“科学号”科学考察船吊舱式电力推进系统关键技术

邵 赟，黄 磊

(武昌船舶重工集团有限公司，武汉430060)

“科学号”科学考察船吊舱式电力推进系统关键技术

邵 赟，黄 磊

(武昌船舶重工集团有限公司，武汉430060)

通过对“科学号”海洋科学综合考察船上的吊舱式电力推进系统进行全面的设计和建造方面的分析探讨,剖析交流永磁同步推进电机、直接转矩变频控制策略的结构和特点,分析多相整流谐波抑制技术方案。通过实船验证ABB Compact Azipod吊舱式电力推进系统关键技术在科考船上的成功应用。

吊舱式电力推进;永磁电机;谐波;直接转矩

针对“科学号”海洋科学综合考察船ABB Compact Azipod吊舱式电力推进系统配置,分析推进电机、变频控制、谐波抑制及建造工艺等关键技术在科考船上的应用。

由武昌船舶重工集团公司建造的“科学号”海洋综合科学考察船是国家重大科技基础设施建设项目之一。“科学号”考察船是一艘满足深海海洋科学多学科交叉研究需求的现代化海洋科学综合考察船,其技术水平和考察能力达到国际海洋强国新建和在建综合考察船同等水平。该船的主要技术参数和性能要求如下。

总长(Loa) 99.6 m

垂线间长(Lbp) 88.8 m

型宽(B) 17.8 m

型深(H) 8.9 m

设计吃水(Td) 5.6 m

设计排水量(Δd) 4 800 t

结构吃水(Tm) 6.0 m

设计排水量(Δm) 5 316 t

总吨位(GT) 4 864 t

航速性能要求。要求在二套推进装置在输出最大额定功率工况下,蒲氏风级小于三级、二级海况、清洁船底、设计吃水为5.6 m的状况下,最大试航速度达15 kn,服务航速12 kn,主要作业航速0～6 kn,适当考虑6～12 kn作业航速,在0～最大航速范围内可实现无级变速。

1 吊舱式推进器

采用Compact Azipod吊舱式电力推进型式,其中螺旋桨1套:定距桨、4叶桨、镍铝-青铜材料,直径2.3 m;转舵电动机2台,每台电机:额定功率45 kW/8 kW(对应S2短时工作制/S1连续工作制),电压380 V,巡航模式最大转舵速度为6σ(°)/s,机动模式最大转舵速度12σ(°)/s,最大转向加速度6σ(°)/s,空冷。

吊舱式推进器在推进装置上突破了“柴油机加开放式传动轴系”的推进器设计定形式［2］。吊舱不仅可以行使推进功能,而且可以控制推进方向,通过控制吊舱的旋转可以实现对方向的控制,无需另配舵和侧推器。典型的Azipod吊舱式电力推进器结构见图1［3］,是将推进电机和螺旋桨共轴制成独立的推进模块安装于船尾部,其推进电机和螺旋桨直接连接,组成独立的推进模块,并安装于船体底部的流线型吊舱器内,该推进模块可以360°水平旋转,通过对推进的方位角进行控制、调节,可以在各个方向上产生推力,替代了通常使用的舵和轴系,极大地提高了船舶设计、建造及操控使用的灵活性,具有更多优点。

图1 Azipod吊舱式电力推进器结构

“科学号”考察船吊舱式电推系统单线图见图2。

图2 电力推进系统单线图

该船的吊舱式推进装置由水上部分和水下部分组成。水下部分为整体电机模块;水上部分包括支撑模块和转舵模块。电机模块是由一台永磁同步电机和一个定距螺旋桨组成,螺旋桨直接安装在电机轴上。电机模块包括了电动机轴承、轴密封、维修刹车、管系和螺旋桨。因为采用了永磁电机,体积小,使吊舱的外径补减小,提高了流体效率。而且装置安装在水下,该单元直接通过周围环绕的海水冷却,不再需要额外的冷却系统;支撑模块是整个吊舱结构的连接固定部件,所有管系、控制电缆和电机电源电缆的连接部件都设置于该模块中;转舵模块是由现场控制和设备箱、滑环单元、带有齿轮箱的转向电动机和安装基座组成,该模块安装于船上的舵桨舱内。

2 推进电机

推进电机是船舶高性能推动方式——电力推进系统中关键的组成部分,是系统中重要的动力源,该船的吊舱式电力推进系统采用了永磁同步电动机,每台电机:最大额定功率1 900 kW,电压660 V,额定电流2 190 A,额定转速307.5 r/min,额定转速下最大转矩59 kN˙m,电机选用径向永磁同步电动机,单定子绕组,采用空气冷却。

