“科學號”科學考察船吊艙式電力推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

邵 赟，黃 磊

(武昌船舶重工集團有限公司，武漢430060)

“科學號”科學考察船吊艙式電力推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

邵 赟，黃 磊

(武昌船舶重工集團有限公司，武漢430060)

通過對“科學號”海洋科學綜合考察船上的吊艙式電力推進系統(tǒng)進行全面的設(shè)計和建造方面的分析探討,剖析交流永磁同步推進電機、直接轉(zhuǎn)矩變頻控制策略的結(jié)構(gòu)和特點,分析多相整流諧波抑制技術(shù)方案。通過實船驗證ABB Compact Azipod吊艙式電力推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在科考船上的成功應用。

吊艙式電力推進;永磁電機;諧波;直接轉(zhuǎn)矩

針對“科學號”海洋科學綜合考察船ABB Compact Azipod吊艙式電力推進系統(tǒng)配置,分析推進電機、變頻控制、諧波抑制及建造工藝等關(guān)鍵技術(shù)在科考船上的應用。

由武昌船舶重工集團公司建造的“科學號”海洋綜合科學考察船是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目之一?！翱茖W號”考察船是一艘滿足深海海洋科學多學科交叉研究需求的現(xiàn)代化海洋科學綜合考察船,其技術(shù)水平和考察能力達到國際海洋強國新建和在建綜合考察船同等水平。該船的主要技術(shù)參數(shù)和性能要求如下。

總長(Loa) 99.6 m

垂線間長(Lbp) 88.8 m

型寬(B) 17.8 m

型深(H) 8.9 m

設(shè)計吃水(Td) 5.6 m

設(shè)計排水量(Δd) 4 800 t

結(jié)構(gòu)吃水(Tm) 6.0 m

設(shè)計排水量(Δm) 5 316 t

總噸位(GT) 4 864 t

航速性能要求。要求在二套推進裝置在輸出最大額定功率工況下,蒲氏風級小于三級、二級海況、清潔船底、設(shè)計吃水為5.6 m的狀況下,最大試航速度達15 kn,服務航速12 kn,主要作業(yè)航速0～6 kn,適當考慮6～12 kn作業(yè)航速,在0～最大航速范圍內(nèi)可實現(xiàn)無級變速。

1 吊艙式推進器

采用Compact Azipod吊艙式電力推進型式,其中螺旋槳1套:定距槳、4葉槳、鎳鋁-青銅材料,直徑2.3 m;轉(zhuǎn)舵電動機2臺,每臺電機:額定功率45 kW/8 kW(對應S2短時工作制/S1連續(xù)工作制),電壓380 V,巡航模式最大轉(zhuǎn)舵速度為6σ(°)/s,機動模式最大轉(zhuǎn)舵速度12σ(°)/s,最大轉(zhuǎn)向加速度6σ(°)/s,空冷。

吊艙式推進器在推進裝置上突破了“柴油機加開放式傳動軸系”的推進器設(shè)計定形式［2］。吊艙不僅可以行使推進功能,而且可以控制推進方向,通過控制吊艙的旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)對方向的控制,無需另配舵和側(cè)推器。典型的Azipod吊艙式電力推進器結(jié)構(gòu)見圖1［3］,是將推進電機和螺旋槳共軸制成獨立的推進模塊安裝于船尾部,其推進電機和螺旋槳直接連接,組成獨立的推進模塊,并安裝于船體底部的流線型吊艙器內(nèi),該推進模塊可以360°水平旋轉(zhuǎn),通過對推進的方位角進行控制、調(diào)節(jié),可以在各個方向上產(chǎn)生推力,替代了通常使用的舵和軸系,極大地提高了船舶設(shè)計、建造及操控使用的靈活性,具有更多優(yōu)點。

圖1 Azipod吊艙式電力推進器結(jié)構(gòu)

