陶佳欣 王西田

（上海交通大學(xué) 電氣工程系 上海200240）

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

陶佳欣 王西田

（上海交通大學(xué) 電氣工程系 上海200240）

通過(guò)對(duì)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)介紹，闡述了船舶電力推進(jìn)的適用性、推進(jìn)形式的分析比較及應(yīng)用范圍，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成中所涉及的一些主要問(wèn)題進(jìn)行分析比較與綜合評(píng)估，為船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用選型提供了參考。

船舶綜合電力推進(jìn)；變頻器；推進(jìn)器；電壓等級(jí)

引 言

船舶電力推進(jìn)與傳統(tǒng)的機(jī)械式推進(jìn)相比，具有控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、振動(dòng)小、噪聲低、污染排放少、艙室布置方便、全壽期費(fèi)用較低等特點(diǎn)。隨著電力電子器件和各種調(diào)速變換器技術(shù)的進(jìn)步及取得的重大突破，10 MW級(jí)以上的各種交流電機(jī)調(diào)速變換器已獲得成功應(yīng)用。電力推進(jìn)不僅在商船上成功應(yīng)用，發(fā)達(dá)國(guó)家海軍也陸續(xù)使用［1-2］?？梢詳嘌?，隨著時(shí)間的推移和新技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步，電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，所以船舶電力推進(jìn)的前景十分廣闊。電力推進(jìn)系統(tǒng)一般包括發(fā)電機(jī)組、配電板、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)、PMS能量管理等設(shè)備，對(duì)于船舶總體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是要通過(guò)選用合適的設(shè)備構(gòu)建一個(gè)滿足使用要求的穩(wěn)定、可靠、優(yōu)化的系統(tǒng)。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于電力推進(jìn)的研究還處于起步階段，缺乏應(yīng)用和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，絕大多數(shù)電力推進(jìn)系統(tǒng)是由國(guó)外大公司推出方案并集成供貨。令人擔(dān)心的是這種狀態(tài)不盡快改變，將會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)不利的影響。目前國(guó)內(nèi)眾多科研院所對(duì)電力推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究并開(kāi)始進(jìn)入實(shí)際使用［3］，但相對(duì)國(guó)外的成熟的運(yùn)用，國(guó)內(nèi)還是處于起步階段，本文是針對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶總體設(shè)計(jì)進(jìn)行一些相關(guān)技術(shù)分析。

1 電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)相比，電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)艙和機(jī)艙內(nèi)設(shè)備布置靈活；

（2）優(yōu)異的操縱性；

（3）經(jīng)濟(jì)性好；

（4）可靠性高；

（5）噪聲和振動(dòng)??；

（6）節(jié)省空間；

（7）良好的水動(dòng)力性能。

2 船舶采用電力推進(jìn)適用性初探

基于上述的優(yōu)勢(shì)以及一些關(guān)鍵技術(shù)向縱深方向發(fā)展，近幾年國(guó)外電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用高速發(fā)展，大有在各船型上超越常規(guī)推進(jìn)的趨勢(shì)。這幾年，我國(guó)許多研究院所在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的研究工作也是蓬勃發(fā)展，但是由于國(guó)內(nèi)電力推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，很多關(guān)鍵設(shè)備還只能依賴進(jìn)口，系統(tǒng)的集成技術(shù)還得依靠國(guó)外著名大公司，使系統(tǒng)原本初投資偏高的矛盾更加突出，運(yùn)營(yíng)后的保障、維護(hù)成本和風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，作為總體設(shè)計(jì)不僅要重視電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于不同船型的適用性研究和概念設(shè)計(jì)，既要使我國(guó)的船舶設(shè)計(jì)緊跟世界先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的潮流，又要從本國(guó)國(guó)情出發(fā)，攜手國(guó)內(nèi)設(shè)備研制生產(chǎn)商走循序漸進(jìn)的科學(xué)技術(shù)道路。以下是電力推進(jìn)系統(tǒng)的一些典型應(yīng)用情況，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的適用性問(wèn)題進(jìn)行初步探索。

2.1 破冰船

破冰船在工作時(shí)，由于受冰的影響，推進(jìn)器可能會(huì)將高達(dá)200%的瞬間動(dòng)態(tài)負(fù)載加到推進(jìn)主機(jī)上，因此需要推進(jìn)裝置低轉(zhuǎn)速時(shí)能夠提供可控的高轉(zhuǎn)矩，而這恰恰是電力推進(jìn)系統(tǒng)的良好特性，所以電力推進(jìn)系統(tǒng)非常適合用在破冰船上。