随着永磁材料性能不断得到提高发展,永磁材料价格的降低,永磁电动机开发研究技术、经验的逐步完善,现在的稀土永磁同步电动机已正向如下方向深化发展:大功率(高转速、高转矩)、高性能、微型化等。永磁体构成了永磁同步电机的转子,电机转子磁场是由永磁体产生形成。转子磁场根据不同的转子磁钢形状,在空间上的分布可形成正弦波、梯型波这两种,故而当转子旋转时,在定子上产生的反电势及其波形也是分为正弦波和梯形波两种［4］。

根据永磁体的结构形式,以及其放置的不同位置,永磁同步电机转子可分为表面式、插入式和内埋式3种。

永磁电机相具有较好的性能指标——大容量、高转矩、高比功率、低噪声、宽平滑调速区、体积小、重量轻等,使用永磁电机的吊舱电力推进系统取消了励磁系统和外部冷却系统,减小了重量,电动机效率高达98%,使整个推进系统噪声低、效率高、维护性好。

3 变频控制

根据电力负载估算可知该船电网功率比值(电网中运行的变频器的最大功率与电网运行功率的比值)达到68%,已经属于典型的变频器负载电网,变频器运行导致电网谐波的影响必须被充分考虑。

为此,科考船Azipod吊舱式推进系统采用的ABB提供的12脉冲ACS 800-07LC变频器(全船2套),整个推进系统构成虚拟24脉冲变频。该变频器额定电压690 V,额定功率2 680 kVA,额定电流2 239 A,采用水冷却,控制技术为ABB开发的直接转矩控制(DTC)电机控制方式,不需要速度反馈编码器,响应时间快。ACS 800 LC变频器采用二极管整流,IGBT逆变,内置进线电抗器、EMC滤波器、d u/d t输出滤波器Azipod吊舱式电力推进中采用的直接转矩控制(DTC)控制系统:采用空间分析方法,直接在定子坐标系统下进行同步电机转矩的计算和控制,利用离散的砰-砰两点式调节器产生PWM信号,对逆变器的开关状态进行直接控制。

吊舱式电力推进的DTC控制通过空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术在功率密度、输出谐波、控制性能等方面具有更多优点［5］。空间矢量控制目的是为得到一个圆形的磁链轨迹,方法为利用电压空间矢量的叠加,在采用该方法调制时,按照平行四边形法则,由8个不同作用时间的基本电压空间矢量等效合成,对定子磁链与电机转矩都分别采用比例积分(PID)调节器进行闭环控制,并由其输出共同合成电压矢量指令。虽然方案的控制结构较复杂,但采用成熟的SVPWM技术,可使逆变器输出幅值和方向均可调的电压矢量,使传动系统的稳态性能更好［6］。

4 谐波的抑制

吊舱式电力推进系统中的电站系统不仅要向推进电机供电,同时还需提供电能给船舶电网。相对于较小的船舶电站容量,大功率推进变频器在船舶电网中的运行,必然不可避免地会产生大量谐波,使得船舶主电网和连接至负载的分电网中产生严重的高次谐波的电流和电压,造成船舶电网受到污染。目前各国船级社都对电压畸变及电流谐波量有着严格的要求,中国船级社CCS规范对于电力推进船舶明确要求船舶电网中的单次谐波至15次的谐波不允许超过标称电压的5%,其后逐渐减少,在100次谐波时应减少到1%。对于专用的电力推进供电配电板,总的电压畸变应不超过10%［7］。

本船的吊舱式电力推进系统谐波污染形成因素主要有:①二极管桥式整流电路,即桥式整流后跟一个大的平波电容,这种电路只有在输入电压的绝对传值大于电空电压时才会有电流的输入,因而使得输入电流成为一种不连续的近似为脉冲式的波形,这种波形含有大量的谐波;②相控变流装置,由于晶闸管只是在每个电压周期的某一段相角范围内导通,因而其输入电流有大量谐波成分。由于在直流环节中设置了中间滤波回路,因而逆变器产生的谐波基本被中间滤波回路吸收,将逆变器及电机与供电电网隔离开来,变频器产生谐波的主要因素是整流电路中的功率开关元器件向船舶电网注入的谐波电流［8］。