“科學號”考察船吊艙式電推系統(tǒng)單線圖見圖2。

圖2 電力推進系統(tǒng)單線圖

該船的吊艙式推進裝置由水上部分和水下部分組成。水下部分為整體電機模塊;水上部分包括支撐模塊和轉(zhuǎn)舵模塊。電機模塊是由一臺永磁同步電機和一個定距螺旋槳組成,螺旋槳直接安裝在電機軸上。電機模塊包括了電動機軸承、軸密封、維修剎車、管系和螺旋槳。因為采用了永磁電機,體積小,使吊艙的外徑補減小,提高了流體效率。而且裝置安裝在水下,該單元直接通過周圍環(huán)繞的海水冷卻,不再需要額外的冷卻系統(tǒng);支撐模塊是整個吊艙結(jié)構(gòu)的連接固定部件,所有管系、控制電纜和電機電源電纜的連接部件都設(shè)置于該模塊中;轉(zhuǎn)舵模塊是由現(xiàn)場控制和設(shè)備箱、滑環(huán)單元、帶有齒輪箱的轉(zhuǎn)向電動機和安裝基座組成,該模塊安裝于船上的舵槳艙內(nèi)。

2 推進電機

推進電機是船舶高性能推動方式——電力推進系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分,是系統(tǒng)中重要的動力源,該船的吊艙式電力推進系統(tǒng)采用了永磁同步電動機,每臺電機:最大額定功率1 900 kW,電壓660 V,額定電流2 190 A,額定轉(zhuǎn)速307.5 r/min,額定轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩59 kN˙m,電機選用徑向永磁同步電動機,單定子繞組,采用空氣冷卻。

隨著永磁材料性能不斷得到提高發(fā)展,永磁材料價格的降低,永磁電動機開發(fā)研究技術(shù)、經(jīng)驗的逐步完善,現(xiàn)在的稀土永磁同步電動機已正向如下方向深化發(fā)展:大功率(高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩)、高性能、微型化等。永磁體構(gòu)成了永磁同步電機的轉(zhuǎn)子,電機轉(zhuǎn)子磁場是由永磁體產(chǎn)生形成。轉(zhuǎn)子磁場根據(jù)不同的轉(zhuǎn)子磁鋼形狀,在空間上的分布可形成正弦波、梯型波這兩種,故而當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,在定子上產(chǎn)生的反電勢及其波形也是分為正弦波和梯形波兩種［4］。

根據(jù)永磁體的結(jié)構(gòu)形式,以及其放置的不同位置,永磁同步電機轉(zhuǎn)子可分為表面式、插入式和內(nèi)埋式3種。

永磁電機相具有較好的性能指標——大容量、高轉(zhuǎn)矩、高比功率、低噪聲、寬平滑調(diào)速區(qū)、體積小、重量輕等,使用永磁電機的吊艙電力推進系統(tǒng)取消了勵磁系統(tǒng)和外部冷卻系統(tǒng),減小了重量,電動機效率高達98%,使整個推進系統(tǒng)噪聲低、效率高、維護性好。

3 變頻控制

根據(jù)電力負載估算可知該船電網(wǎng)功率比值(電網(wǎng)中運行的變頻器的最大功率與電網(wǎng)運行功率的比值)達到68%,已經(jīng)屬于典型的變頻器負載電網(wǎng),變頻器運行導致電網(wǎng)諧波的影響必須被充分考慮。

為此,科考船Azipod吊艙式推進系統(tǒng)采用的ABB提供的12脈沖ACS 800-07LC變頻器(全船2套),整個推進系統(tǒng)構(gòu)成虛擬24脈沖變頻。該變頻器額定電壓690 V,額定功率2 680 kVA,額定電流2 239 A,采用水冷卻,控制技術(shù)為ABB開發(fā)的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)電機控制方式,不需要速度反饋編碼器,響應時間快。ACS 800 LC變頻器采用二極管整流,IGBT逆變,內(nèi)置進線電抗器、EMC濾波器、d u/d t輸出濾波器Azipod吊艙式電力推進中采用的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)控制系統(tǒng):采用空間分析方法,直接在定子坐標系統(tǒng)下進行同步電機轉(zhuǎn)矩的計算和控制,利用離散的砰-砰兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號,對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行直接控制。

