關(guān)鍵詞：船舶 電力推進(jìn) 原理 特點(diǎn)
0 前言
船舶電力推進(jìn)，有直流推進(jìn)和交流推進(jìn)兩大類。
1970年代以前，主要采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬廣和平滑，過載起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，逆轉(zhuǎn)運(yùn)行特性好；而交流電動(dòng)機(jī)盡管具有輸出功率大、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，調(diào)速困難，應(yīng)用較少。
隨現(xiàn)代控制理論和數(shù)字控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美[1]。交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)成為船舶電力推進(jìn)發(fā)展的主流，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。水面船只，交流電力推進(jìn)占主導(dǎo)地位，所選用的交流電動(dòng)機(jī)，交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等并存。只有潛艇，仍是直流推進(jìn)占主導(dǎo)地位。
世界著名的電氣集團(tuán)，如SIEMENS，ABB，以及ALSTOM等，都研制出船舶交流電力推進(jìn)的成套裝置，功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，其中以吊艙式推進(jìn)器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推進(jìn)系統(tǒng)，功率已達(dá)40MW，性能可靠，傳動(dòng)效率高，節(jié)省空間，已成功地應(yīng)用在油輪、破冰船、郵輪、化學(xué)品船、半潛船等多種船型，并在近期新造船舶市場獲得良好評(píng)價(jià)。
目前，船舶采用的電力推進(jìn)系統(tǒng)，型式多種多樣，但歸納起來基本可分為以下五類[2~4]：
·可控硅整流器+直流電動(dòng)機(jī)
·變距槳+交流異步電動(dòng)機(jī)
·電流型變頻器+交流同步電動(dòng)機(jī)
·交一交變頻器+交流同步電動(dòng)機(jī)
·電壓型變頻器+交流異步電動(dòng)機(jī)
選擇電力推進(jìn)裝置時(shí)，主要關(guān)注價(jià)格、功率范圍、推進(jìn)效率、起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標(biāo)。本文從以上五類電力推進(jìn)裝置的工作原理出發(fā)，分析其工作特性，并比較關(guān)鍵指標(biāo)。
1 可控硅整流器+直流電動(dòng)機(jī)
1970年代以前，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)占據(jù)主導(dǎo)地位。1940和1950年代，推進(jìn)系統(tǒng)采用原動(dòng)機(jī)一直流發(fā)電機(jī)一直流電動(dòng)機(jī)形式，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小和方向，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。
1950年代末，大功率可控靜態(tài)電力變流元件研制成功，可控硅整流裝置出現(xiàn)，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)演變成可控整流器加直流電動(dòng)機(jī)模式。晶閘管的問世加速了這種推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。至今，該種推進(jìn)形式仍不失為一種高效、經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)方案。
可控硅整流器+直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，采用全橋式晶體管整流器為一個(gè)電樞電流可控的直流馬達(dá)供電，原理如圖1。
其基本工作原理是：
圖1 “可控硅整流器+直流電動(dòng)機(jī)”原理圖
·通過控制晶閘管導(dǎo)通角，改變觸發(fā)電路輸出脈沖的相位，從而改變直流電機(jī)的電樞電壓Ud，再由此改變電樞電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的平滑調(diào)節(jié)；
·利用可控整流電路調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使電動(dòng)機(jī)能夠在轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩坐標(biāo)的任一象限運(yùn)行。
可控整流電路最基本的變量是控制角α (從晶閘管承受正向電壓起到加觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通的瞬間，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)的電角度)。α與各電壓、電流之間的關(guān)系決定了可控整流的基本特性。功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速成正比，在0～0.96之間。
這種推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)：
·控制角α的控制范圍，理論上是0～180°；實(shí)際上一般在15～150°，是考慮到電網(wǎng)的壓降，確保電機(jī)可控，控制角α確保留有換流邊界；
·起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩接近于零；
·扭矩波動(dòng)平滑；
·動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般小于100毫秒。
缺點(diǎn)是：
·轉(zhuǎn)矩控制不夠精確，若要得到精確平滑的轉(zhuǎn)矩控制，必須提高電樞感應(yīng)系數(shù)，但會(huì)引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能減弱，功率因數(shù)偏低，增加系統(tǒng)損耗；
·直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的換向器，是一個(gè)易發(fā)生故障的部件；
·會(huì)對(duì)船舶電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染，因?yàn)椴捎昧舜蠊β孰娏﹄娮悠骷?/FONT>
·直流電動(dòng)機(jī)固有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大、維護(hù)困難、效率低等缺點(diǎn)，阻礙了它在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
目前，船舶推進(jìn)所應(yīng)用的直流推進(jìn)電機(jī)的容量，在2～3MW之間。
2 交流異步電動(dòng)機(jī)+可調(diào)螺距螺旋槳
交流異步電動(dòng)機(jī)+可調(diào)螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Direct on line)模式，多采用鼠籠式感應(yīng)恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)變距槳實(shí)現(xiàn)，船速的控制靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數(shù)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。
