吸盤式挖泥船全電力驅動系統設計

劉建設，王永興

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吸盤式挖泥船全電力驅動系統設計

劉建設，王永興

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文根據某吸盤式挖泥船的使用要求，設計了全電力驅動系統方案。對配電系統方案、變頻驅動系統方案和諧波處理方案進行了詳細分析。與當前典型的挖泥船變頻驅動系統方案相比，本文提出了一種新的更加經濟的系統方案，并在實船已成功應用。

挖泥船 電力驅動 諧波 配電

0 引言

隨著電力電子及變頻調速技術的快速進步，船舶電力推進技術得到了迅速發展，目前電力推進船舶在科考船、工程船、海工船、游船、漁船等領域都已得到廣泛應用。

對于需要大量電力應用且要求有自航能力的工程船舶，由于作業工況時一般船舶航速較低，在高速航行時，作業設備所需功率又較小，因此非常適用于采用全電力驅動方案。此時電力可以在作業設備和推進器之間進行復用，降低全船總裝機功率。

具有自航能力的挖泥船具有上述特點，近些年采用全電力驅動方案的挖泥船數量也越來越多，全電力驅動船舶在挖泥船清淤疏浚作業中體現出了更好的經濟性、船舶機動性和可靠性等優點。

本文研究對象為一艘應用于漢江航道搶通疏浚的吸盤式挖泥船。吸盤式挖泥船由于具有航行、推進挖泥、絞進挖泥等多種運行工況，挖泥設備和推進設備在不同工況時所需功率也在不斷變化。根據系統負荷計算結果分析，本船提出一種新型的全電力驅動方案。

1 系統方案設計

1.1船舶概述

本船滿足內河B級航區要求，推進系統采用電動機驅動方式，推進電動機功率為2×132 kW，通過減速齒輪箱驅動定距槳。

主要負載功率：泥泵電動機功率為315 kW，沖水泵電動機功率為200 kW。

發電機組：3×300 kW（2用1備）。

主要工作工況：

邊拋工況：邊低速航行邊挖泥，并向舷側拋泥；

艉吹工況：2臺艏液壓絞車和2臺艉液壓絞車絞進挖泥，并通過艉吹管向遠處吹砂；

調遣航行工況：航行時挖泥設備不工作。

1.2系統方案

1.2.1配電系統方案

電站負荷較小時，主電網電壓一般有690 V和400 V兩種配置方案。主要從以下方面進行選擇：

電站負荷：本船發電機組配置為3×300 kW，由于電站功率相對較小，采用400 V電制，所選配電板開關的額定電流和短路電流也較小。同時相對于690 V電制，減少了2臺690 V/400 V變壓器和變壓器的進出線開關等，使用和維護工作量減少，成本降低。

400 V負載開關數量：考慮負載開關數量主要是因為短路電流過大，可能導致開關選型時需選擇分斷能力大一檔的開關。如開關數量過多，則會導致成本增加。本船通過短路計算，短路電流較小，不會因此導致開關成本增加。

諧波：選用690 V電網時，由于增加了690 V/400 V變壓器，可以降低變頻系統對400 V電網的諧波影響。本船通過對變頻系統進行合理設計和選型配置，即使變頻系統直接連接到400 V電網，對電網的諧波干擾也能很好的控制在規范要求的范圍內。

結合以上分析，本船配電系統主電網電壓采用400 V。

1.2.2變頻驅動系統方案

1）現有挖泥船電力驅動系統方案

針對推進系統和疏浚系統均采用變頻驅動的挖泥船，目前變頻驅動系統主要有以下兩種配置方案：

方案1：如論文1[1]中所述，系統結構示意圖如圖1所示。系統有3臺發電機組供電，左推進電機和絞刀電機共用一套移相變壓器和變頻器，右推進電機和水下泵電機共用一套移相變壓器和變頻器。根據使用工況，推進系統和疏浚系統分時復用移相變壓器和變頻器，從而節約設備資源配置，節約系統成本。

方案2：如論文2[2]中所述，系統結構示意圖如圖2所示。系統有3臺發電機組供電，2套獨立的變頻推進支路通過移相變壓器連接到船舶電網。疏浚系統中艙內泥泵電機和高壓沖水泵電機通過共直流母線形式連接。為提高系統的生命力，疏浚系統變頻器通過兩臺移相變壓器分別連接到主配電板左/右母排。

