基于中頻化的船舶電力系統研究

何首賢，苗百春

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基于中頻化的船舶電力系統研究

何首賢，苗百春

（大連海洋大學 職業技術學院，遼寧大連 116300）

為了解決現代船舶由于設計復雜造成的電力系統質量過大，空間及電站容量不足等缺點，給出了解決方案。闡述了基于400 Hz中頻化船舶電力系統在節約質量、空間等方面問題的分析和研究。

船舶電站 船舶電力系統 中頻化

0 引言

隨著我國船舶行業的飛速發展，造船技術的提高，對船舶的功能要求日益增加，其內部組成愈加復雜。船舶電站的技術水平和運行的可靠性對于整艘船的安全可靠性和航行的經濟性起著舉足輕重的地位[1]。舊型船舶一般很難達到這些要求。建造設計先進的船舶，主要特征是，動力裝置應能提高到100 000SHP,而質量和空間要小。為了達到這個目的，采取下列措施：減小設計余量、消除逐級保留設計余量、降低安全系數、高轉速、高壓和高頻、采用優質材料。本文闡述采用提高頻率和轉速在現代化船舶的建造中的應用。

1 最佳電站的分析及選擇

目前民用船舶和艦艇都采用交流電，電力系統運行的質量指標是電壓和頻率，電壓等級是低壓，頻率選擇廣泛采用50 Hz或60 Hz[2]。通過各種方案的比較，選擇1000 V，400Hz的電站。在方案比較時各主要元件的估計質量見表1。因為適用于1000 V使用的設備研究費用較大，小負載120 V，400 Hz照明系統通過1000 V/120 V單獨變壓器提供。某些負載例如加熱器，炊具設備等按其所需電壓也由單獨變壓器提供。頻率400 Hz和電壓1000 V在各種岸電電站中不易得到，于是備有一套接岸電的電動發電機組。發電機定額是250 kW，1000 V，400 Hz，電動機定額是440 V，60 Hz，三相。電站包括兩臺600 kW的汽輪發電機組。一臺是由20 00l bf/in2，1 050 °F的汽輪機所拖動，轉速為24 000 r/min，直接耦合使機組結構緊湊，并采用靜止的勵磁系統。另一臺由8 15l bf/in2，1 045 °F的汽輪機拖動的，轉速為12 000 r/min，并直接耦合，帶有旋轉勵磁機。此外尚有兩臺1000 V，400 Hz三相應急發電機。一臺是燃氣輪機拖動，另一臺是由柴油機拖動。除汽輪機拖動的給水泵和主鼓風機外，所有的泵和其他輔機均由950 V，400 Hz電動機拖動。

整個電力和照明系統，由于采用1000 V，400 Hz而不采用450 V，60 Hz電動機拖動。其結果是實際空間和質量節約了，見表2。大約15%總質量的節約可歸功于設計先進，5%是歸功于電壓從450 V提高到1000 V，其余的11.5%是由于增加頻率的結果。

表1 船舶電站方案質量比較匯總表

表2 電站實際質量和空間

2 400 Hz中頻對電氣設備的影響

2.1 汽輪發電機和燃氣輪機發電機

提高頻率也就提高了發電機可能達到的最大轉速，從而有可能對于汽輪機和燃氣輪機驅動的發電機取消減速箱，結果減小了機組的質量。表3【3】表明頻率提高對汽輪發電機質量和尺寸的影響，將舊船舶設有的400 kW，60 Hz的汽輪發電機和新型船舶上設有的600 kW，400 Hz的汽輪發電機相比較，顯而易見，400 Hz發電機的質量大約為60 Hz的三分之一，而其容量增加50%。表4給出舊型船舶上裝設的應急柴油發電機與裝在新型船舶上的燃氣輪機發電機和柴油發電機的比較。

