交流变频调速技术在船舶电力推进系统中的应用

2010-04-11季明丽

制造业自动化 2010年9期

关键词：变频电动机发电机

季明丽

JI Ming-li

（江苏海事职业技术学院电气工程系，南京 211170）

交流变频调速技术在船舶电力推进系统中的应用

Application of ships electric propulsion system on AC frequency converter technology

季明丽

JI Ming-li

（江苏海事职业技术学院电气工程系，南京 211170）

随着新型电力电子器件的发展，交流变频调速技术成为现代交流传动调速技术领域的主要标志之一，本文着重介绍了交流变频调速技术的原理，及其在船舶电力推进系统中的应用。

交流变频调速技术；船舶；电力推进

0 引言

近年来，随着微电子技术特别是变频调速技术的迅速发展应用，许多产品的性能得到了极大的提高。微机控制的交流变频调速技术在船舶上的应用也越来越广泛，比如控制起货机的起升机构，控制其起货速度，提高生产率；控制船舶的导航，可以快速灵敏地控制航向；在船舶的推进装置中，利用交流变频调速技术的交流电力推进系统来替代传统的机械传输推进系统，实现船舶作不同速度的前进、后退和转向等各种航行动作，并对船舶在航行过程中的主要运行参数进行实时监控，确保船舶的安全、快捷地航行。

1 交流变频调速技术的原理

变频调速就是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速，从而达到调速的目的，是无附加转差损耗的高效调速方式。我们经常使用的是交-直-交变频调速器。交-直-交变频调速系统的变频部分主要是由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。整流器为二极管三相桥式整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。中间滤波环节是用电容器或电抗器对整直后的电压或电流进行滤波。交流变频调速技术原理图如图1所示。

图1 交流变频调速技术原理图

从我国船舶设计制造的现状来看, 可能采用电力推进的功率规模一般在5 000 kW 以下, 所以交－直－交变频系统应该是电力推进的主要型式。

2 交流变频调速技术在船舶电力推进系统中具体应用

2.1 船舶电力推进系统

电力推进系统由原动机带动发电机，产生电能，通过配电及功率管理系统以及变频调速系统，供电给推进电动机，再由推进电动机带动螺旋桨。船舶电力推进系统主要由原动机/发电机组、配电站、推进电机、螺旋桨以及控制部分等构成，如图2所示。

图2 船舶电力推进系统组成示意图

2.2 Siemens 6SE71变频器电力推进系统具体设计

交流异步电机的转速n与电源频率f之间的关系为

n= 6of(1-S)/P

式中：p—— 旋转磁场的磁极对数；

s—— 电机转差率。

从以上函数关系可知，当电机转差率变化不大时，电机的转速与电源频率成正比。因此，如用频率可以平滑调节的供电设备，即可平滑调节异步电机的转速。变频控制器一般就是根据电压随频率变化且满足一定的比例关系而设计成的。

影响发电机投入并联的因素有三个：电压差、频率差和相角差。待并发电机与电网不等时投入发电机，电压差将产生无功的均压电流;频率不等和相角不一致时，频率差和相角差将产生有功的整步电流，所产生的电流力图消除这些差别。发电机投入电网的瞬间，发电机的电抗骤降至超瞬变电抗X，引起冲击电流。差值越大冲击电流越大。发电机投入时应限制这些差值，否则，产生的冲击电流可能危及机组的安全，影响正常供电。

1）待并机的电压与电网电压相等，即ug= Un。

2）待并机的频率与电网频率相等，即fg= fn。

3）待并机的相位与电网相位相等，即δ= ωgφn=0。

若符合上述三个条件，则待并发电机电压相量与电网电压相量完全重合，冲击电流为零，这是准同步并车的理想情况。但实际上，要做到完全满足上述三个条件，达到理想同步是不可能的。因此，只能要求电压差、频率差和相位差都在一定的允许范围之内即可合闸并车。

图3 船舶推进系统主回路图

设计采用一台一燃气轮机和两台柴油发电机推进该船舶，其中两台用于加速。它们分别与两台交流发电机直接耦合。另一台燃气轮机驱动一台单输入双输出齿轮装置。该齿轮装置的一个输出端驱动一台18.3兆瓦交流推进发电机, 而另一个输出端以900转/分的转速运行并与4000千瓦、8极、450伏、3相交流船舶日用发电机相耦合。船舶日常用电系统可由此获得大部分电力。出航时, 出航燃气轮机以3600转/分恒速运行, 出航推进发电机和巡航日用发电机的输出功率为恒定60赫。出航推进发电机的电力按规定路线传送给两个功率控制器。这两个功率控制器可将60赫电力转换成频率、电压和相序可调的电力。这种可调电力施加到34500马力、44极、6.3千伏的交流同步推进电动机上。因此, 电机可正、倒车任一方向驱动定距桨。紧急倒航时, 动态制动电阻瞬时跨接到电动机绕组两端, 以便吸收螺旋桨轴的功率。因为两个功率控制器是独立配置的, 所以在纯全力控制下, 两个推进轴能以不同转速旋转, 甚至能以相反方向旋转。高速运行时则应使用两台加速燃气轮机投入运行。因为巡航LM一2500燃气轮机单独运行仅能使船速达21节而这时对应的功率控制器输出频率为42赫, 电动机转速为115转分。为了进一步增加船速, 须将两个加速机组升到42赫并与其各自的功率控制器的输出同步。然后, 可使发电机频率和功率控制器同步升到60赫。这时所对应的每轴轴速为164转/分,功率为34500马力。采用这种运行方式两抽的正车转速是分别控制的在没有返回到巡航方式之前, 不能改变旋转方向。在应急情况下, 首先借助向动态制动电阻反馈所产生的负转矩使螺旋桨几乎停车。然后功率控制器改变接入电动机的三相交流相序电动机反转, 从而实现紧急倒航。其船舶推进系统主回路图如图3所示。

在控制电路方面，控制电路由AC220V 及DC24V 两种组成的，还有电动机调速电路、电动机脉冲编码器测速电路和电动机温度检测电路直接输入到变频器闭环控制电子板并从其上输出电动机电流和转速的模拟量信号至电表。

图4 推进控制系统框示意图

在操纵方式上，驾驶室的遥控操纵采用特殊的带有零位、正向、反向开关和操纵调速电位器，变频柜采用就地操纵，有起动、停止、变向、加速、减速5个按钮操作，在柜子面板上还有一个遥控和就地操纵转换开关，是通过变频器的B1CO数据组切换的软件功能来控制柜子上的转换开关。在系统中还设计了较多的电路环节系统，设置了一个联动和分动操纵转换开关方便操纵和防止操纵器的调速不一致，把装置设计放在驾控台上，可实现用一个操纵器操纵两套装置的目的。

其主要的推进控制系统框示意图如图4所示。

3 结束语

随着电力电子技术与微机控制技术的不断革新进步，交流变频调速技术也得到迅速发展，电力推进系统具有布置方便,工作噪声低、节能、操纵灵活、易于实现自动控制等优点,在船舶电力推进系统得到了越来越广泛的应用。它的使用范围已由潜艇、工程船舶扩大到水面舰船,并有逐步取代直接推进之势。Siemens公司SIMOVERTMA STERDRIVES矢量6SE71系列变频器/变频调速柜具有强大的功能能, 代表了变频器世界的先进水平，在船舶电力推进系统中起到了巨大的推进作用，Siemens 6SE71系列变频器的成功应用将会对我国船舶动力装置的变革起到较大的鼓舞作用。会促进更多的电力推进船舶的出现。

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