深远海多功能船舶电力推进系统关键技术研究

2024-01-22 12:21颜小明宋秀丽
广东造船 2023年6期
关键词:充磁合闸绕组

颜小明,袁 远,宋秀丽,刘 鹤

(1.招商局重工(深圳)有限公司,深圳 518054;2.招商局深海装备研究院(三亚)有限公司,三亚 572025)

1 前言

我国是一个海洋资源大国,随着我国一带一路战略和海洋经济发展战略的稳步实施,海洋资源开发也逐步由近海、浅海走向深远海区域。深远海多功能船舶,是保障和支撑各类海洋经济活动的重要装备,具有高速巡航、救助、海上消防、拖带、起重安装、深海资源探测、追踪水下目标、海上后勤补给等多种功能,属于高附加值、高技术船舶,是深远海资源开发不可缺少的利器[1]。

推进系统及动力装置被喻为船舶的心脏,对在深远海恶劣海况中执行多种复杂、精确任务的多功能船来说尤为重要。近10 年来,随着电力电子技术的进步,以及国际社会对海洋大气环境保护要求日益严格,电力推进已逐渐发展成为深远海多功能船舶的主要推进形式[2][3]。本文重点对电力推进适应性、电力推进系统总体配置、关键电力设备设计选型等关键技术进行研究。

2 电力推进系统适应性

传统多功能船舶的推进系统,主要采用中速柴油机通过减速齿轮箱,驱动尾部螺旋桨推进,其在船舶高速航行状态下,总体经济性能良好。但是在执行进出港口、海上救捞、海底探测、低速追踪水下目标等任务时,需要船舶具有良好的低速操纵性、机动性。由于受柴油机调速系统限制,低速航行时,中速柴油机效率、经济性大幅下降。然而,对于多功能船舶来说,低速作业任务又是其重要的设计指标,也是其常用工况,如采用传统推进方式,船舶经济性较差;而且一旦发生机舱浸水或者火灾,全船的动力将大部分或者全部丧失,严重危及船舶自身安全;如在寒区作业,则需要额外电力用于伴热保温,以便对传统推进及其辅助系统的运行提供保障[4]。

相比于传统的柴油机推进,电力推进具有下列独特的优势[2][3]:

1)变频驱电力推进系统的调速比,通常可达到1:10甚至更高,并能实现无极变速,在获得极低转速的同时仍能保持极高的效率,具有良好的低速经济性;同时,原动机排放量少,有利于环境保护;

2)采用电力推进,除了在船尾设置推进器外,还可以在船首部、尾部的舷侧设置侧推、伸缩推等推进器,使船舶在低速状态下获得良好的操纵性和机动性,能够准确可靠的避碰、进出港口,安全地接近需要补给或者救助的船舶;

3)电力推进不需要设置长传动轴系,可以方便地在全船范围内分布式布置多台套发电机装置和驱动电机。当某一机舱浸水或者发生火灾时,剩余的电动机驱动系统完整,船舶仍然拥有足够的动力,显著提升了船舶的生命力。

电力推进系统的上述优点,完全满足深远海多功能船舶对低航速操纵性、机动性、经济性、生命力和绿色环保的要求,因此现代深远海多功能船舶基本上都采用全电力推进系统或者柴-电联合推进系统。典型的柴-电联合推进系统的拓扑结构图,如图1 所示。

图1 柴-电联合推进系统拓扑结构图

3 电力推进系统关键设备配置

电力推进系统主要采用交流电力推进系统,交流系统具有容量大、系统简单、成本低、能适应中高压电力等级(如6.6 kV)等优点,特别是在变频调速系统的控制下,能够获得接近直流电机的调速性能,在大功率推进船舶动力系统中得到了广泛的应用。目前,典型大型深远海多功能船舶的总推进功率可达6~15 MW,甚至更高。

交流电力推进系统,一般由原动机、交流发电机、移相变压器、变频装置、交流异步电动机和主推进器组成,如图2 所示。

3.1 变频调速系统配置

三相异步交流电机的转速表达式为[5]:

式中:n 为电机转速;s 为转差率;f 为电源频率;p 为电机的极对数。

异步电机可以通过调节极对数、转差率和频率来调速,其中效率最高、调速范围最大的是调频率,其核心装置为变频器。

交流变频器,分为:间接变频器(交-直-交变频)和直接变频器(交-交变频)两大类。其中,间接变频器又可分为电压型和电流型两种。

上述变频器与不同类型的驱动电机配合,可以构成如下三类基本的船舶电力推进系统:

1)交-直-交电压型变频器VSI,匹配交流异步电机;

2)交-交变频器CYCLO,匹配交流同步电机;

3)交-直-交电流型变频器CSI,匹配交流同步电机。

直接变频器省略了中间变流环节,与间接变频器相比能量转换效率高,但是存在功率因素低、调速范围窄、配套的同步电动机价格较昂贵等不利因素[3],因此在船舶电力推进系统中应用较少;

交-直-交电流型变频器CSI,优点是能实现电机制动功率向电网反馈,实现四象限运行,但是通常需要配套同步电机,变频器需要与电机集成设计,难以实现通用性;

交-直-交电压型变频器VSI,属于通用变频器,并且可以使用笼型异步电机,显著降低了全套装置成本,因此深远海多功能船舶广泛采用交-直-交电压型变频装置,匹配交流异步电机推进。

交-直-交电压型变频器,主要由二极管全桥整流、直流储能电容及三相电压型PWM 逆变器组成:整流器一般采用不可控整流二极管Power Diode;逆变器则采用高频大功率可关断半导体器,通常为绝缘栅双极晶体管IGBT,常规在第一象限运行,通过改变逆变元件的导通次序,可以实现电机反转。典型交-直-交电压型变频器的主电路图,如图3 所示。

