交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進系統(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)代交流傳動調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域的主要標志之一，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系統(tǒng)中的應(yīng)用。

交流變頻調(diào)速技術(shù)；船舶；電力推進

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，比如控制起貨機的起升機構(gòu)，控制其起貨速度，提高生產(chǎn)率；控制船舶的導航，可以快速靈敏地控制航向；在船舶的推進裝置中，利用交流變頻調(diào)速技術(shù)的交流電力推進系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的機械傳輸推進系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶作不同速度的前進、后退和轉(zhuǎn)向等各種航行動作，并對船舶在航行過程中的主要運行參數(shù)進行實時監(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機定子供電頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速，從而達到調(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整直后的電壓或電流進行濾波。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

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

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

2.1 船舶電力推進系統(tǒng)

電力推進系統(tǒng)由原動機帶動發(fā)電機，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)，供電給推進電動機，再由推進電動機帶動螺旋槳。船舶電力推進系統(tǒng)主要由原動機/發(fā)電機組、配電站、推進電機、螺旋槳以及控制部分等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 船舶電力推進系統(tǒng)組成示意圖

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

交流異步電機的轉(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)磁場的磁極對數(shù)；

s—— 電機轉(zhuǎn)差率。

從以上函數(shù)關(guān)系可知，當電機轉(zhuǎn)差率變化不大時，電機的轉(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)計成的。

影響發(fā)電機投入并聯(lián)的因素有三個：電壓差、頻率差和相角差。待并發(fā)電機與電網(wǎng)不等時投入發(fā)電機，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，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)電機投入電網(wǎng)的瞬間，發(fā)電機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)電機投入時應(yīng)限制這些差值，否則，產(chǎn)生的沖擊電流可能危及機組的安全，影響正常供電。

1）待并機的電壓與電網(wǎng)電壓相等，即ug= Un。

2）待并機的頻率與電網(wǎng)頻率相等，即fg= fn。

3）待并機的相位與電網(wǎng)相位相等，即δ= ωgφn=0。

若符合上述三個條件，則待并發(fā)電機電壓相量與電網(wǎng)電壓相量完全重合，沖擊電流為零，這是準同步并車的理想情況。但實際上，要做到完全滿足上述三個條件，達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 船舶推進系統(tǒng)主回路圖

設(shè)計采用一臺一燃氣輪機和兩臺柴油發(fā)電機推進該船舶，其中兩臺用于加速。它們分別與兩臺交流發(fā)電機直接耦合。另一臺燃氣輪機驅(qū)動一臺單輸入雙輸出齒輪裝置。該齒輪裝置的一個輸出端驅(qū)動一臺18.3兆瓦交流推進發(fā)電機, 而另一個輸出端以900轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速運行并與4000千瓦、8極、450伏、3相交流船舶日用發(fā)電機相耦合。船舶日常用電系統(tǒng)可由此獲得大部分電力。出航時, 出航燃氣輪機以3600轉(zhuǎn)/分恒速運行, 出航推進發(fā)電機和巡航日用發(fā)電機的輸出功率為恒定60赫。出航推進發(fā)電機的電力按規(guī)定路線傳送給兩個功率控制器。這兩個功率控制器可將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電動機上。因此, 電機可正、倒車任一方向驅(qū)動定距槳。緊急倒航時, 動態(tài)制動電阻瞬時跨接到電動機繞組兩端, 以便吸收螺旋槳軸的功率。因為兩個功率控制器是獨立配置的, 所以在純?nèi)刂葡? 兩個推進軸能以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn), 甚至能以相反方向旋轉(zhuǎn)。高速運行時則應(yīng)使用兩臺加速燃氣輪機投入運行。因為巡航LM一2500燃氣輪機單獨運行僅能使船速達21節(jié)而這時對應(yīng)的功率控制器輸出頻率為42赫, 電動機轉(zhuǎn)速為115轉(zhuǎn)分。為了進一步增加船速, 須將兩個加速機組升到42赫并與其各自的功率控制器的輸出同步。然后, 可使發(fā)電機頻率和功率控制器同步升到60赫。這時所對應(yīng)的每軸軸速為164轉(zhuǎn)/分,功率為34500馬力。采用這種運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, 首先借助向動態(tài)制動電阻反饋所產(chǎn)生的負轉(zhuǎn)矩使螺旋槳幾乎停車。然后功率控制器改變接入電動機的三相交流相序電動機反轉(zhuǎn), 從而實現(xiàn)緊急倒航。其船舶推進系統(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，還有電動機調(diào)速電路、電動機脈沖編碼器測速電路和電動機溫度檢測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機電流和轉(zhuǎn)速的模擬量信號至電表。

圖4 推進控制系統(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、停止、變向、加速、減速5個按鈕操作，在柜子面板上還有一個遙控和就地操縱轉(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)計了較多的電路環(huán)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)置了一個聯(lián)動和分動操縱轉(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)計放在駕控臺上，可實現(xiàn)用一個操縱器操縱兩套裝置的目的。

其主要的推進控制系統(tǒng)框示意圖如圖4所示。

3 結(jié)束語

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