针对该因素,主要采用主动型的多相整流谐波抑制方案,以达到电网中总的电压谐波干扰值THD、单次谐波小于规定的要求。可采用如下方案。

4.1 12脉波整流

4.2 24脉波整流

Dd0y11型三绕组变压器输出的线电压12脉波整流得到相角相差30°直流波形,如果使2个12脉动整流变压器输出的线电压相角相互相差15°,再分别经过12脉波的整流,得到的直流电压的纹波就会相互错开,叠加后可得到24脉波的直流波形,而原边移相变压器,可实现一次侧、二次侧线电压的相位偏移,消除谐波,可得到实现整流器与电网之间的电气隔离,24脉波整流的拓扑结构见图3［9］。变压器原边电压第1台比网侧超前7.5°,第2台比网侧滞后7.5°,则第2台变压器的原边电压比第1台的滞后15°,线电流也滞后15°。此时供电网侧中的电流仅含有24k±1次的谐波,电网的谐波含量又较12脉波式降低了不少,更减少了电网的污染,同时输出的直流电压纹波系统较小,直流电压质量较高。

图3 24脉冲整流电路拓扑结构示意

4.3 工程虚拟24脉波整流

24脉波整流对于谐波的抑制效果好,不论船舶在任何工况下谐波失真的情况都能得到很好地控制,完全满足船级社的有关规定。但在工程实际应用中,由于船舶一般采用双桨推进,按每套推进装置配备2台移相变压器计算,全船需配4台变压器(或需配置2套六绕组式移相变压器),不仅提高了投资成本,而且设备增多、增大,会导致船舶舱室布置的难度加大,整体布置困难。为此,在实际工程中提出了一种虚拟24脉波整流的方案:每套推进变频器的整流电路仍为12脉波整流,每套只配备一台三绕组移相变压器,每台变压器输出至每组变频器的相移是+/-7.5°,2套移相变压器初次绕组之间相角相差15°,当正常运行主配电板母联开关闭合,2套变频器同时运行工作负载相当时,会在船舶配电电网上形成类似24脉波的结构,达到与24脉波接近的抑制谐波的效果。但当配电板母联开关打开时,系统就变成了2套独立的12脉波变频器,这时谐波就只有12脉波的效果。

两种基本拓扑结构比较见图4。该虚拟方案可确保在不配置任何滤波器和任何工况状态下船舶电网中总的电压谐波干扰值(THD)小于5%,拥有更高的效率,而且成本更低、总体布置更优化。

图4 工程虚拟24脉波与24脉波结构比较

采用虚拟24脉波整流方案,即全船配置了2台推进移相变压器,每台移相变压器的电压比率为690 V/2×710 V,额定功率2 186 kVA(2组次级绕组,每组绕组的容量为1 275 kVA),防护等级IP44,采用空-水冷却。每套变压器的2套次级绕组中,各对应绕组之间存在着30°电偏移。第一套变压器中的原级绕组具有+7.5°电角度偏移,第二套原级绕组则具有-7.5°电角度偏移。所配2套移相变压器初次绕组之间相差15°,所以当主配电板母联开关闭合时,在主配电板上形成类似24脉冲的结构,达到与24脉冲接近的抑制谐波效果。

5 建造施工方案

5.1 船舶推进舱室的布置

主推进吊舱及转舵装置分别布置在左、右舷舵桨装置舱,主推进变频器分开布置在另外的变频器室。转舵变频器、就地控制板等布置在吊舱装置附近。如上专业舱室考虑设备发热量及环境因素,都需采取降温措施。因推进、转舵变频器内有大量大功率电子元件,对环境要求比较高,温度一般不超过40～45℃,温度过高时会造成降功率使用,因此舵桨装置舱和变频器根据设备散热量分别配置了2台制冷量8.6 kW/制热9 kW的柜式空调装置(一用一备)。

5.2 推进变频器室的布置及变频器安装

变频器长5 215 mm、高2 050 mm、厚600 mm,每只变频器配有冷却用的进水管、水阀,故所需较大的安装空间。在该船上高度一直是个突出问题,因为大功率、低电压,电源电缆既粗又多,需要有足够的顶部进线空间,所以在对该舱室布置设计时,着重结合船体结构形式进行了设备的定位和电缆的走线综合布置工作,变频器前后左右都留有一定空间,高度要求也基本满足,现场电缆弯曲半径比较合适,确保了电缆的正常工作。

在变频器安装到位前,要用水平仪检测安装位置的平整度(不超过5 mm/3 m的水平偏差),并对变频器下方船体结构进行加强,以达到足够的坚固支撑变频器重量的要求,安装时要保护良好接地,降低高频谐波对周围环境的辐射影响。

5.3 推进变频电缆敷设施工工艺要求

1)由变频器输出至电机的电路中具有极大的d u/d t突变,电压谐波畸变引起的附加发热等效应,故从变频器至推进电机的电缆采用了专门的变频电缆,该电缆具有对称屏蔽式三相导线芯、对称PE导线芯以及屏蔽层。屏幕层的密度一般需达到90%,高密度能有效抑制电源中具有的射频发射特性,降低EMC干扰。