這種推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)是：
·幾乎沒有影響電網(wǎng)的諧波，因?yàn)闆]有采用大功率電力電子器件；
·電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定沒有脈動(dòng)；
·在設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)效率很高。
但缺點(diǎn)也不少，例如：
·交流異步感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)瞬間電流較大，通常是正常電流的5～7倍，系統(tǒng)電網(wǎng)壓降大；
·起動(dòng)瞬間機(jī)械軸承受的轉(zhuǎn)矩大，約為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍；
·極低航速，螺距近似為0時(shí)，仍要消耗額定功率的15％，電流約為正常值的45～55％；
·功率因數(shù)低，滿負(fù)荷時(shí)也只能達(dá)到0.85；
·功率及轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，一般3～5秒才能完成，因?yàn)椴捎靡簤簷C(jī)構(gòu)完成螺距的變換；
·反轉(zhuǎn)慢，制動(dòng)距離長；
·變距槳的液壓控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，并工作在水下，故障維修時(shí)需進(jìn)塢；
·變距槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，價(jià)格貴。
為了防止起動(dòng)時(shí)電流和扭矩過大等不利影響，以及滿足規(guī)范對(duì)船舶電站壓降的要求，這種電力推進(jìn)方式啟動(dòng)時(shí)必須采用船舶電站規(guī)定啟動(dòng)大電機(jī)需要的最小臺(tái)數(shù)運(yùn)行機(jī)組，以及電機(jī)采用Y一△啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器啟動(dòng)等方式。
這種推進(jìn)方式只適合于中、小功率船舶，或1000kW以下的側(cè)推裝置，因?yàn)槲④浧饎?dòng)器目前還只有中、小功率的低壓產(chǎn)品。
3 電流型變頻器+交流同步電動(dòng)機(jī)
電流型變頻器+交流同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式(CSI+Synchronous motor)原理圖如圖2。
圖2 “電流型變頻器+交流同步電動(dòng)機(jī)”原理圖
(1)電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)
由整流器、濾波器、逆變器等三部分組成。
工作原理是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
電流型變頻器的直流中間環(huán)節(jié)，采用大電感濾波，直流電流波形平直，對(duì)電動(dòng)機(jī)來講，基本上是一個(gè)電流源。
改變整流電路的觸發(fā)角，就改變了中間直流環(huán)節(jié)的電壓，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速；而改變逆變電路觸發(fā)脈沖的順序，即可改變推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向，控制推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，從而使控制電路大大簡化。
(2)SYNCHRO電力推進(jìn)
交流電通過三相橋式全控整流電路以及平波電抗器，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換后向交流同步電機(jī)供電，此種推進(jìn)方式通常被稱為SYNCHRO電力推進(jìn)。
SYNCHRO變流裝置的輸出頻率，受同步電機(jī)轉(zhuǎn)子所處角度控制：
·每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極，變流裝置的交流電輸出相應(yīng)地交變一個(gè)周期，保證變頻器的輸出頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會(huì)出現(xiàn)失步和振蕩。
·系統(tǒng)功率因數(shù)根據(jù)電機(jī)速度，從額定速度時(shí)的0.9到低速的0之間變化。
SYNCHRO電力推進(jìn)系統(tǒng)主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結(jié)構(gòu)形式，諧波成分比較固定，消除比較容易。12脈波SYNCHRO電力推進(jìn)系統(tǒng)，如果在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)有兩組LC無源濾波器，對(duì)11次、13次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，則對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時(shí)的電網(wǎng)質(zhì)量可以滿足船級(jí)社的規(guī)定，故12脈波的SYNCHRO電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用較多。
SYNCHRO電力推進(jìn)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：
·低速運(yùn)行時(shí)，電流型變頻器將電流控制在零附近脈動(dòng)，轉(zhuǎn)矩輸出也存在脈動(dòng)，給軸系帶來振動(dòng)；
·時(shí)間常數(shù)較大(由于直流電同感性負(fù)載相連)，所以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差；
·電流型逆變電路中的直流輸入電感數(shù)值很大才能夠構(gòu)成一個(gè)電流源，使直流回路電流恒定，所以電感重量、體積都很大，使得電流型逆變器使用受到一定限制。
而其優(yōu)點(diǎn)，是：
·起動(dòng)電流接近等于零，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最高可達(dá)50％額定轉(zhuǎn)矩；
·價(jià)格上有一定的優(yōu)勢；
·控制方便，操作靈活；
·能匹配特大功率電機(jī)，目前已達(dá)40～60MW。
10MW以上容量的電力推進(jìn)裝置，ALSTOM公司和STNATLAS公司傾向于選擇SYNCHRO電力推進(jìn)。
4 交一交變頻器+交流同步電機(jī)
CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交一交變頻器或循環(huán)變頻器。該變頻器廣泛應(yīng)用于大功率、低速范圍內(nèi)的交流調(diào)速，其調(diào)速上限不超過基頻的40％。
交一交變頻器+交流同步電機(jī)(Cyclo converter+Synchronous motor)驅(qū)動(dòng)方式，采用CYCLO變頻器，通過控制一個(gè)可控的橋式反并聯(lián)晶閘管，選擇交流電源的不同相位區(qū)間向交流同步電機(jī)提供交流電。