图3 典型交-直-交电压型变频器主电路图

当船舶从正车突然倒车、减速过程中,电机会产生再生电能反馈,变频器将产生泵升电压,因此直流电路中应并联制动电阻和制动控制元器件,当泵升电压达到阈值时,通过IGBT 元件VB 接通制动电阻RB,将电能消耗在电阻上。

交-直-交电压型变频器在船舶电力推进系统中的应用比较成熟,如应用在半潜船、起重船、海洋工程船等特种船型上。国际主要供应商如西门子、ABB和GE 等,均推出了适用于船舶推进的中压和低压系列产品,目前国内应用较多的有西门子公司低压S120CM系列(690 V),中压GM150 系列(3.3 kV 和4.16 kV);ABB 公司的主流产品则为低压ACS880 系列(690 V),中压ACS6080 系列(3.3 kV)等。

3.2 谐波畸变控制

整流二极管和IGBT 等非线性电力电子器件所产生的谐波,在注入电网后会使电网电压波形产生畸变,影响其它设备正常工作,并降低电网的功率因素,加速绝缘老化,产生振动和噪声等。因此,需要对电压总谐波畸变THD 进行控制,国内外各大船级社均制定了相应的THD 控制标准[6]。对于大型船舶来说,通常要求对推进供电的汇流排,电压总谐波畸变THD 最大允许值为8%,单次谐波最大值为5%。

电压总谐波畸变率THDU,可以按下式计算:

变频装置所产生的谐波次数为:

式中:U1——基波电压;

UH——谐波电压;

k=1,2,3…,为正整数;

m 为变频器整流模块整流脉波数。

由于谐波分量值随谐波次数而下降,消除谐波危害的最有效方法是增加整流脉波数。如:当采用12 脉波整流时,谐波次数为11,13,23,25 …;而采用24脉波整流,则电网中只出现23 次以上谐波,此时全船的THD 值通常均能满足设计要求[3]。

电力推进系统中,常采用2 台三绕组移相变压器,形成虚拟24 脉波整流,相应的移相变压器与变频器配置的拓扑结构图,如图4 所示。

图4 虚拟24 脉波交-直-交变频装置拓扑结构图

4 移相变压器和预充磁变压器

如前所述,虚拟24 脉波整流模块输入侧由2 台三绕组移相变压器组成:2 台移相变压器的原边,分别移相±7.5°;移相变压器的原边采用延边三角形联接实现移相,二个副边则分别采用常规的d型和y型联接,即D(+7.5°)y5d0 和D(-7.5°)y5d0。延边三角形的绕组联接和相量原理图,如图5 和图6 所示。

图5 延边三角形的绕组联接图

图6 延边三角形相量图

延边三角形联接中,各电压量之间的关系如下:

式中:U1——一次侧电网电压;

Uy——移相绕组电压;

Um——主绕组电压;

α——移相角度7.5°。

在二次侧,两个绕组分别采用d 型和y 型联接,因此二者绕组匝数应满足下列关系:

式中:N2d——d 型联接绕组匝数;

N2y——y 型联接绕组匝数。

大功率电力推进系统中,移相变压器的容量通常为1~2 MW 甚至更高;变压器铁芯一般工作在接近饱和状态,空载变压器合闸时会产生较大的瞬时励磁电流,其最大值高达变压器额定电流的6~10 倍。这种励磁涌流通常会引起电力系统中过电流保护断路器动作,从而变压器合闸失败,同时还会对船舶电站和其它用电设备造成损坏,因此在电力推进系统中,通常对大容量变压器设置预充磁设备,主要由小型预充磁变压器和相应的控制开关组成,其基本原理图,如图7所示。

图7 变压器预充磁合闸原理图

图中:TR2 为主连接主推进电机的主变压器;

Pr2 为小型预充磁变压器,其容量通常为主变压器的1%~2%左右。

合闸顺序为:

1)合闸S1 为Pr2 充磁;

2)当Pr2 充磁完毕后,合闸S2 对主变压器TR2的二次侧进行预充磁;

3)当TR2 中建立起稳定的磁通以后,合闸S3;延时后断开S1 和S2,将Pr2 从系统中切除。即可实现顺利合闸。

图7 中,Pr1 也是TR1 的预充磁变压器,操作方法与之类似。

5 结论

根据上述分析,可以得出如下结论:

1)电力推进系统在总体布置、经济性、操作性、生命力和环境保护方面具有显著的优势,完全满足现代大功率深远海多功能船舶对推进系统的要求,是未来该类型船舶推进系统的主流形式;

2)交-直-交电压型变频器VSI,可以匹配笼型异步电机,具有优秀的通用性、经济性和调速性能,在船舶电网总容量不大于15 MW 时,具有良好的适用性;

3)利用2 台三绕组移相变压器,构造虚拟24 脉波整流模块,能够有效抑制变频装置产生的谐波畸变,提升电网供电质量;

4)应用变压器预充磁技术,可以避免大容量移相变压器空载合闸时所产生的浪涌冲击电流,保护重要船舶电气设备的安全。

猜你喜欢
充磁合闸绕组
变频电机充检磁工艺探究及仿真分析
我国首台套大型永磁电机整体充磁装备研制成功
磁钢充磁方式对高速永磁电机性能的影响研究
基于FPGA的双绕组无刷直流电机软件设计
基于AL1676的单绕组LED驱动电源设计
基于三步隐式Adams法的同步电机阻尼绕组电流计算
10KV配变绕组材质鉴别初探
基于Hilbert变换的断路器选相合闸技术的研究
发动机挺杆自动充磁机控制系统的设计研究
一次不合闸故障引发的电池组更新问题