劉建設(shè)，王永興

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吸盤式挖泥船全電力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉建設(shè)，王永興

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文根據(jù)某吸盤式挖泥船的使用要求，設(shè)計(jì)了全電力驅(qū)動系統(tǒng)方案。對配電系統(tǒng)方案、變頻驅(qū)動系統(tǒng)方案和諧波處理方案進(jìn)行了詳細(xì)分析。與當(dāng)前典型的挖泥船變頻驅(qū)動系統(tǒng)方案相比，本文提出了一種新的更加經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)方案，并在實(shí)船已成功應(yīng)用。

挖泥船 電力驅(qū)動 諧波 配電

0 引言

隨著電力電子及變頻調(diào)速技術(shù)的快速進(jìn)步，船舶電力推進(jìn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，目前電力推進(jìn)船舶在科考船、工程船、海工船、游船、漁船等領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。

對于需要大量電力應(yīng)用且要求有自航能力的工程船舶，由于作業(yè)工況時(shí)一般船舶航速較低，在高速航行時(shí)，作業(yè)設(shè)備所需功率又較小，因此非常適用于采用全電力驅(qū)動方案。此時(shí)電力可以在作業(yè)設(shè)備和推進(jìn)器之間進(jìn)行復(fù)用，降低全船總裝機(jī)功率。

具有自航能力的挖泥船具有上述特點(diǎn)，近些年采用全電力驅(qū)動方案的挖泥船數(shù)量也越來越多，全電力驅(qū)動船舶在挖泥船清淤疏浚作業(yè)中體現(xiàn)出了更好的經(jīng)濟(jì)性、船舶機(jī)動性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

本文研究對象為一艘應(yīng)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(jìn)挖泥、絞進(jìn)挖泥等多種運(yùn)行工況，挖泥設(shè)備和推進(jìn)設(shè)備在不同工況時(shí)所需功率也在不斷變化。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果分析，本船提出一種新型的全電力驅(qū)動方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1船舶概述

本船滿足內(nèi)河B級航區(qū)要求，推進(jìn)系統(tǒng)采用電動機(jī)驅(qū)動方式，推進(jìn)電動機(jī)功率為2×132 kW，通過減速齒輪箱驅(qū)動定距槳。

主要負(fù)載功率：泥泵電動機(jī)功率為315 kW，沖水泵電動機(jī)功率為200 kW。

發(fā)電機(jī)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(cè)拋泥；

艉吹工況：2臺艏液壓絞車和2臺艉液壓絞車絞進(jìn)挖泥，并通過艉吹管向遠(yuǎn)處吹砂；

調(diào)遣航行工況：航行時(shí)挖泥設(shè)備不工作。

1.2系統(tǒng)方案

1.2.1配電系統(tǒng)方案

電站負(fù)荷較小時(shí)，主電網(wǎng)電壓一般有690 V和400 V兩種配置方案。主要從以下方面進(jìn)行選擇：

電站負(fù)荷：本船發(fā)電機(jī)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(guān)的額定電流和短路電流也較小。同時(shí)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(jìn)出線開關(guān)等，使用和維護(hù)工作量減少，成本降低。

400 V負(fù)載開關(guān)數(shù)量：考慮負(fù)載開關(guān)數(shù)量主要是因?yàn)槎搪冯娏鬟^大，可能導(dǎo)致開關(guān)選型時(shí)需選擇分?jǐn)嗄芰Υ笠粰n的開關(guān)。如開關(guān)數(shù)量過多，則會導(dǎo)致成本增加。本船通過短路計(jì)算，短路電流較小，不會因此導(dǎo)致開關(guān)成本增加。

諧波：選用690 V電網(wǎng)時(shí)，由于增加了690 V/400 V變壓器，可以降低變頻系統(tǒng)對400 V電網(wǎng)的諧波影響。本船通過對變頻系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和選型配置，即使變頻系統(tǒng)直接連接到400 V電網(wǎng)，對電網(wǎng)的諧波干擾也能很好的控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

結(jié)合以上分析，本船配電系統(tǒng)主電網(wǎng)電壓采用400 V。

1.2.2變頻驅(qū)動系統(tǒng)方案

1）現(xiàn)有挖泥船電力驅(qū)動系統(tǒng)方案

針對推進(jìn)系統(tǒng)和疏浚系統(tǒng)均采用變頻驅(qū)動的挖泥船，目前變頻驅(qū)動系統(tǒng)主要有以下兩種配置方案：

方案1：如論文1[1]中所述，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)有3臺發(fā)電機(jī)組供電，左推進(jìn)電機(jī)和絞刀電機(jī)共用一套移相變壓器和變頻器，右推進(jìn)電機(jī)和水下泵電機(jī)共用一套移相變壓器和變頻器。根據(jù)使用工況，推進(jìn)系統(tǒng)和疏浚系統(tǒng)分時(shí)復(fù)用移相變壓器和變頻器，從而節(jié)約設(shè)備資源配置，節(jié)約系統(tǒng)成本。