2.2 豪華游輪和客滾船

對(duì)于這類附加值較高的船，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)偏高的初投資并非主要矛盾，而電力推進(jìn)系統(tǒng)（特別是吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)）具有振動(dòng)小、噪聲低、燃油費(fèi)用低、操縱性優(yōu)越、空間節(jié)省、冗余度高、安全性好等特點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)代客船是非常重要的。近年來(lái)吊艙式電力推進(jìn)裝置已經(jīng)成為豪華客船的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2.3 散貨船和油船

散貨船和油船等運(yùn)輸貨船以前很難證明采用電力推進(jìn)的合理性，因?yàn)閯?shì)必要較大幅度增加初投資費(fèi)用。然而有電力推進(jìn)研究報(bào)告指出：若將一艘36 000 t的成品油船由原來(lái)的低速主機(jī)與裝卸系統(tǒng)換成交—交電力推進(jìn)，則投資成本和運(yùn)行費(fèi)用都會(huì)降低，因此在運(yùn)輸船上也有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2.4 海洋工程類船

有很大一部分海洋作業(yè)船，如救生船、潛水作業(yè)船、布纜船、敷管船、供應(yīng)船、海洋鉆井船等，除航行推進(jìn)以外其他系統(tǒng)還需要功率較大的能源，而且與推進(jìn)不同時(shí)使用，例如動(dòng)力定位。這類船為避免設(shè)置兩套原動(dòng)機(jī)，采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是十分合理的。此外電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于海洋工程類船舶與一般柴油機(jī)直接推進(jìn)相比，具有操縱靈活機(jī)動(dòng)、正倒車方便、可長(zhǎng)期低速運(yùn)行、低速時(shí)推力大、加速性好等優(yōu)勢(shì)。

但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，即初投資較高且存在諧波干擾，對(duì)經(jīng)常裝有高精度測(cè)量?jī)x器的海洋工程船而言則是一個(gè)需要引起高度重視的問(wèn)題。

2.5 特種船舶

海洋調(diào)查船、測(cè)量船等船舶都裝備有多種聲學(xué)海洋測(cè)量?jī)x器設(shè)備，為保證聲學(xué)測(cè)量設(shè)備正常工作，對(duì)船舶的噪聲及振動(dòng)性能要求很高，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，不需減速齒輪，不存在減速器齒輪箱產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)；發(fā)電機(jī)組可安裝在減振效果很好的浮筏上，因此可大大改善船舶輻射噪聲水平。故電力推進(jìn)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于這類船舶。

此外，電力推進(jìn)系統(tǒng)布局靈活，對(duì)某些特種船的總體設(shè)計(jì)也很有意義。小水線面船若采用柴油機(jī)直接推進(jìn)，布置上將非常困難，而采用電力推進(jìn)系統(tǒng)就比較方便。

2.6 軍用艦船

高能武器和先進(jìn)探測(cè)設(shè)備的飛速發(fā)展，使艦船的電力負(fù)荷等于或大于推進(jìn)功率，而采用綜合電力系統(tǒng)的全電力戰(zhàn)艦可以滿足這樣的電力需求，供給高能武器和防御系統(tǒng)足夠的電力。研究表明，水面戰(zhàn)艦采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，主要是基于把初始采購(gòu)費(fèi)用及全壽命費(fèi)用降低到最低限度的考慮。此外，吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)可以減小船體阻力、減小噪聲和振動(dòng)、節(jié)省大量的船內(nèi)空間、提高船舶的操縱性和靈活性、具有高冗余度等特點(diǎn)對(duì)于海軍戰(zhàn)艦來(lái)說(shuō)具有非常重大的意義。當(dāng)然質(zhì)量輕、高功率密度、高效率、安靜、抗沖擊、高可靠性等戰(zhàn)艦的主要需求是實(shí)現(xiàn)全電力戰(zhàn)艦需要解決的問(wèn)題。

3 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的分析比較及應(yīng)用范圍

通過(guò)對(duì)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成的一些主要問(wèn)題進(jìn)行分析比較，以便更好地選擇其應(yīng)用范圍。