2.2 電動機

提高頻率同樣提高了電動機的最大轉速，因此400 Hz電動機的質量比60 Hz要輕。30 Hp，400 Hz，12 000 r/min的電動機較30 Hp，60 Hz,12 000 r/min電動機質量節約88.5%。15 Hp，440 V，3相，60 Hz，3 600 r/min的艦用電動機質量為320l b，而15 Hp，950 V，3相，400 Hz，8 000 r/min的艦用電動機質量只有64l b。但在新型船舶上，僅風機和幾臺泵是直接由8，6和4極電動機拖動的，接近有50%的輔機是由電動機通過齒輪箱以傳統的速度來拖動的。

由于400 Hz的電動機中選用了導磁性能好的硅鋼片和減少了硅鋼片的厚度，因此400 Hz電動機的鐵損耗和效率與60 Hz相同功率定額的電動機大致相同。

2.3 變壓器

提高頻率使變壓器的磁通量降低，從而有較小的鐵芯尺寸。見表5表明60 Hz，80℃和400 Hz，150 ℃溫升的變壓器比較。可見400 Hz變壓器較60Hz變壓器減輕質量60%左右。

表3 汽輪發電機的比較數據

注：1lbf=6894.76pa

表4 柴油發電機與燃氣輪機發電機的比較數據

表5 60 Hz,80℃和400 Hz,150℃溫升的變壓器比較

注:1lb=0.453kg;1in=0.0254m

2.4 開關及控制設備

經試驗，以確定提高頻率對斷路器和其它開關器件的影響。試驗證實，標準的500 V，60 Hz框架尺寸和電流定額的斷路器用于400 Hz，500V是很滿意的，斷路器在400 Hz和60 Hz時極其可能具有相同的分段能力。由于頻率的提高對配電板元件質量的影響并不明顯，因此，事實上配電板的外形尺寸和質量與60 Hz配電板并無多大差異。

由于400 Hz電動機的啟動電流高于60 Hz電動機的啟動電流，同時400 Hz電動機的散熱面小，因此電動機的過載元件要求動作更加的迅速，因此必須新設計400 Hz的過載繼電器。

2.5 電纜

提高頻率對電力和照明電纜有兩方面影響：第一，對200000圓密爾或以上的電纜，電流定額減少了10%～30%；第二，由于電纜阻抗增加了，從而電壓降增加。因此，400 Hz系統中電纜的質量比60 Hz同樣電壓的電纜大。

2.6 照明設備

船舶照明系統中的主要用電設備包括：航室照明燈、艙面工作強光照明燈、探照燈、航行信號燈和低壓行燈等[4]，照明設備較多，400 Hz的熒光燈亦能節約質量和空間。這是由于400 Hz鎮流器的尺寸大約是60 Hz鎮流器的1/4，而質量還不到50%。此外，應用400 Hz電力能提高熒光燈的效率和減少閃光現象。

3 結論與探討

船舶引入400 Hz中頻化，可以節省大量的質量和空間，為船舶實現復雜功能提供了一定的保證，中頻化在船電技術上是一個突破，通過許多船只使用經驗和試驗得來的技術信息已被吸收到航空母艦上為飛機啟動和服務的系統中。但是，高速、高溫對軸承和其他機械也帶來了不少困難。例如：目前，電機內部的冷卻介質是空氣，電機的溫升與內部空氣流動的方式有著密切的關系[5]。然而400 Hz電動機的尺寸小，有較小的熱容量，在較高溫度和速度下運行，發生過不少軸承損壞事故。因此該項技術需要其他技術的支持，進一步研究和探討。

[1] 陳剛. 船舶電氣[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[2] 姜平, 李功宣. 船舶現代化改造技術和方案[L]. 中國修船, 2002,5.

[3] 章以剛. 船舶供電系統和裝置[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2007.

[4] 劉國平. 船舶電氣與通信[M]. 北京: 海洋出版社, 2010.

[5] 戴玥. 論電機滑動軸承潤滑方式與風路結構的關系. 上海大中型電機, 2008, 4.

Research on Ship’s Power System with Medium Frequency

He Shouxian, Miao Baichun

(Vocational and Technical College, Dalian Ocean University , Dalian 116300, Liaoning, China)

U665.12

A

1003-4862（2014）2-0032-03

2013-06-28

何首賢(1955-)，男，教授，高級工程師。研究方向：船舶供配電技術。