方案2：如論文2[2]中所述，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。系統(tǒng)有3臺發(fā)電機(jī)組供電，2套獨(dú)立的變頻推進(jìn)支路通過移相變壓器連接到船舶電網(wǎng)。疏浚系統(tǒng)中艙內(nèi)泥泵電機(jī)和高壓沖水泵電機(jī)通過共直流母線形式連接。為提高系統(tǒng)的生命力，疏浚系統(tǒng)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(shè)計(jì)針對對象為一艘絞吸式挖泥船，使用工況中推進(jìn)系統(tǒng)和疏浚系統(tǒng)不會同時(shí)工作，因此可以采用變頻器分時(shí)復(fù)用的方式。方案2的設(shè)計(jì)針對對象為一艘吸盤式挖泥船，具有推進(jìn)挖泥工況，因此推進(jìn)系統(tǒng)和疏浚系統(tǒng)需要滿足同時(shí)工作的要求。

圖1 某絞吸式挖泥船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 某吸盤式挖泥船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2）本文電力驅(qū)動系統(tǒng)方案

本船推進(jìn)電機(jī)額定功率2×132 kW，泥泵電機(jī)額定功率315 kW，高壓沖水泵電機(jī)額定功率200 kW。根據(jù)系統(tǒng)提供的負(fù)荷計(jì)算書，邊拋工況時(shí)，每舷推進(jìn)電機(jī)功率約55 kW，泥泵電機(jī)功率約180 kW，高壓沖水泵功率約170 kW。結(jié)合本船疏浚系統(tǒng)的負(fù)載特點(diǎn)，本文提出一種所需設(shè)備更少、經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)、設(shè)備布置、使用維護(hù)更加方便的系統(tǒng)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(jìn)電機(jī)和泥泵電機(jī)共同連接至左舷變頻器直流母線，右推進(jìn)電機(jī)和高壓沖水泵電機(jī)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(jìn)系統(tǒng)和疏浚系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的要求，同時(shí)整個(gè)支路共用一套變壓器和整流單元，極大了節(jié)約了成本。

圖3 某吸盤式挖泥船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3諧波處理方案

目前船舶應(yīng)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(gòu)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(wǎng)的影響[3]。

圖4 12脈沖整流器

采用多脈波整流技術(shù)，可以有效地降低諧波。在船舶電力推進(jìn)應(yīng)用中，通常每一舷推進(jìn)系統(tǒng)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(gòu)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(guī)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、性價(jià)比高特點(diǎn)。

有源前端與變頻器的輸出逆變部分(逆變器)結(jié)構(gòu)一樣，使用IGBT或IGCT等全控器件組成三相橋式結(jié)構(gòu)，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(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用成熟度考慮，多脈沖整流方案成本相對低廉，同時(shí)采用虛擬24脈沖整流方案，又能保證諧波含量不會超標(biāo)，在船舶上應(yīng)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(jìn)行航行工況、邊拋工況、艉吹工況時(shí)諧波計(jì)算的結(jié)果?？梢钥闯鲭妷褐C波值較低，滿足規(guī)范要求。實(shí)船測試結(jié)果與計(jì)算值一致。

圖5 有源前端變頻器

圖6 航行工況電網(wǎng)總電壓諧波含量

圖7 邊拋?zhàn)鳂I(yè)工況電網(wǎng)總電壓諧波含量

圖8 艉吹作業(yè)工況電網(wǎng)總電壓諧波含量

3 結(jié)束語

電力推進(jìn)船舶已成為未來船舶的發(fā)展趨勢，越來越多的挖泥船已采用電力推進(jìn)方式。將挖泥船疏浚系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)綜合一起，采用全電力驅(qū)動方案能夠極大的降低全船裝機(jī)功率，節(jié)約系統(tǒng)成本。本文針對某吸盤式挖泥船系統(tǒng)方案進(jìn)行了分析，提出了一種新的變頻驅(qū)動系統(tǒng)方案。該方案經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)、設(shè)備布置和使用維護(hù)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù), 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(qū)動系統(tǒng)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(jìn)系統(tǒng)諧波分析的仿真計(jì)算[J]. 船電技術(shù), 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(shè)（1985-），男，碩士。研究方向：電力推進(jìn)系統(tǒng)。Email: 18627078829@163.com