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船舶电力推进几种典型方式的比较
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1970年代以前,主要采用直流电力推进系统,因为直流电机转速调整范围宽广和平滑,过载起动和制动转矩大,逆转运行特性好;而交流电动机尽管具有输出功率大、极限转速高、结构简单、成本低、体积小、运行可靠等优点,但限于当时的技术限制,调速困难,应用较少。
随现代控制理论和数字控制、直接转矩控制、矢量控制等电力电子技术的发展,交流调速系统的性能已经可以与直流调速系统相媲美[1]。交流电力推进系统的应用,已经成为船舶电力推进发展的主流,呈现出蓬勃发展的态势。水面船只,交流电力推进占主导地位,所选用的交流电动机,交流异步电机、交流同步电机、永磁同步电机等并存。只有潜艇,仍是直流推进占主导地位。
世界著名的电气集团,如SIEMENS,ABB,以及ALSTOM等,都研制出船舶交流电力推进的成套装置,功率从几百千瓦到几十兆瓦,其中以吊舱式推进器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推进系统,功率已达40MW,性能可靠,传动效率高,节省空间,已成功地应用在油轮、破冰船、邮轮、化学品船、半潜船等多种船型,并在近期新造船舶市场获得良好评价。
目前,船舶采用的电力推进系统,型式多种多样,但归纳起来基本可分为以下五类[2~4]:
•可控硅整流器+直流电动机
•变距桨+交流异步电动机
•电流型变频器+交流同步电动机
•交一交变频器+交流同步电动机
•电压型变频器+交流异步电动机
选择电力推进装置时,主要关注价格、功率范围、推进效率、起动电流、起动转矩、动态响应、转矩波动、功率因数、功率损耗、谐波等指标。本文从以上五类电力推进装置的工作原理出发,分析其工作特性,并比较关键指标。
1 可控硅整流器+直流电动机
。1940和1950年代,推进系统采用原动机一直流发电机一直流电动机形式,通过调节发电机励磁电流的大小和方向,调节电动机转速及转向。
1950年代末,大功率可控静态电力变流元件研制成功,可控硅整流装置出现,直流电力推进系统演变成可控整流器加直流电动机模式。晶闸管的问世加速了这种推进技术的发展,拓展了其应用领域。至今,该种推进形式仍不失为一种高效、经济的推进方案。
可控硅整流器+直流电动机系统,采用全桥式晶体管整流器为一个电枢电流可控的直流马达供电,原理如图1。
其基本工作原理是:
图1 “可控硅整流器+直流电动机”原理图
•通过控制晶闸管导通角,改变触发电路输出脉冲的相位,从而改变直流电机的电枢电压Ud,再由此改变电枢电流,实现电机速度的平滑调节;
•利用可控整流电路调节励磁电流,使电动机能够在转速一转矩坐标的任一象限运行。
可控整流电路最基本的变量是控制角α(从晶闸管承受正向电压起到加触发脉冲使其导通的瞬间,这段时间对应的电角度)。α与各电压、电流之间的关系决定了可控整流的基本特性。功率因数与转速成正比,在0~。
这种推进方式的优点:
•控制角α的控制范围,理论上是0~180°;实际上一般在15~150°,是考虑到电网的压降,确保电机可控,控制角α确保留有换流边界;
•起动电流及起动转矩接近于零;
•扭矩波动平滑;
•动态响应一般小于100毫秒。
缺点是:
•转矩控制不够精确,若要得到精确平滑的转矩控制,必须提高电枢感