，静音效果更好。

该特种船要求船舶具有起动快、反转快、能无级调速、低速稳定等优良的操纵性能。电力推进系统完全满足这一操纵机动性要求，同时简化了许多复杂的机械装置而代之以电气装置，冗余度更高，使推进系统的可靠性得到极大的提高。

该船采用交流变频调速电力推进系统，设置三台主发电机组提供主电源，动力传动型式为双推进电机、双轴系和双桨形式。

2 推进系统应用方案

该船选择电力推进系统时，除了关注功率范围、推进效率、起动电流、起动转矩、动态响应、转矩波动、功率因数、功率损耗、谐波等指标外，设备尺寸和重量也是重要考虑因素。同时，由于近年来全球船舶市场繁荣，设备供货周期及价格也成为选型的一个决定性因素。

世界著名的电气集团ABB、SIEMENS、ALSTOM等大公司都研制出船舶交流电力推进的成套装置，功率从几百千瓦到几十兆瓦，并纷纷形成系列，基本垄断了全球电力推进市场。

综合各方面因素，最终选择ABB公司作为电力推进系统主要供应商。

ABB公司提供的电力推进系统主要设备由电站、配电系统、电能管理系统PMS、变频器、推进电动机、谐波抑制器、推进控制系统等组成。

电站为三台1 600kW柴油发电机组，电压690V，提供全船主电力。

配电系统主要由配电板组成，配电板框架的构造采用C型截面，底部框架采用易于运输的U型截面。配电板共8屏，包括发电机输入屏3屏、母线开关屏1屏、推进变频器输出供电屏2屏和配电负载屏2屏。

电能管理系统（PMS）是基于ABB最新的控制平台AC800系列。作为一个紧凑型系统，可以根据功率需求以及故障情况控制和监视发电机和柴油机，防止发生全船失电的情况。电能管理系统包括了每台发电机的各自的控制器，控制器与主配电板分开布置。

变频器为6脉冲ACS800W系列水冷式船用变频器，采用直接转矩控制方法（DTC），是交流变频调速传动的一种独特控制形式。

推进电动机为永磁电动机，效率高、尺寸小、重量轻，额定输出功率1 700kW，转速200r／min。

谐波滤波器连接于400V低压配电板上。滤波器的设计技术指标是可将400V低压网上的总的电压谐波干扰值（THD）控制在小于5%的范围内。所有连接到主推进配电板上的设备在设计时都要考虑到能够承受由推进变频器所产生的谐波干扰。

每套推进控制系统由两台微处理器控制，分别是应用控制器和变频器控制器（配置UPS）。

应用控制器的主要任务是功率限定控制，监测推进装置和速度参考链管理。功率限定控制通过必要时降低推进功率的输出来防止电站和推进电动机的过载。基于选择的速度参考值，应用控制器计算需要的转矩参考值以保持所需的电机转速，同时转矩参考值发送到变频器控制器上。

变频器控制器负责变频器的内部控制。它计算所需要的电动机电流以保持需要的转速，相应地控制变频器的工作状态。变频器控制器也包括变频器的保护和故障诊断功能。

该船电力推进系统原理见图1。

图1 电力推进系统原理图

3 技术特点和技术优势

ABB电力推进系统除了具有电力推进系统本身的优势外，作为国际领先的设备供应商，还具有独特的技术特点和技术优势。

主要技术特点在于该方案采用了6脉冲的ACS800W系列的变频器，省去了推进变压器，减轻了系统重量，在400V电网安装了滤波器，保证400V电网电压畸变率小于5%，此外变频器的控制柜还配备了UPS，保证在突发的电源故障情况下，变频器能继续工作。

6脉冲的ACS800W系列的变频器具有下列诸多优势：

1）ACS800W船用变频器是紧凑的静态变频器。直接采用液体冷却，因此使得变频器格外的紧凑和安静。液体冷却减少了在安装舱室配置高功率的清洁空气冷却装置。直接液体冷却在拥有高效率的同时，也保证了低噪音和容易的热量交换，而没有空气过滤的问题，同时也带来钢结构的节省。

2）可省却移相变压器，从而经济性更好；无需考虑移相变压器瞬间起峰电流的影响；因而可允许即使电网中只有一台发电机工作，也可直接连接变频器，驱动推进电动机工作。

3）ACS800W变频器使用DTC控制法（直接转矩控制法）。直接转矩控制是交流变频传动中的一种独特的电机控制方法。逆变器的触发是根据电动机定子铁芯的磁通变量和转矩来直接控制的。与使用磁通矢量控制或脉宽调制（PWM）的传统控制方法相比，DTC控制法允许的响应时间要快十倍。由于采用直接转矩控制（DTC）方法，不需要速度反馈编码器进行控制，转子的转速和位置编码器可以省略，因此可以节省维护费用，同时保证很高的可靠性。此外，快速的直接转距控制可以保证较小的转距波动，从而导致最小的电机轴的机械磨损。

4）高效率，在整个转速控制范围内，功率因数保持0.95恒定，提高了网络的功率因素。

5）推进电动机的软启动，电动机的电流从零开始，从而避免产生对电网的冲击电流，低电动机噪声。