吊艙式電力推進的DTC控制通過空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)在功率密度、輸出諧波、控制性能等方面具有更多優(yōu)點［5］?？臻g矢量控制目的是為得到一個圓形的磁鏈軌跡,方法為利用電壓空間矢量的疊加,在采用該方法調(diào)制時,按照平行四邊形法則,由8個不同作用時間的基本電壓空間矢量等效合成,對定子磁鏈與電機轉(zhuǎn)矩都分別采用比例積分(PID)調(diào)節(jié)器進行閉環(huán)控制,并由其輸出共同合成電壓矢量指令。雖然方案的控制結(jié)構(gòu)較復雜,但采用成熟的SVPWM技術(shù),可使逆變器輸出幅值和方向均可調(diào)的電壓矢量,使傳動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能更好［6］。

4 諧波的抑制

吊艙式電力推進系統(tǒng)中的電站系統(tǒng)不僅要向推進電機供電,同時還需提供電能給船舶電網(wǎng)。相對于較小的船舶電站容量,大功率推進變頻器在船舶電網(wǎng)中的運行,必然不可避免地會產(chǎn)生大量諧波,使得船舶主電網(wǎng)和連接至負載的分電網(wǎng)中產(chǎn)生嚴重的高次諧波的電流和電壓,造成船舶電網(wǎng)受到污染。目前各國船級社都對電壓畸變及電流諧波量有著嚴格的要求,中國船級社CCS規(guī)范對于電力推進船舶明確要求船舶電網(wǎng)中的單次諧波至15次的諧波不允許超過標稱電壓的5%,其后逐漸減少,在100次諧波時應減少到1%。對于專用的電力推進供電配電板,總的電壓畸變應不超過10%［7］。

本船的吊艙式電力推進系統(tǒng)諧波污染形成因素主要有:①二極管橋式整流電路,即橋式整流后跟一個大的平波電容,這種電路只有在輸入電壓的絕對傳值大于電空電壓時才會有電流的輸入,因而使得輸入電流成為一種不連續(xù)的近似為脈沖式的波形,這種波形含有大量的諧波;②相控變流裝置,由于晶閘管只是在每個電壓周期的某一段相角范圍內(nèi)導通,因而其輸入電流有大量諧波成分。由于在直流環(huán)節(jié)中設(shè)置了中間濾波回路,因而逆變器產(chǎn)生的諧波基本被中間濾波回路吸收,將逆變器及電機與供電電網(wǎng)隔離開來,變頻器產(chǎn)生諧波的主要因素是整流電路中的功率開關(guān)元器件向船舶電網(wǎng)注入的諧波電流［8］。

針對該因素,主要采用主動型的多相整流諧波抑制方案,以達到電網(wǎng)中總的電壓諧波干擾值THD、單次諧波小于規(guī)定的要求?？刹捎萌缦路桨浮?/p>

4.1 12脈波整流

4.2 24脈波整流

Dd0y11型三繞組變壓器輸出的線電壓12脈波整流得到相角相差30°直流波形,如果使2個12脈動整流變壓器輸出的線電壓相角相互相差15°,再分別經(jīng)過12脈波的整流,得到的直流電壓的紋波就會相互錯開,疊加后可得到24脈波的直流波形,而原邊移相變壓器,可實現(xiàn)一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移,消除諧波,可得到實現(xiàn)整流器與電網(wǎng)之間的電氣隔離,24脈波整流的拓撲結(jié)構(gòu)見圖3［9］。變壓器原邊電壓第1臺比網(wǎng)側(cè)超前7.5°,第2臺比網(wǎng)側(cè)滯后7.5°,則第2臺變壓器的原邊電壓比第1臺的滯后15°,線電流也滯后15°。此時供電網(wǎng)側(cè)中的電流僅含有24k±1次的諧波,電網(wǎng)的諧波含量又較12脈波式降低了不少,更減少了電網(wǎng)的污染,同時輸出的直流電壓紋波系統(tǒng)較小,直流電壓質(zhì)量較高。