3.1 推進(jìn)器形式

電力推進(jìn)器的形式一般分為尾軸和全回轉(zhuǎn)舵槳型。

尾軸型是一種傳統(tǒng)的電力推進(jìn)形式，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝在船體內(nèi)，螺旋槳通過(guò)軸系由低速電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)或中高速電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速齒輪箱傳動(dòng)。軸系可長(zhǎng)可短，可采用定距槳和調(diào)距槳。其特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，但缺點(diǎn)是和常規(guī)的軸系推進(jìn)一樣，噪聲高、振動(dòng)大、效率低，有軸系和舵系的附體阻力，并需要較大的艙室空間和更多的系統(tǒng)配置，維護(hù)保養(yǎng)工作量較大。

舵槳型推進(jìn)器是一種新型的推進(jìn)形式，一般分為Z型（L型）和吊艙型。前者的推進(jìn)電機(jī)在船體上，通過(guò)齒輪組驅(qū)動(dòng)螺旋槳；后者的推進(jìn)電機(jī)裝在槳轂內(nèi)，吊在船體外。該型裝置結(jié)構(gòu)緊湊、可以360°全回轉(zhuǎn)，船舶操縱非常方便，且可省去舵裝置，對(duì)于需動(dòng)力定位的船舶還可以省去艉部的側(cè)推器。此外，由于不需要常規(guī)的軸系和舵系，船體的附體阻力（尤其對(duì)雙槳船）大大降低，從而改善了船體的艉部線型和螺旋槳的水動(dòng)力性能。

下文將對(duì)舵槳裝置的各種形式進(jìn)行比較。

3.1.1 SRP形式

SRP形式（見(jiàn)圖1）是屬于Z型推進(jìn)器的第2代產(chǎn)品。該形式是由2對(duì)錐齒輪傳動(dòng)帶有導(dǎo)管螺旋槳的全回轉(zhuǎn)裝置，由安裝在船體內(nèi)部的臥式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。該形式現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航速低于15 kn的拖輪及海上作業(yè)船，可滿足最佳操縱性、最大的系柱拉力以及良好的動(dòng)力定位需要。該形式使用的功率范圍由于受機(jī)械裝置材料強(qiáng)度的限制，一般單機(jī)最大功率限制在4 000 kW以下。SRP形式用于低速船比較理想，用于18 kn左右的中等速度船存在一些缺點(diǎn)，與POD形式比較，首先是流體動(dòng)力性能較差，導(dǎo)致電力推進(jìn)總效率較低；其次是齒輪傳動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)以及齒輪艙與支架產(chǎn)生的空泡和渦流引起的振動(dòng)及噪聲較大。該形式已有50多年的使用實(shí)踐，技術(shù)上比較成熟，維修也比較方便。

圖1 SRP形式

3.1.2 STP形式

STP形式（見(jiàn)圖2）是SRP形式的改進(jìn)型，主要優(yōu)化了支架及齒輪艙的線型，并改進(jìn)螺旋槳設(shè)計(jì)，由單螺旋槳改為雙螺旋槳，即在螺旋槳軸的前、后各設(shè)置一個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，在齒輪艙兩側(cè)裝有一對(duì)整流鰭片。

圖2 STP形式

與SRP形式相比，STP形式優(yōu)化了支架及齒輪艙的線型，改進(jìn)了流體性能，從而避免空泡和渦流的產(chǎn)生，改善由此引起的振動(dòng)和噪聲。此外，由于采用雙螺旋槳推進(jìn)，前螺旋槳處于拉式工作狀態(tài)，來(lái)流均勻；后螺旋槳處于前槳的尾流中，可以回收一部分前槳尾流的旋轉(zhuǎn)功能。因此，該螺旋槳的效率較高，其組合體的效率高于單螺旋槳的敞水效率，螺旋槳效率可達(dá)0.71。由此可見(jiàn)，STP形式在流體性能方面完全克服了SRP形式的缺點(diǎn)，并達(dá)到與POD吊艙形式相同的水平。但其機(jī)械損耗較大且由機(jī)械傳動(dòng)引起的振動(dòng)和噪聲的缺點(diǎn)依然存在。

3.1.3 AZIPULL形式

該形式是一種新推出的Z型推進(jìn)器。該形式的設(shè)計(jì)吸收POD形式的優(yōu)點(diǎn)，且引入拉式螺旋槳設(shè)計(jì)概念，避免了SRP形式流體性能差的缺點(diǎn)。其水下部分結(jié)構(gòu)改善了流線形，使流體動(dòng)力性能基本上與POD形式相同；傳動(dòng)部分保持了SRP形式的特點(diǎn)，因此也有機(jī)械傳動(dòng)損耗及由機(jī)械傳動(dòng)引起的振動(dòng)和噪聲。

