艦船電力推進用發電機/電機驅動器集成優化

雷 津 吳大立

（1. 海軍駐719所軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

1 引言

近年來，電力推進技術在船舶中獲得了越來越多的應用。在電力推進系統中，動力源（如柴油機和燃氣輪機等）不直接推動螺旋槳。而是驅動大功率發電機為推進電機供電繼而推動螺旋槳，與傳統的機械推進相比，電力推進主要有如下優點：

1）布置靈活。允許將推進系統的很大一部分布置在遠離螺旋槳軸線的地方。提高了總體布置效率。

2）系統效率高。可以用幾臺較小功率的原動機代替一臺大功率的原動機，依靠電能管理系統合理的調配全船電能需求，使得各原動機運行在有最佳效率的額定工況附近，以節省燃油，提高系統效率。

3）系統集成度好。對于有著大量生活設施和武器系統電負荷的艦船來說，采用電力推進可使原來分離的艦船推進和艦船電力系統這兩大動力系統得以集成。

電力推進系統主要包含四大部分：原動機（柴油機、燃氣渦輪、蒸汽渦輪）、發電機、電機驅動器和電動機。由于操作和控制上的關系，常將原動機和發電機看成一個子系統和一個商品單元。而將電機驅動器和電動機視為另一個子系統，兩個子系統之間通過發電機和電機驅動器進行連接。一般，系統優化設計常分別單獨在子系統中展開，兩個子系統之間的優化設計通常探究不多。而事實上，針對發電機與電機驅動器的特點，從系統角度對其進行優化設計將頗具意義，下文對這一問題進行探討。

2 發電機/電機驅動器集成優化設計

目前艦船上使用的發電機大多數是典型的交流同步發電機，并使用電勵磁的方式進行電壓控制。當然發電機使用永磁鐵代替電勵磁的方式也是可行的，但永磁發電機只有固定勵磁，給控制發電機電壓帶來了一定的困難，這將影響電力系統的設計。本文主要討論電勵磁式渦輪轉子發電機，因為它滿足高功率密度艦船電力推進系統所需的功率等級和轉速要求。

電力推進系統通常包括一個或幾個與電機驅動器相聯的調速電動機，這些電動機既可以安放在艙內也可以安放在艙外。通常使用的電機驅動器有四種基本形式，包括直流驅動器、周波變換器、電壓/電流源變換器和脈寬調制交流驅動器。由于直流電動機換向器的設計限制，直流推進系統一般在5 MW等級范圍內。對于周波變換器，其輸出電源品質的提高會增加輸入電源頻率，但輸入與輸出頻率之間比值的增加會使發電機的功率因數降低，這就意味著要求有特別高的發電機容量等級和尺寸。電壓/電流源變換器可與同步發電機一齊使用，通過選擇發電機的相數和電壓等級優化整流器直流輸出電壓諧波，進而減小對專用濾波器的需求。近年來的大多數電機驅動器采用脈寬調制技術，通過對交流輸入進行整流和濾波從直流總線中建立電壓波形。這些驅動器為發電機的優化提供了機會。

2.1 多相發電機

幾乎所有的交流電源變流器都要求在其輸入端有多個隔離的電壓源。獲得這些低壓、相移電源的傳統方法是通過一個特殊變壓器來實現的。該變壓器初級繞組是一個標準的三相繞組，次級繞組是幾個特定相差的三相繞組。圖1是傳統電力推進系統組成示意圖。它由三相發電機、斷路器、變壓器和電機驅動器組成。這種方法按照標準三相發電機的頻率運行，頻率越高，變壓器的重量和體積越小。發電機的輸出通過一個斷路器，在系統故障的情況下對其實施保護。斷路器的輸出連接到一個變壓器，變壓器原邊使用三相電源，并用若干相移次級繞組作為變流器轉換模塊的隔離電源。

圖1 傳統電力推進系統組成

如圖2所示，多相發電機將變壓器的功能融入到發電機設計中，由發電機直接提供所需的若干隔離電壓源。這種方法取消了變壓器，能大大節省系統尺寸和重量，提高了系統的可靠性和效率，減少了設計過程中必須處理的可能產生的噪聲源數目。多相發電機有著常規的設計特征和制造結構。它的轉子采用高速設計，由單個鍛件加工而成。轉子的磁極數由電機驅動器要求輸入頻率和原動機的轉速確定。定子由安裝在發電機內部支撐結構中的常規疊片和線圈制成。與常規三相發電機相比，多相發電機有更多數量的定子槽和線圈，同時需要有更多數量的連接環和端部導體將電流引出到電機外部。輸出需要完全隔離，這就要求把相繞組的兩端都引到設備之外。

圖2 無變壓器電力推進系統組成

2.2 高頻發電機

現代高轉速燃氣輪機和蒸汽輪機因其緊湊的結構和高功率密度，成為艦船全電力推進用原動機的一個有吸引力的選擇。使用高轉速渦輪機直接驅動交流發電機是十分理想的選擇，這將省去重且貴的變速齒輪箱。高轉速直接驅動交流發電機比常規工頻發電機要小很多。通常轉速越高頻率也越高。同步發電機的頻率 f（Hz）按下式計算：

其中，N為轉子轉速（rpm），P為磁極數。對一個常規60 Hz發電機來說，其磁極數和轉速必須互相匹配，例如：2極和3600 rpm或4極1800rpm。如果頻率不受常規60 Hz的限制,則可自由選擇發電機的極數使發電機和系統的重量及尺寸最優化。例如：將一個2極（60 Hz）的電機設計成為一個4極（120 Hz）或8極（240 Hz）的電機，那么一些優勢將體現出來。