2)该船所有的控制、信号电缆都采用了双屏蔽型电缆,每对信号线都单独屏蔽,不同的信号不使用同一个公共返回线;低压数字信号线也使用了双屏蔽电缆线。所有备用芯线和控制电缆的屏蔽都两端可靠接地。

3)考虑到该船电力推进功率大,电压等级相对日用设备电压高,传输的电源具有高频的射频发射特性,产生电磁干扰,所以设计了独立的推进690 V供电电缆通道,该通道分左右两舷布置,并尽量相互远离,尽量不与其他电缆交叉(无可避免时保证90°垂直交叉),在平行方向上,距离其他电缆通道以上,以避免对其他电缆信号产生干扰,影响系统正常工作。除此外,还对其他电力电缆、控制电缆、信号电缆分别设计相应电缆通道,电力电缆通道旁边布置控制电缆通道,其距离300 mm以上;控制电缆通道旁边布置信号电缆,距离300 mm以上,保证电缆间相互减少干扰。

6 实船验证

该船采用由ABB提供的Compact Azipod吊舱式电力推进系统,并采用了低成本、高性能的虚拟24脉冲变频控制系统,经过海试测航检验证实该船吊舱式电力推进系统的特点:操纵性好,其回转直径均低于2倍船长(2 m×99.6 m),大大优于常规轴桨推进的船舶;动态响应快、制动性能好,该船能在5 min内实现原地回转;在15 kn的高航速下能在228 s内实现停船,惯性滑动距离约为722 m;若需要紧急停船,可在130 s内实现停船,滑动纵距不超过450 m;电网电压谐波畸实际测量690 V,配电板的总电压畸变为2.7%,大大小于船级社规定的不大于10%的要求,保证了船舶电力系统的可靠运行;船舶噪声小,集控室实测噪声60 dB,不仅满足舒适性要求,更充分满足海洋调查船进行海洋地质调查、海底地形地貌等调查的要求。

吊舱式电力推进船舶相比常规推进船舶具有耗油少、污染小、机动性能好、机舱布置灵活、振动和噪声小等优点,形成了明显的发展趋势。但同时也应看到,关键环节均需引进国外技术,因此对于船舶行业来说,掌握电力推进系统的关键技术,形成吊舱式电力推进系统国产产业化是目前所面临的新课题。

［1］范啸平.现代电力推进船舶电网谐波分析及抑制方法研究［D］.上海:上海交通大学,2011.

［2］马 驰,张 旭,钱正芳,等.POD推进器技术发展及其应用前景［J］.船舶工程,2007(6):25-29.

［3］Alf Kare Adnanes ABB ASMarine.Maritime Electrical Installations And Diesel Electric Propulsion［M］.ABB ASMarine,2003.

［4］刘英培.PMSM直接转矩控制方法及实验研究［D］.天津:天津大学,2010.

［5］李 勇.船舶电力推进大功率变频器分析［J］.中国航海,2011(6):41-45.

［6］姚海兰,徐国卿,袁登科.永磁同步电机直接转矩控制系统的新电压矢量控制方法［J］.机电一体化, 2008(2):65-68.

［7］中国船级社.钢质海船入级与建造规范［M］.北京:人民交通出版,2012.

［8］李 兵,王科飞,王树文.电力系统谐波及滤波技术［J］.农机化研究,2005(4):121-123.

［9］刘钮山,葛宝明,毕大强.基于多相整流的船舶电力推进系统谐波抑制［J］.北京交通大学学报,2011,35 (2):99-104.

The Key Technologies of the Pod Electric Propulsion System in a Scientific Research Ship

SHAO Yun,HUANG Lei
(Wuchang Shipbuilding Industry Co.Ltd.,Wuhan 430060,China)

The pod electric propulsion system in amarine scientific and comprehensive research ship is discussed about from the views of design and shipbuilding.The structure and characteristic of the permanentmagnet synchronousmotor(PMSM)and the direct torque control(DTC)strategy of PMSM are analyzed,as well as the harmonic suppression methods.The operation of the real vessel proves that the application of the ABB Compact Azipod pod electric propulsion system in the scientific research ship is successful.

pod electric propulsion;PMSM;harmonic;DTC

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.003

U665.11

A

1671-7953(2015)03-0011-05

2014-09-08

修回日期:2015-01-29

邵 赟(1976-),女,硕士,工程师

研究方向:电气工程

E-m ail:su800gar@sina.com;12265296@qq.com