方案1的設計針對對象為一艘絞吸式挖泥船，使用工況中推進系統和疏浚系統不會同時工作，因此可以采用變頻器分時復用的方式。方案2的設計針對對象為一艘吸盤式挖泥船，具有推進挖泥工況，因此推進系統和疏浚系統需要滿足同時工作的要求。

圖1 某絞吸式挖泥船系統結構示意圖

圖2 某吸盤式挖泥船系統結構示意圖

2）本文電力驅動系統方案

本船推進電機額定功率2×132 kW，泥泵電機額定功率315 kW，高壓沖水泵電機額定功率200 kW。根據系統提供的負荷計算書，邊拋工況時，每舷推進電機功率約55 kW，泥泵電機功率約180 kW，高壓沖水泵功率約170 kW。結合本船疏浚系統的負載特點，本文提出一種所需設備更少、經濟性更強、設備布置、使用維護更加方便的系統方案。如圖3所示。

本方案中變頻器采用共直流母線形式，左推進電機和泥泵電機共同連接至左舷變頻器直流母線，右推進電機和高壓沖水泵電機共同連接至右舷變頻器直流母線。

該方案較好的滿足了邊拋工況推進系統和疏浚系統同時運行的要求，同時整個支路共用一套變壓器和整流單元，極大了節約了成本。

圖3 某吸盤式挖泥船系統結構示意圖

1.2.3諧波處理方案

目前船舶應用比較廣泛的諧波處理方案是多脈沖整流和有源前端整流。

多脈沖整流如12脈沖整流是通過12脈波（3繞組）整流變壓器與兩組三相整流橋一起構成12脈波整流。用來減小由于二極管整流前端諧波過大，減小諧波對電網的影響[3]。

圖4 12脈沖整流器

采用多脈波整流技術，可以有效地降低諧波。在船舶電力推進應用中，通常每一舷推進系統采用12脈波整流，左右舷整流變壓器再移相15度（各移相7.5度），構成虛擬24脈波整流。通過這種方式可以將電壓諧波THDv降低到5%以下，滿足規范及使用要求。

多脈沖整流是一種最常用的諧波處理方式，具有結構簡單、可靠性高、性價比高特點。

有源前端與變頻器的輸出逆變部分(逆變器)結構一樣，使用IGBT或IGCT等全控器件組成三相橋式結構，如圖5所示。

與有源前端整流方式相比，多脈沖整流由于多了移相變壓器，因此體積和重量偏大。但從經濟性和應用成熟度考慮，多脈沖整流方案成本相對低廉，同時采用虛擬24脈沖整流方案，又能保證諧波含量不會超標，在船舶上應用比較廣泛。

本船選擇如圖3所示的24脈沖整流方案。如下圖6~8為采用ETAP軟件進行航行工況、邊拋工況、艉吹工況時諧波計算的結果。可以看出電壓諧波值較低，滿足規范要求。實船測試結果與計算值一致。

圖5 有源前端變頻器

圖6 航行工況電網總電壓諧波含量

圖7 邊拋作業工況電網總電壓諧波含量

圖8 艉吹作業工況電網總電壓諧波含量

3 結束語

電力推進船舶已成為未來船舶的發展趨勢，越來越多的挖泥船已采用電力推進方式。將挖泥船疏浚系統和推進系統綜合一起，采用全電力驅動方案能夠極大的降低全船裝機功率，節約系統成本。本文針對某吸盤式挖泥船系統方案進行了分析，提出了一種新的變頻驅動系統方案。該方案經濟性更強、設備布置和使用維護更加方便。

[1] 黎鵬飛, 陶勇, 蔣煒. 自航絞吸式挖泥船綜合電力推進系統設計[J]. 船電技術, 2016, 36（5）: 24-27.

[2] 韓龍, 張海榮, 邰泉靈. 吸盤式挖泥船采用全電力驅動系統論證[J]. 船舶電氣與通信, 2013, 24（2）: 60-64.

[3] 孟得東, 王力. 綜合電力推進系統諧波分析的仿真計算[J]. 船電技術, 2013, 33（8）: 43-48.

Design of All-electric Driven System for Dustpan Dredger

Liu Jianshe, Wang Yongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U664.14

A

1003-4862（2018）02-0022-03

2017-11-16

劉建設（1985-），男，碩士。研究方向：電力推進系統。Email: 18627078829@163.com