通常的設計趨向于選擇高磁極數電機，因為它們同2極電機相比，具有體積小、重量輕且噪音低的優點。這種優勢來自于當磁極數增加時發電機幾何尺寸設計的改變，即當一臺電機的磁極數增加而轉子直徑保持不變時，磁極斜度將成比例地減少。對于普通的徑流式氣隙發電機，定子鐵芯的厚度與磁極斜度成比例。保持磁通量恒定的情況下，磁極斜度地減少使定子鐵芯徑向寬度或厚度成比例的減小，鐵芯重量減少。另外，當磁極數增加時，發電機的總長度將減小。圖3給出了 3600 rpm三相交流同步發電機不同磁極數下的發電機尺寸與重量的研究結果。等級為 20 MVA、功率因數0.9的發電機可以輸出的最高電壓可達6.9 kV，實際電壓可以根據推進電動機的要求來選擇。將磁極數從2增加到8，可以節省大約25000 kg的重量，長度減少0.88 m。由于受到定子鐵芯厚度最小尺寸和最小氣隙的限制，對于這樣尺寸的電機，繼續增加磁極數不會使功率密度額外增加。

圖3 20 MVA、3600 rpm三相交流同步發電機在不同轉子磁極數下的總重量和總長度

因為振動頻率較高，定子鐵芯剛度較高和軸承間距離較短等這些因素，使高磁極數的發電機的振動一般比較小。從系統角度出發，高磁極數的發電機所提供的頻率越高，系統組件尺寸重量越小。如果發電機在輸出位置使用轉換器，所增加的頻率將導致其尺寸的減小。

同樣，可以通過增加轉子的轉速來提高發電機的功率密度。著名電機方程式：

公式描述了輸出功率 Pa和電機主要設計參數之間的關系，其中：

ξ---線圈因子（無單位）；

A---電樞表面的電流密度（電負荷）（A/m）；

B---最大氣隙磁通密度（磁負荷）（T）；

D---轉子直徑（m）；

L---定子鐵芯長度（m）；

N---轉速（rpm）；

K、K1---轉換因子。

定義轉子端部或表面轉速St：

將 L作為一個長度單位，則（2）式可改寫為：

提高發電機的轉速使其端速增加，從而增加發電機單位長度的功率，只要端速不超過設計最大值。通常實心渦輪式轉子的最大端速約為 250 m/s，對于常用于低速領域的繞組磁場凸極式轉子，其最大端速約為150 m/s。

圖4給出了當保持發電機的磁極數為4不變，通過增加轉速來提高發電機頻率時，發電機尺寸與重量的研究結果。可以通過減小定子鐵芯長度L同時成比例增加轉速的方式，保持發電機等級（20 MVA、0.9）不變。發電機的電負荷和磁負荷的乘積AB同樣保持恒定，這個值有時被稱為氣隙剪切應力，通常由發電機的類型和冷卻方式來設定。當轉速從3600 rpm增加到7000 rpm時，發電機重量減少約16000 kg，長度減少1.8 m。

2.3 集成整流器的發電機

有些電力推進系統的設計把電機驅動器的輸入電源由交流改成了直流電源。通過在前面已介紹過的高功率密度發電機上集成安裝整流器模塊，調整發電機設計使其為電機驅動器直接提供直流電源，使系統得以獲益。圖5是一臺空冷式渦輪轉子整流發電機典型結構。轉子是通過用無磁定位環把轉子和線圈支撐起來的方式進行單塊鑄造。旋轉二極管式無刷勵磁系統給轉子線圈提供勵磁電流。定子用一個由端部軸承支架制成的外部剛性支架支撐，軸承是壓力潤滑軸頸軸承。發電機對轉子采用內部空氣循環冷卻方式，在頂部安裝一個空氣-海水熱交換器。二極管整流器或整流模塊直接集成安裝在發電機頂部，與之共用支撐系統、冷卻系統與減振器，省去附加殼體和機件的額外重量，以提高發電機功率密度。另外，通過與整流器相連接，發電機可以在接近功率因數1處運行，有利于降低容量等級進而減小其尺寸。

圖4 20 MVA、4磁極三相交流同步發電機在不同轉速下的總重量和總長度

圖5 集成整流器的電力推進發電機

從系統的角度出發，發電機的轉速可以在發電機本身的尺寸優化、原動機的轉速優化和電機驅動器的要求間折衷選擇，而不必考慮某個轉子磁極數下發電機是否輸出了一個特殊電源頻率。發電機的電壓應與電機驅動器相匹配，同時可以選擇發電機的相數來使直流輸出的諧波波動較小，進而減少對專用濾波器的需求。表1提供的數據說明了發電機的相數對直流電壓波動大小的影響。發電機高品質的直流輸出可以方便與蓄電池組連接，為系統提供備份電力。

表1 直流輸出品質與發電機相數的關系

3 結論

在發電機/電機驅動器的優化設計過程中需考慮很多因素。首先應確定電機驅動器的電路拓撲結構，而驅動器的電路設計是源自對電壓、功率和輸出品質的特殊要求。設計的初始階段應權衡研究使用非傳統參數對發電機的好處，包括運行頻率和輸出電壓等級對重量、體積、振動、絕緣要求以及變流器的影響。這項工作應從全局的角度，將變流器電路、原動機和發電機作為一個大系統進行優化設計。

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