圖3 24脈沖整流電路拓撲結(jié)構(gòu)示意

4.3 工程虛擬24脈波整流

24脈波整流對于諧波的抑制效果好,不論船舶在任何工況下諧波失真的情況都能得到很好地控制,完全滿足船級社的有關(guān)規(guī)定。但在工程實際應用中,由于船舶一般采用雙槳推進,按每套推進裝置配備2臺移相變壓器計算,全船需配4臺變壓器(或需配置2套六繞組式移相變壓器),不僅提高了投資成本,而且設(shè)備增多、增大,會導致船舶艙室布置的難度加大,整體布置困難。為此,在實際工程中提出了一種虛擬24脈波整流的方案:每套推進變頻器的整流電路仍為12脈波整流,每套只配備一臺三繞組移相變壓器,每臺變壓器輸出至每組變頻器的相移是+/-7.5°,2套移相變壓器初次繞組之間相角相差15°,當正常運行主配電板母聯(lián)開關(guān)閉合,2套變頻器同時運行工作負載相當時,會在船舶配電電網(wǎng)上形成類似24脈波的結(jié)構(gòu),達到與24脈波接近的抑制諧波的效果。但當配電板母聯(lián)開關(guān)打開時,系統(tǒng)就變成了2套獨立的12脈波變頻器,這時諧波就只有12脈波的效果。

兩種基本拓撲結(jié)構(gòu)比較見圖4。該虛擬方案可確保在不配置任何濾波器和任何工況狀態(tài)下船舶電網(wǎng)中總的電壓諧波干擾值(THD)小于5%,擁有更高的效率,而且成本更低、總體布置更優(yōu)化。

圖4 工程虛擬24脈波與24脈波結(jié)構(gòu)比較

采用虛擬24脈波整流方案,即全船配置了2臺推進移相變壓器,每臺移相變壓器的電壓比率為690 V/2×710 V,額定功率2 186 kVA(2組次級繞組,每組繞組的容量為1 275 kVA),防護等級IP44,采用空-水冷卻。每套變壓器的2套次級繞組中,各對應繞組之間存在著30°電偏移。第一套變壓器中的原級繞組具有+7.5°電角度偏移,第二套原級繞組則具有-7.5°電角度偏移。所配2套移相變壓器初次繞組之間相差15°,所以當主配電板母聯(lián)開關(guān)閉合時,在主配電板上形成類似24脈沖的結(jié)構(gòu),達到與24脈沖接近的抑制諧波效果。

5 建造施工方案

5.1 船舶推進艙室的布置

主推進吊艙及轉(zhuǎn)舵裝置分別布置在左、右舷舵槳裝置艙,主推進變頻器分開布置在另外的變頻器室。轉(zhuǎn)舵變頻器、就地控制板等布置在吊艙裝置附近。如上專業(yè)艙室考慮設(shè)備發(fā)熱量及環(huán)境因素,都需采取降溫措施。因推進、轉(zhuǎn)舵變頻器內(nèi)有大量大功率電子元件,對環(huán)境要求比較高,溫度一般不超過40～45℃,溫度過高時會造成降功率使用,因此舵槳裝置艙和變頻器根據(jù)設(shè)備散熱量分別配置了2臺制冷量8.6 kW/制熱9 kW的柜式空調(diào)裝置(一用一備)。

5.2 推進變頻器室的布置及變頻器安裝

變頻器長5 215 mm、高2 050 mm、厚600 mm,每只變頻器配有冷卻用的進水管、水閥,故所需較大的安裝空間。在該船上高度一直是個突出問題,因為大功率、低電壓,電源電纜既粗又多,需要有足夠的頂部進線空間,所以在對該艙室布置設(shè)計時,著重結(jié)合船體結(jié)構(gòu)形式進行了設(shè)備的定位和電纜的走線綜合布置工作,變頻器前后左右都留有一定空間,高度要求也基本滿足,現(xiàn)場電纜彎曲半徑比較合適,確保了電纜的正常工作。

