交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

季明麗

JI Ming-li

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，南京 211170）

交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of ships electric propulsion system on AC frequency converter technology

季明麗

JI Ming-li

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，南京 211170）

隨著新型電力電子器件的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)成為現(xiàn)代交流傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域的主要標(biāo)志之一，本文著重介紹了交流變頻調(diào)速技術(shù)的原理，及其在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

交流變頻調(diào)速技術(shù)；船舶；電力推進(jìn)

0 引言

近年來，隨著微電子技術(shù)特別是變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展應(yīng)用，許多產(chǎn)品的性能得到了極大的提高。微機(jī)控制的交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶上的應(yīng)用也越來越廣泛，比如控制起貨機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，控制其起貨速度，提高生產(chǎn)率；控制船舶的導(dǎo)航，可以快速靈敏地控制航向；在船舶的推進(jìn)裝置中，利用交流變頻調(diào)速技術(shù)的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳輸推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶作不同速度的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等各種航行動(dòng)作，并對(duì)船舶在航行過程中的主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保船舶的安全、快捷地航行。

1 交流變頻調(diào)速技術(shù)的原理

變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的，是無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。我們經(jīng)常使用的是交-直-交變頻調(diào)速器。交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻部分主要是由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。整流器為二極管三相橋式整流器，逆變器是大功率晶體管組成的三相橋式電路，它是將恒定的直流電交換為可調(diào)電壓，可調(diào)頻率的交流電。中間濾波環(huán)節(jié)是用電容器或電抗器對(duì)整直后的電壓或電流進(jìn)行濾波。交流變頻調(diào)速技術(shù)原理圖如圖1所示。

圖1 交流變頻調(diào)速技術(shù)原理圖

從我國(guó)船舶設(shè)計(jì)制造的現(xiàn)狀來看, 可能采用電力推進(jìn)的功率規(guī)模一般在5 000 kW 以下, 所以交－直－交變頻系統(tǒng)應(yīng)該是電力推進(jìn)的主要型式。

2 交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中具體應(yīng)用

2.1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

電力推進(jìn)系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能，通過配電及功率管理系統(tǒng)以及變頻調(diào)速系統(tǒng)，供電給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，再由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由原動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組、配電站、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳以及控制部分等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)組成示意圖

2.2 Siemens 6SE71變頻器電力推進(jìn)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f之間的關(guān)系為

n= 6of(1-S)/P

式中：p—— 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)；

s—— 電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

從以上函數(shù)關(guān)系可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比。因此，如用頻率可以平滑調(diào)節(jié)的供電設(shè)備，即可平滑調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻控制器一般就是根據(jù)電壓隨頻率變化且滿足一定的比例關(guān)系而設(shè)計(jì)成的。

影響發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的因素有三個(gè)：電壓差、頻率差和相角差。待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)不等時(shí)投入發(fā)電機(jī)，電壓差將產(chǎn)生無功的均壓電流;頻率不等和相角不一致時(shí)，頻率差和相角差將產(chǎn)生有功的整步電流，所產(chǎn)生的電流力圖消除這些差別。發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)的瞬間，發(fā)電機(jī)的電抗驟降至超瞬變電抗X，引起沖擊電流。差值越大沖擊電流越大。發(fā)電機(jī)投入時(shí)應(yīng)限制這些差值，否則，產(chǎn)生的沖擊電流可能危及機(jī)組的安全，影響正常供電。

1）待并機(jī)的電壓與電網(wǎng)電壓相等，即ug= Un。

2）待并機(jī)的頻率與電網(wǎng)頻率相等，即fg= fn。

3）待并機(jī)的相位與電網(wǎng)相位相等，即δ= ωgφn=0。

若符合上述三個(gè)條件，則待并發(fā)電機(jī)電壓相量與電網(wǎng)電壓相量完全重合，沖擊電流為零，這是準(zhǔn)同步并車的理想情況。但實(shí)際上，要做到完全滿足上述三個(gè)條件，達(dá)到理想同步是不可能的。因此，只能要求電壓差、頻率差和相位差都在一定的允許范圍之內(nèi)即可合閘并車。

