基于中频化的船舶电力系统研究

何首贤，苗百春



基于中频化的船舶电力系统研究

何首贤，苗百春

（大连海洋大学 职业技术学院，辽宁大连 116300）

为了解决现代船舶由于设计复杂造成的电力系统质量过大，空间及电站容量不足等缺点，给出了解决方案。阐述了基于400 Hz中频化船舶电力系统在节约质量、空间等方面问题的分析和研究。

船舶电站 船舶电力系统 中频化

0 引言

随着我国船舶行业的飞速发展，造船技术的提高，对船舶的功能要求日益增加，其内部组成愈加复杂。船舶电站的技术水平和运行的可靠性对于整艘船的安全可靠性和航行的经济性起着举足轻重的地位[1]。旧型船舶一般很难达到这些要求。建造设计先进的船舶，主要特征是，动力装置应能提高到100 000SHP,而质量和空间要小。为了达到这个目的，采取下列措施：减小设计余量、消除逐级保留设计余量、降低安全系数、高转速、高压和高频、采用优质材料。本文阐述采用提高频率和转速在现代化船舶的建造中的应用。

1 最佳电站的分析及选择

目前民用船舶和舰艇都采用交流电，电力系统运行的质量指标是电压和频率，电压等级是低压，频率选择广泛采用50 Hz或60 Hz[2]。通过各种方案的比较，选择1000 V，400Hz的电站。在方案比较时各主要元件的估计质量见表1。因为适用于1000 V使用的设备研究费用较大，小负载120 V，400 Hz照明系统通过1000 V/120 V单独变压器提供。某些负载例如加热器，炊具设备等按其所需电压也由单独变压器提供。频率400 Hz和电压1000 V在各种岸电电站中不易得到，于是备有一套接岸电的电动发电机组。发电机定额是250 kW，1000 V，400 Hz，电动机定额是440 V，60 Hz，三相。电站包括两台600 kW的汽轮发电机组。一台是由20 00l bf/in2，1 050 °F的汽轮机所拖动，转速为24 000 r/min，直接耦合使机组结构紧凑，并采用静止的励磁系统。另一台由8 15l bf/in2，1 045 °F的汽轮机拖动的，转速为12 000 r/min，并直接耦合，带有旋转励磁机。此外尚有两台1000 V，400 Hz三相应急发电机。一台是燃气轮机拖动，另一台是由柴油机拖动。除汽轮机拖动的给水泵和主鼓风机外，所有的泵和其他辅机均由950 V，400 Hz电动机拖动。

整个电力和照明系统，由于采用1000 V，400 Hz而不采用450 V，60 Hz电动机拖动。其结果是实际空间和质量节约了，见表2。大约15%总质量的节约可归功于设计先进，5%是归功于电压从450 V提高到1000 V，其余的11.5%是由于增加频率的结果。

表1 船舶电站方案质量比较汇总表

表2 电站实际质量和空间

2 400 Hz中频对电气设备的影响

2.1 汽轮发电机和燃气轮机发电机

提高频率也就提高了发电机可能达到的最大转速，从而有可能对于汽轮机和燃气轮机驱动的发电机取消减速箱，结果减小了机组的质量。表3【3】表明频率提高对汽轮发电机质量和尺寸的影响，将旧船舶设有的400 kW，60 Hz的汽轮发电机和新型船舶上设有的600 kW，400 Hz的汽轮发电机相比较，显而易见，400 Hz发电机的质量大约为60 Hz的三分之一，而其容量增加50%。表4给出旧型船舶上装设的应急柴油发电机与装在新型船舶上的燃气轮机发电机和柴油发电机的比较。

2.2 电动机

提高频率同样提高了电动机的最大转速，因此400 Hz电动机的质量比60 Hz要轻。30 Hp，400 Hz，12 000 r/min的电动机较30 Hp，60 Hz,12 000 r/min电动机质量节约88.5%。15 Hp，440 V，3相，60 Hz，3 600 r/min的舰用电动机质量为320l b，而15 Hp，950 V，3相，400 Hz，8 000 r/min的舰用电动机质量只有64l b。但在新型船舶上，仅风机和几台泵是直接由8，6和4极电动机拖动的，接近有50%的辅机是由电动机通过齿轮箱以传统的速度来拖动的。

由于400 Hz的电动机中选用了导磁性能好的硅钢片和减少了硅钢片的厚度，因此400 Hz电动机的铁损耗和效率与60 Hz相同功率定额的电动机大致相同。

2.3 变压器

提高频率使变压器的磁通量降低，从而有较小的铁芯尺寸。见表5表明60 Hz，80℃和400 Hz，150 ℃温升的变压器比较。可见400 Hz变压器较60Hz变压器减轻质量60%左右。

表3 汽轮发电机的比较数据

注：1lbf=6894.76pa

表4 柴油发电机与燃气轮机发电机的比较数据

表5 60 Hz,80℃和400 Hz,150℃温升的变压器比较

注:1lb=0.453kg;1in=0.0254m

2.4 开关及控制设备

经试验，以确定提高频率对断路器和其它开关器件的影响。试验证实，标准的500 V，60 Hz框架尺寸和电流定额的断路器用于400 Hz，500V是很满意的，断路器在400 Hz和60 Hz时极其可能具有相同的分段能力。由于频率的提高对配电板元件质量的影响并不明显，因此，事实上配电板的外形尺寸和质量与60 Hz配电板并无多大差异。

由于400 Hz电动机的启动电流高于60 Hz电动机的启动电流，同时400 Hz电动机的散热面小，因此电动机的过载元件要求动作更加的迅速，因此必须新设计400 Hz的过载继电器。

2.5 电缆

提高频率对电力和照明电缆有两方面影响：第一，对200000圆密尔或以上的电缆，电流定额减少了10%～30%；第二，由于电缆阻抗增加了，从而电压降增加。因此，400 Hz系统中电缆的质量比60 Hz同样电压的电缆大。

2.6 照明设备

船舶照明系统中的主要用电设备包括：航室照明灯、舱面工作强光照明灯、探照灯、航行信号灯和低压行灯等[4]，照明设备较多，400 Hz的荧光灯亦能节约质量和空间。这是由于400 Hz镇流器的尺寸大约是60 Hz镇流器的1/4，而质量还不到50%。此外，应用400 Hz电力能提高荧光灯的效率和减少闪光现象。

3 结论与探讨

船舶引入400 Hz中频化，可以节省大量的质量和空间，为船舶实现复杂功能提供了一定的保证，中频化在船电技术上是一个突破，通过许多船只使用经验和试验得来的技术信息已被吸收到航空母舰上为飞机启动和服务的系统中。但是，高速、高温对轴承和其他机械也带来了不少困难。例如：目前，电机内部的冷却介质是空气，电机的温升与内部空气流动的方式有着密切的关系[5]。然而400 Hz电动机的尺寸小，有较小的热容量，在较高温度和速度下运行，发生过不少轴承损坏事故。因此该项技术需要其他技术的支持，进一步研究和探讨。

[1] 陈刚. 船舶电气[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[2] 姜平, 李功宣. 船舶现代化改造技术和方案[L]. 中国修船, 2002,5.

[3] 章以刚. 船舶供电系统和装置[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2007.

[4] 刘国平. 船舶电气与通信[M]. 北京: 海洋出版社, 2010.

[5] 戴玥. 论电机滑动轴承润滑方式与风路结构的关系. 上海大中型电机, 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

何首贤(1955-)，男，教授，高级工程师。研究方向：船舶供配电技术。