在變頻器安裝到位前,要用水平儀檢測安裝位置的平整度(不超過5 mm/3 m的水平偏差),并對變頻器下方船體結(jié)構(gòu)進行加強,以達到足夠的堅固支撐變頻器重量的要求,安裝時要保護良好接地,降低高頻諧波對周圍環(huán)境的輻射影響。

5.3 推進變頻電纜敷設(shè)施工工藝要求

1)由變頻器輸出至電機的電路中具有極大的d u/d t突變,電壓諧波畸變引起的附加發(fā)熱等效應,故從變頻器至推進電機的電纜采用了專門的變頻電纜,該電纜具有對稱屏蔽式三相導線芯、對稱PE導線芯以及屏蔽層。屏幕層的密度一般需達到90%,高密度能有效抑制電源中具有的射頻發(fā)射特性,降低EMC干擾。

2)該船所有的控制、信號電纜都采用了雙屏蔽型電纜,每對信號線都單獨屏蔽,不同的信號不使用同一個公共返回線;低壓數(shù)字信號線也使用了雙屏蔽電纜線。所有備用芯線和控制電纜的屏蔽都兩端可靠接地。

3)考慮到該船電力推進功率大,電壓等級相對日用設(shè)備電壓高,傳輸?shù)碾娫淳哂懈哳l的射頻發(fā)射特性,產(chǎn)生電磁干擾,所以設(shè)計了獨立的推進690 V供電電纜通道,該通道分左右兩舷布置,并盡量相互遠離,盡量不與其他電纜交叉(無可避免時保證90°垂直交叉),在平行方向上,距離其他電纜通道以上,以避免對其他電纜信號產(chǎn)生干擾,影響系統(tǒng)正常工作。除此外,還對其他電力電纜、控制電纜、信號電纜分別設(shè)計相應電纜通道,電力電纜通道旁邊布置控制電纜通道,其距離300 mm以上;控制電纜通道旁邊布置信號電纜,距離300 mm以上,保證電纜間相互減少干擾。

6 實船驗證

該船采用由ABB提供的Compact Azipod吊艙式電力推進系統(tǒng),并采用了低成本、高性能的虛擬24脈沖變頻控制系統(tǒng),經(jīng)過海試測航檢驗證實該船吊艙式電力推進系統(tǒng)的特點:操縱性好,其回轉(zhuǎn)直徑均低于2倍船長(2 m×99.6 m),大大優(yōu)于常規(guī)軸槳推進的船舶;動態(tài)響應快、制動性能好,該船能在5 min內(nèi)實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn);在15 kn的高航速下能在228 s內(nèi)實現(xiàn)停船,慣性滑動距離約為722 m;若需要緊急停船,可在130 s內(nèi)實現(xiàn)停船,滑動縱距不超過450 m;電網(wǎng)電壓諧波畸實際測量690 V,配電板的總電壓畸變?yōu)?.7%,大大小于船級社規(guī)定的不大于10%的要求,保證了船舶電力系統(tǒng)的可靠運行;船舶噪聲小,集控室實測噪聲60 dB,不僅滿足舒適性要求,更充分滿足海洋調(diào)查船進行海洋地質(zhì)調(diào)查、海底地形地貌等調(diào)查的要求。

吊艙式電力推進船舶相比常規(guī)推進船舶具有耗油少、污染小、機動性能好、機艙布置靈活、振動和噪聲小等優(yōu)點,形成了明顯的發(fā)展趨勢。但同時也應看到,關(guān)鍵環(huán)節(jié)均需引進國外技術(shù),因此對于船舶行業(yè)來說,掌握電力推進系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),形成吊艙式電力推進系統(tǒng)國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化是目前所面臨的新課題。

［1］范嘯平.現(xiàn)代電力推進船舶電網(wǎng)諧波分析及抑制方法研究［D］.上海:上海交通大學,2011.

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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,碩士,工程師

研究方向:電氣工程

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