船舶電動機的節能技術探討

卓土墻

摘 要：船舶運行所需能耗較大，基于節能降耗理念，需要在現有基礎上針對其電動機節能技術進行研究，做好運轉方法與運行參數控制，在不影響運行效率的前提下，降低船舶運行能耗。對電動機進行節能設計，一般可以從三個方面來進行，即提高電動機效率、應用合適運轉計劃圖表以及最佳軸輸出功率等，在實際設計中應基于船舶電動機運行特點來確定優化方案，達到節能目的，文章對此進行了簡單分析。

關鍵詞：船舶；電動機；節能降耗

船舶運行成本較高，運行能耗大，雖然有更多新型技術與設備被應用其中，想要完全實現節能降耗目的，還需要針對電動機運行能耗進行分析，采取有效措施來對其進行節能設計。

1 船舶電動機節能分析

電動機為船舶主要直接用電負荷，提高其運行效率，是實現船舶電氣系統節能降耗的主要措施之一。就船舶運行特點來看，大部分輔機系統均處于連續運行狀態，包括主軸滑油泵、冷卻水泵、空調壓縮機以及通風機等，為維持各系統正常運行，電動機需要穩定運行，通過對其運行效率的優化，可以在持續運行時間內，節省大量電能。在實際航行中因為工況不斷發生變化，電網電壓也會不斷變動，使得各系統運行輸出功率大于額定功率，電動機效率急劇降低，造成更多電能損耗。現在對船舶電氣系統進行節能設計，對促進行業的進一步發展具有重要意義，例如近年來迅速發展的永磁同步電動機，可以有效解決上述問題，電動機運行效率更高，在維持各項輔機系統運行的同時，減少電力損耗。

2 船舶電動機節能技術要點

2.1 電動機變速運轉

2.1.1 電動機作用

船舶電動機主要用于驅動泵類以及風機等轉速穩定的電動機；以及甲板機械類電動機的驅動，包括起錨機、系泊絞車等，且為了可以在低速狀態下發出轉矩，應盡量選擇應用變極式電動機；還可以用于驅動甲板機械類起重機械，以及電力推進裝置等轉速要求嚴格的電動機。

2.1.2 運轉方式選擇

（1）變速運轉。為達到節能降耗效果，可以設計泵類與風機等應用變速運轉方法。船舶電氣系統內，使用泵類與風機的設備數量較多，一般應用交流異步電動機提供動力，電動機維持穩定轉速持續運行，在負載發生變化，出現低負載或者過負載情況時，能夠對風門和閥進行調節滿足負載變化要求，但是會造成一定損失。為減少此損失降低電力損耗，便可以選擇減速運轉方式。根據被驅動機械運轉方式和設備為依據進行選擇，例如輔助鍋爐應用鼓風機，船舶航行與裝貨時，可以滿足風量和風壓大幅度變動要求，并且如果選擇而應用二級控制方法，還可以應用變極式電動機來提高節能效果。

（2）機組控制。驅動甲板機械用電電動機變速運轉模式現在已經被廣泛的應用到船舶電氣系統建設中，選擇應用變極式電動機，實現電動機-發電機控制方式。變極式電動機變速模式雖然運行成本低，但是并不適用于大容量電動機，且控制效果不佳，基于起重機種類差別，應選擇應用直流電動機來進行細微控制，提高控制效果。直流電動機正常運轉狀態下，將直流可變電壓作為電源，并配置電動機-發動機，實現系統正常運行。并且，現在已經有大功率電子元件的應用，可以更有效的實現從交流電源中產生直流可變電壓。

（3）其他運轉。直流電機在船舶電氣系統中的應用，換向器在持續運行過程中，受電刷影響會降低線圈絕緣性，對電動機運行效率產生影響。而同步電動機的應用，完全可以避免此問題，其可硅控整流器運轉，并且具有有直流電機相同的控制效果。與電動機-發電機方式相比，可控硅發電機電動機組控制方式效率更高，在節能設計中具有更大優勢。

2.2 高效率電動機選擇

2.2.1 電動機效率

船舶電動機需要維持連續運轉狀態，通過提高其運轉效率，便可達到節能效果。現在絕緣技術水平不斷提高，元件體積不斷縮小，旋轉機械也實現了小型化生產，為減少電動機內部損耗，就需要對電工材料特性進行綜合分析，保證所選鐵芯材料質量優良，同時在原有生產制作工藝上進行更新優化，爭取提高各元件制作效率，滿足電動機節能優化要求。

2.2.2 軸輸出功率

對電動機進行節能設計，另一個要注意的問題就是負載選用電動機最佳額定功率的確定，一般電動機效率在額定功率75%～100%負載下運轉時最高，如果處于低負載狀態下運轉，則會導致效率較低，產生較大損失。因此需要對軸輸出功率進行分析，選擇高效率電動機，保證其即便是處于低負載狀態下，也可以保證較高的效率。基于負載容量、最大轉矩以及啟動轉矩等因素進行綜合分析，保證所選電動機效率可以滿足節能運行需求。

3 船舶異步電動機變頻調速節能技術

對于船舶動力裝置來說，存在大量風機、水泵類負載，基本上均選擇用鼠籠式異步電動機拖動，為達到節能效果，其電動機便可選擇應用變頻調速、轉差離合器控制調速以及調壓調速等調速方式進行優化。其中，變頻調速可以對同步轉速進行調整，更適于轉速降低時狀態，在風機、水泵系統中應用具有良好效果。以某輪艙底水泵為例進行分析，其水泵型號為CB65，流量為68m3/h，壓力為0.223MPa，電動機型號為J02-61-2-H/D2，額定功率為18kW，額定轉速為2950r/min，額定電壓為380V。配備ACS 800-01-0003直接轉矩控制變頻器，不同流量調節方法效率曲線如圖1所示。其中水泵型號為CB68，流量為65m3/h，壓力為0.228MPa，電動機型號為J02-61-2-H/D2，額定功率為18kW，額定轉速為2950r/min。

由圖可知，流量比小于80%時，應用變頻調速方式進行流量控制，與其他調控方法相比，功率損失比最小，具有最好的節能效果。同時，基于流量調節時水泵會有揚程變化，還需要對不同實需流量和實需揚程下節電率數據進行綜合分析。其中，將節電率與系統內裝設出口調節閥情況進行對比，實需流量百分比數據與實際計算流量和水泵標稱流量進行對比，實需揚程百分比數據將實際計算泵揚程與水泵標稱揚程進行對比，確定水泵流量與揚程均存在一定富余量時，節能效果更為明顯。

4 結束語

船舶電氣系統需要長時間持續運行，整個航程運行產生的能耗巨大，為實現節能降耗設計，就需要重點做好電動機分析，選擇高效率電動機的同時，根據實際情況確定運轉控制方法，并應用變頻調速手段，來達到節能降耗目的。

參考文獻

[1]陽世榮.船舶輔機節能控制與管理技術研究[J].中國造船，2012（S1）：226-232.

[2]陽世榮，王云鶴，吳團結，等.船舶輔機電氣設備節能技術研究[J].電氣技術，2010（08）：182-184.