圖3 AZIPULL形式

3.1.4 吊艙形式

5 MW以上的POD形式早在1990年就開(kāi)始開(kāi)發(fā)。吊艙形式與Z推形式比較具有明顯的優(yōu)越性：

（1）其支架和螺旋槳組合體具有完美的流線型，水動(dòng)力特性好，水流阻礙小，故效率高。高的水動(dòng)力效率節(jié)省了燃料，還減少了廢氣排放。

（2）推進(jìn)電機(jī)在水下，沒(méi)有傳動(dòng)齒輪，可節(jié)省機(jī)械傳動(dòng)損耗5%，而且沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲。

（3）Z推形式的推進(jìn)電機(jī)由空氣—水冷卻，需能量消耗。而吊艙形式的推進(jìn)電機(jī)在水下，由海水直接冷卻，故推進(jìn)效率可提高2%。

（4）將推進(jìn)電機(jī)放在船體外，節(jié)省了船內(nèi)空間。

（5）吊艙形式可以全功率倒車，應(yīng)急倒車反應(yīng)快。而Z推形式由于受到齒輪反轉(zhuǎn)受力限制不能倒轉(zhuǎn)，用旋轉(zhuǎn)180°倒車反應(yīng)較慢。

吊艙形式的單機(jī)功率范圍可適用于大型船舶。自1999年后，適合中小型船舶的緊湊型吊艙就已推出，與大吊艙的相同點(diǎn)是均采用水下電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，不同點(diǎn)是大吊艙裝置人員可通過(guò)吊臂通道進(jìn)入電機(jī)艙檢查。緊湊型吊艙由于尺寸較小，吊臂無(wú)人員通道，人員不能觸及電機(jī)，但它仍具有吊艙的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。目前緊湊型吊艙已被廣泛應(yīng)用于單機(jī)相對(duì)功率較小的電力推進(jìn)裝置上。

圖4 吊艙形式

3.1.5 綜合評(píng)估

各種推進(jìn)方式效率比較見(jiàn)表1。

表1 各種推進(jìn)方式效率比較

3.2 電壓等級(jí)

在綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中，隨著推進(jìn)裝置功率的加入和其他用電設(shè)備的大量增加，電網(wǎng)的功率也大大增加。考慮到開(kāi)關(guān)斷流容量限制和電纜的合理用量，適度提高系統(tǒng)的電壓等級(jí)是必然趨勢(shì)。但是電壓等級(jí)的選擇涉及面廣，不僅要有需求的牽引和技術(shù)的推動(dòng)，還必須考慮相關(guān)電工產(chǎn)品工業(yè)的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐和持續(xù)發(fā)展的能力。目前船用交流電網(wǎng)多為400 V、690 V（低壓）或3 300 V、 6 600 V（中壓）等級(jí)。

低壓等級(jí)最高為690 V，可選的低壓開(kāi)關(guān)斷流容量可能最大用到4×2 500 kW的電網(wǎng)和4 500 kW的電動(dòng)機(jī)。但綜合考慮到電纜的合理用量，應(yīng)適當(dāng)降低上述極限功率值，超過(guò)此功率等級(jí)宜采用中壓等級(jí)。如直接采用400 V，極限功率將降低至4×1 500 kW的電網(wǎng)和2 000 kW的電動(dòng)機(jī)。

據(jù)資料顯示，如變頻器采用中壓等級(jí)，盡管輸出電流減小，使用的電纜減少，但這些設(shè)備的外形尺寸卻比采用低壓690 V的情況要大，因此在推進(jìn)功率小于5 MW的范圍內(nèi)，世界上變頻器普遍采用690 V低壓等級(jí)，國(guó)外公司都有這類產(chǎn)品，技術(shù)成熟、價(jià)格較低，且已廣泛應(yīng)用。采用中壓等級(jí)，設(shè)備及元器件的耐壓、冷卻水的水質(zhì)等要求就會(huì)相應(yīng)提高，引起設(shè)備的外形尺寸增大、價(jià)格上升，在功率等級(jí)沒(méi)達(dá)到一定程度的情況下，其性價(jià)比較差。

3.3 接地方式［4］

電力系統(tǒng)按系統(tǒng)中性點(diǎn)是否接地分為對(duì)地絕緣系統(tǒng)和接地系統(tǒng)。影響系統(tǒng)接地方式的因素一般有供電可靠性、人身和設(shè)備的安全、過(guò)電壓、對(duì)通信等設(shè)備的干擾以及投資費(fèi)用等。