圖3所示為典型的6脈波交一交變頻器+交流同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。
圖3 “6脈波交一交變頻器+交流同步電機(jī)”原理圖
雙繞組電動(dòng)機(jī)，就是電動(dòng)機(jī)定子裝有2套同功率但空間相位差30°的繞組，分別由一套6脈波三相輸出交一交變頻裝置供電。
變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路：一組晶閘管整流電路提供正向輸出電流，另一組提供反向輸出電流。構(gòu)成這種交一交變頻裝置的三相橋式電路，在一個(gè)輸出周期中三相電流有六次過零，帶來六次轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，所以這種交一交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻裝置，是最基本的類型，應(yīng)用廣泛。
與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、諧波含量少、損耗降低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是所需電子元件數(shù)量大，對(duì)于6脈沖電路需要36個(gè)晶閘管，而12脈沖電路需要72個(gè)晶閘管，因而增加了成本。
SIEMENS公司，針對(duì)雙繞組同步電動(dòng)機(jī)提供了12脈波交一交變頻裝置。
采用交一交變頻推進(jìn)的特點(diǎn)是：
·起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大；
·轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平滑；
·功率及轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，一般小于100毫秒；
·電力系統(tǒng)內(nèi)諧波高低取決于電機(jī)速度；
·系統(tǒng)功率因數(shù)由電機(jī)電壓決定，通常可達(dá)0.76；
·滿負(fù)荷時(shí)效率高；
·變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。
這種驅(qū)動(dòng)方式，性價(jià)比高，應(yīng)用比較廣泛。
根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，交一交循環(huán)變流器主要用于速度極低、轉(zhuǎn)矩極高的場合，典型的例子就是破冰船。
目前單個(gè)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率范圍在2～30MW之間。針對(duì)特大功率低轉(zhuǎn)速推進(jìn)船舶，ABB和SIEMENS公司傾向于采用CYCLO電力推進(jìn)方式[5]。
5 電壓型變頻器+交流異步電動(dòng)機(jī)
電壓型變頻器VSI(Voltage Source Inverter)，與電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)同屬于交一直一交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
電壓型變頻器的中問環(huán)節(jié)采用大電容，對(duì)電動(dòng)機(jī)來講，基本上是一個(gè)電壓源。
隨著電力電子器件的發(fā)展，電壓型變頻器發(fā)展成新型的脈寬調(diào)制型(PWM)，整流器用二極管組成，逆變器用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)組成。
IGBT是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，載流能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前絕大多數(shù)產(chǎn)品為此類型，并有低壓及中壓規(guī)格。
IGBT的特點(diǎn)是：
·線路簡單；
·功率因數(shù)高；
·諧波少；
·調(diào)速范圍寬和響應(yīng)快。
圖4為PWM型變頻器+交流異步電動(dòng)機(jī)(VSI+Asynchronous motor)的系統(tǒng)原理圖。
圖4 “電壓型變頻器+交流異步電動(dòng)機(jī)”原理圖
這種驅(qū)動(dòng)方式采用二極管將交流電整流后，再通過PWM變頻直流電斬波后向電機(jī)提供電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的交流電。
采用二極管整流器，可保持電力系統(tǒng)能在任何電機(jī)速度的時(shí)候功率因數(shù)接近0.95。
相比CSI和CYCLO驅(qū)動(dòng)，PWM驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)諧波含量最少，用三芯變壓器為變頻器提供12半周的電源還可進(jìn)一步減少諧波含量[6]。
PWM電壓型變頻器中，西門子采用IGBT器件進(jìn)行矢量控制，ABB采用IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制。從控制原理來說，兩者都是用數(shù)字技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)將電動(dòng)機(jī)電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量分別進(jìn)行控制，以達(dá)到類似于直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。
通過PWM型變頻器控制后：
·系統(tǒng)電源輸出的頻率范圍較寬；
·功率及轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(小于10毫秒)；
·與高速鼠籠式感應(yīng)式電機(jī)(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持轉(zhuǎn)矩平滑輸出；
·若采用矢量控制器，在零速度的時(shí)候仍能保持轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出；
·起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大；
·在任何負(fù)載狀況下均有很高的功率因數(shù)(約為0.95)：
·低速時(shí)功率損耗?。?/FONT>
·推進(jìn)效率高。
目前應(yīng)用PWM驅(qū)動(dòng)的單機(jī)功率可達(dá)8MW(3300V)，價(jià)格偏貴。
在中小功率范圍，包括部分大功率的電壓型變頻器中，以規(guī)模及市場占有率來看，應(yīng)以SIEMENS和ABB兩家為主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO變頻器。
6 總結(jié)
就目前情況看，因?yàn)榇巴七M(jìn)裝置功率大，轉(zhuǎn)速低，應(yīng)用最多的是CYCLO推進(jìn)系統(tǒng)。
未來，隨著電力電子器件和技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，IGBT及IGCT高壓大容量方面技術(shù)的突破和成本的下降，以及矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的成熟與推廣，電壓型變頻器匹配交流異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)型式將會(huì)有更大的市場份額。
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（轉(zhuǎn)載）