圖3 船舶推進(jìn)系統(tǒng)主回路圖

設(shè)計(jì)采用一臺(tái)一燃?xì)廨啓C(jī)和兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)推進(jìn)該船舶，其中兩臺(tái)用于加速。它們分別與兩臺(tái)交流發(fā)電機(jī)直接耦合。另一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)單輸入雙輸出齒輪裝置。該齒輪裝置的一個(gè)輸出端驅(qū)動(dòng)一臺(tái)18.3兆瓦交流推進(jìn)發(fā)電機(jī), 而另一個(gè)輸出端以900轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速運(yùn)行并與4000千瓦、8極、450伏、3相交流船舶日用發(fā)電機(jī)相耦合。船舶日常用電系統(tǒng)可由此獲得大部分電力。出航時(shí), 出航燃?xì)廨啓C(jī)以3600轉(zhuǎn)/分恒速運(yùn)行, 出航推進(jìn)發(fā)電機(jī)和巡航日用發(fā)電機(jī)的輸出功率為恒定60赫。出航推進(jìn)發(fā)電機(jī)的電力按規(guī)定路線傳送給兩個(gè)功率控制器。這兩個(gè)功率控制器可將60赫電力轉(zhuǎn)換成頻率、電壓和相序可調(diào)的電力。這種可調(diào)電力施加到34500馬力、44極、6.3千伏的交流同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)上。因此, 電機(jī)可正、倒車任一方向驅(qū)動(dòng)定距槳。緊急倒航時(shí), 動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻瞬時(shí)跨接到電動(dòng)機(jī)繞組兩端, 以便吸收螺旋槳軸的功率。因?yàn)閮蓚€(gè)功率控制器是獨(dú)立配置的, 所以在純?nèi)刂葡? 兩個(gè)推進(jìn)軸能以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn), 甚至能以相反方向旋轉(zhuǎn)。高速運(yùn)行時(shí)則應(yīng)使用兩臺(tái)加速燃?xì)廨啓C(jī)投入運(yùn)行。因?yàn)檠埠絃M一2500燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行僅能使船速達(dá)21節(jié)而這時(shí)對(duì)應(yīng)的功率控制器輸出頻率為42赫, 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為115轉(zhuǎn)分。為了進(jìn)一步增加船速, 須將兩個(gè)加速機(jī)組升到42赫并與其各自的功率控制器的輸出同步。然后, 可使發(fā)電機(jī)頻率和功率控制器同步升到60赫。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的每軸軸速為164轉(zhuǎn)/分,功率為34500馬力。采用這種運(yùn)行方式兩抽的正車轉(zhuǎn)速是分別控制的在沒有返回到巡航方式之前, 不能改變旋轉(zhuǎn)方向。在應(yīng)急情況下, 首先借助向動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻反饋所產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩使螺旋槳幾乎停車。然后功率控制器改變接入電動(dòng)機(jī)的三相交流相序電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn), 從而實(shí)現(xiàn)緊急倒航。其船舶推進(jìn)系統(tǒng)主回路圖如圖3所示。

在控制電路方面，控制電路由AC220V 及DC24V 兩種組成的，還有電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路、電動(dòng)機(jī)脈沖編碼器測(cè)速電路和電動(dòng)機(jī)溫度檢測(cè)電路直接輸入到變頻器閉環(huán)控制電子板并從其上輸出電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的模擬量信號(hào)至電表。

圖4 推進(jìn)控制系統(tǒng)框示意圖

在操縱方式上，駕駛室的遙控操縱采用特殊的帶有零位、正向、反向開關(guān)和操縱調(diào)速電位器，變頻柜采用就地操縱，有起動(dòng)、停止、變向、加速、減速5個(gè)按鈕操作，在柜子面板上還有一個(gè)遙控和就地操縱轉(zhuǎn)換開關(guān)，是通過變頻器的B1CO數(shù)據(jù)組切換的軟件功能來控制柜子上的轉(zhuǎn)換開關(guān)。在系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了較多的電路環(huán)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)置了一個(gè)聯(lián)動(dòng)和分動(dòng)操縱轉(zhuǎn)換開關(guān)方便操縱和防止操縱器的調(diào)速不一致，把裝置設(shè)計(jì)放在駕控臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)用一個(gè)操縱器操縱兩套裝置的目的。

其主要的推進(jìn)控制系統(tǒng)框示意圖如圖4所示。

3 結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)與微機(jī)控制技術(shù)的不斷革新進(jìn)步，交流變頻調(diào)速技術(shù)也得到迅速發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有布置方便,工作噪聲低、節(jié)能、操縱靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn),在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它的使用范圍已由潛艇、工程船舶擴(kuò)大到水面艦船,并有逐步取代直接推進(jìn)之勢(shì)。Siemens公司SIMOVERTMA STERDRIVES矢量6SE71系列變頻器/變頻調(diào)速柜具有強(qiáng)大的功能能, 代表了變頻器世界的先進(jìn)水平，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中起到了巨大的推進(jìn)作用，Siemens 6SE71系列變頻器的成功應(yīng)用將會(huì)對(duì)我國(guó)船舶動(dòng)力裝置的變革起到較大的鼓舞作用。會(huì)促進(jìn)更多的電力推進(jìn)船舶的出現(xiàn)。

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1009-0134(2010)09-0123-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.37

2010-02-11

季明麗（1976 -），女，江蘇南通人，講師，主要從事電氣課程教學(xué)研究工作。