眾所周知，系統(tǒng)對(duì)地絕緣在一定條件下，當(dāng)發(fā)生單相接地故障，只是故障相電壓升高倍，而線電壓維持不變，故不影響三相設(shè)備的正常運(yùn)行。單相接地是船舶電力系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障，在這種故障下系統(tǒng)仍能繼續(xù)保持不間斷供電是該接地方式的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)。此外，由于絕緣線制在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有高次諧波電流通路和不會(huì)在船體內(nèi)流過(guò)接地電流，因此不至于產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)和電磁干擾等特點(diǎn)使得現(xiàn)有的船舶電力系統(tǒng)廣泛采用對(duì)地絕緣線制。

然而，完全對(duì)地絕緣的系統(tǒng)是不存在的，系統(tǒng)中的電纜、電機(jī)和變壓器等設(shè)備產(chǎn)生的對(duì)地耦合電容使不接地系統(tǒng)事實(shí)上成為電容接地系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)故障點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電流是單相對(duì)地電容電流，而電容性的短路電流會(huì)引起間歇電弧過(guò)電壓以及諧振過(guò)電壓等操作過(guò)電壓。據(jù)理論研究和實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，不接地系統(tǒng)的弧光接地過(guò)電壓最高達(dá)3.5倍的相電壓，操作過(guò)電壓則可高達(dá)相電壓的4.5倍。

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)，電氣設(shè)備的電壓等級(jí)與其耐壓性能即絕緣裕度在不同的電壓等級(jí)下是不同的。在原則上電壓等級(jí)越高絕緣裕度越小。例如低壓系統(tǒng)設(shè)備耐壓試驗(yàn)電壓為2 kV，對(duì)于380 V設(shè)備而言過(guò)壓倍數(shù)為5.26倍；而中壓系統(tǒng)6～6.6 kV設(shè)備的耐壓試驗(yàn)電壓為20 kV，過(guò)壓倍數(shù)略高于3倍；7.2～11 kV系統(tǒng)設(shè)備的耐壓試驗(yàn)電壓為28 kV，過(guò)壓倍數(shù)更低。由此可見(jiàn)，為適應(yīng)較高電壓等級(jí)系統(tǒng)電氣設(shè)備能安全運(yùn)行，應(yīng)防止系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，特別是操作過(guò)電壓。

也有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地時(shí)，即使單相接地電容電流不大，也會(huì)由于間歇電弧過(guò)電壓或各種操作過(guò)電壓使健全相的電位可能升高至破壞其絕緣水平，甚至形成相間短路故障。但如果在中性點(diǎn)接入一個(gè)電阻，就可泄放熄弧后半波的能量，則中性點(diǎn)電位降低，故障相的恢復(fù)電壓上升速度減慢，從而減少電弧重燃的可能性，抑制電網(wǎng)過(guò)電壓的幅值。如單相接地電流選擇合適的話，故障的暫態(tài)過(guò)電壓一般可限制在2.5～2.8倍以下。

中性點(diǎn)接地又分為直接接地、低電阻接地、高電阻接地和消弧線圈接地。前兩種方式接地電流很大，無(wú)法保證供電可靠性，對(duì)人身設(shè)備安全性也較差，而且對(duì)通信、弱電設(shè)備的干擾大。消弧線圈接地方式盡管被證明在陸用電網(wǎng)是一種比較理想的形式，但是其所需的綜合裝備水平較高。目前，從國(guó)內(nèi)外的船舶應(yīng)用來(lái)看，中壓電網(wǎng)基本采用中性點(diǎn)高阻接地方式。這種方式單相故障電流?。ㄒ话阆拗圃?0A左右），發(fā)生故障時(shí)，電力系統(tǒng)仍然能夠連續(xù)供電；接地電阻由于在故障時(shí)通過(guò)一固定電流，便于故障檢測(cè)和故障點(diǎn)定位；同時(shí)中性點(diǎn)接地電阻可有效抑制過(guò)電壓，跨步電壓和接觸電壓低，有較好的人身及設(shè)備安全保護(hù)水平［5］。

3.4 變頻器形式

變頻器分為交—直—交變頻器和交—交變頻器兩大類［6］，其性能比較見(jiàn)表2。

表2 變屏器形式

對(duì)于一般大功率交流電力推進(jìn)系統(tǒng)，與交—交變頻器相比，采用交—直—交調(diào)速具有適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。目前絕大多數(shù)20 MW以下的變頻器采用新型的脈寬調(diào)制型（PWM），其整流器用二極管組成，逆變器用IGBT或IGCT組成，具有線路簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、諧波少和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

使用變頻器會(huì)產(chǎn)生諧波電流，對(duì)電網(wǎng)造成污染，其主要影響是對(duì)電網(wǎng)中的其他設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電纜及電器設(shè)備）產(chǎn)生附加發(fā)熱、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)等，嚴(yán)重的還會(huì)使繼電保護(hù)的整定動(dòng)作值產(chǎn)生偏差，因此如何較好地抑制諧波，是變頻器選擇的一個(gè)主要原則。為了抑制諧波，從變頻器角度可以采用增加變頻器的脈動(dòng)波數(shù)的方法，在技術(shù)上通常采用改變變壓器接線方式組成多相整流電路或者采用一定相位差的多組三相整流橋串聯(lián)或并聯(lián)來(lái)增加脈動(dòng)波數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品變頻器采用后者方式較多，分為6脈沖、12脈沖、24脈沖及2電平、3電平等多脈沖多電平電路形式，以滿足不同用戶的需求。此外，現(xiàn)在已有采用IGBT器件的有源前端電路（AFE），幾乎可以使供電線路中不存在反饋諧波，但設(shè)備價(jià)格很高。

3.5 能量反饋形式

船舶從正車突然倒車或從高速降至低速過(guò)程中，有再生電能反饋。該能量有兩種方式吸收，一種是通過(guò)制動(dòng)控制單元接通制動(dòng)電阻，消耗在電阻發(fā)熱上；另一種是通過(guò)可逆整流器向電網(wǎng)反饋，減少發(fā)電機(jī)輸出。由于船舶電網(wǎng)容量有限，推進(jìn)產(chǎn)生的能量如向電網(wǎng)反饋，很容易造成發(fā)電機(jī)逆功保護(hù)動(dòng)作，從而使機(jī)組停機(jī)。所以船舶通常采用電阻制動(dòng)的方式。

值得一提的是，某些變頻器具有抑制產(chǎn)生逆功的控制軟件和功能，當(dāng)螺旋槳發(fā)生風(fēng)車效應(yīng)時(shí)，變頻器將自動(dòng)控制推進(jìn)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩，防止出現(xiàn)制動(dòng)功率，因此系統(tǒng)不需要制動(dòng)電阻。

3.6 推進(jìn)電機(jī)形式［7］

交流電力推進(jìn)的電動(dòng)機(jī)類型有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。大功率的新型推進(jìn)電機(jī)還有先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和超導(dǎo)電機(jī)等。

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、高速體積小、使用可靠、維修方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但功率因數(shù)較低，一般應(yīng)用于小型船舶。

同步電動(dòng)機(jī)較異步電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力。從調(diào)速范圍來(lái)看，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自帶磁場(chǎng)，即使在很低的頻率下也能穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速范圍比較寬。同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁損耗小，功率因數(shù)高，可以在功率因數(shù)為1的情況下運(yùn)行，因此同步電機(jī)在現(xiàn)代電力推進(jìn)系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的使用。但其需一套單獨(dú)的勵(lì)磁系統(tǒng)，增加了電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一般應(yīng)用于大型船舶。

隨著現(xiàn)代船舶對(duì)高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求牽引，先進(jìn)多相感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)也投入運(yùn)用，它們與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相比，體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、效率高，顯現(xiàn)了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)然這種類型的電機(jī)需付出更高的初期投資。

4 結(jié) 論

由于電力推進(jìn)系統(tǒng)涉及面廣，另外諸如監(jiān)控管理系統(tǒng)、交流調(diào)速控制策略、設(shè)備冷卻、諧波控制等也是電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需特別考慮的問(wèn)題。本文不再贅述，也希望本文對(duì)電力推進(jìn)的總體設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。

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Analysis of overall design of integrated electric propulsion system

TAO Jia-xin WANG Xi-tian
(Shanghai Jiao-tong University, Shanghai 200240, China)

This paper introduces the advantages of the integrated electric propulsion system, and presents the adaptability of electric propulsion, analysis and comparison of propulsion pattern, and application range. It also carries out the analysis, comparison and integrated evaluation of some major questions of composition of the propulsion system, which can provide references for the application of the integrated electric propulsion system to the overall design.

integrated electric propulsion system; inverter; propeller; voltage class

U665.13

A

1001-9855（2014）03-0066-07

2013-10-14 ；

2013-11-02

陶佳欣（1979-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

王西田（1972-），男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)與分布式能源系統(tǒng)的教學(xué)與研究。