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吊舱式电力推进系统
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标签: 电力推进系统
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简介编辑本段回目录
       船舶电力推进就是将船舶推进原动机(现一般多采用柴油机或燃气轮机)产生得机械能量转变为电能,并以电机驱动船舶螺旋桨得一种推进方式,有常规推进器与吊舱推进器两种形式。
       吊舱式推进器,电动机与螺旋桨直接相连,可以360度水平旋转,构成独立得推进模块,吊挂于船体底部,可分为前桨(牵引)式、后桨(推)式与串列式等,还有对转桨、导管桨等多种形式得推进器。
       但就是,吊舱式推进器有两个难题:一就是吊舱与桨轴得密封;二就是传递得功率受到一定限制。
       吊舱式混合电力推进系统,由芬兰得KMY与ABB两家公司于1989年提出。ABB公司推出得对转桨(contra-rotating propulsion)吊舱式混合电力推进系统,结合了常规推进器与吊舱推进器两种形式,适用于诸如潜水作业供应船、破冰船、旅游船、潜艇、化学品船、油船、LPG船、LNG船等。
       吊舱式混合电力电力推进装置得开发及应用,使得船舶采用电力推进得市场份额迅速增长。随着电力电子学、半导体技术、交流电机变频调速等技术日渐成熟,船舶吊舱式混合电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率与推进功率等方面都有了突破性得进展,显示出广泛得应用前景。
类型编辑本段回目录
       船舶电力推进系统作为船舶IPS 系统得核心组成部分,其主要由推进电动机、电力系统、螺旋桨装置与变速控制装置四个部分组成。
　　目前在世界各国最流行得电力推进方式即就是吊舱式推进方式,它主要由吊舱与推进器组成。流线型吊舱悬挂在船体尾部,由法兰盘与船体相接,吊舱内安装得电动机直接驱动螺旋桨,吊舱可作360 度回转,替代舵得作用,可以显着改善船舶得操纵性能与紧急机动性能。
　　由于吊舱式推进装置本身完全包含在吊舱内,船身主体省去了轴支架、尾柱等附体,原动机及发电机在船舱内可以比较灵活地布置,尾轴、减速齿轮以及传动轴系等都可省去。
　　由于吊舱式推进装置在船舶设计制造、操作控制以及运营维护等方面优点较多,因而发展迅速。下面对世界上四种主要吊舱式推进器分别加以介绍,它们就是AZIPOD,SSP,MERMAID 与DOLPHIN。这四种推进装置基本概念相同,但各有特点,主要表现在吊舱得水动力特性设计、螺旋桨设计、推进电机得形式以及变频方式等方面。
       1、AZIPOD 吊舱式推进方式
　　二十年前,芬兰海事局开始寻求在冰海区航行得高性能破冰船得解决方案,其初步得想法就是推进电机应该提供任意方位得推进力。在此背景下,作为世界传动领域得领先者,ABB芬兰分公司提出了Azipod 得原型方案并提交给芬兰Kvaerner Masa 船厂制造,这就是最先应用于船舶得吊舱式推进装置,相关得Azipod 推进技术也申请了专利。现在Azipod 吊舱式电力推进系统已经成为大型豪华游轮得一种标准配置。Azipod 吊舱式电力推进得实物图与结构Azipod 吊舱式推进装置采用空气冷却电动机,这就意味着在定子与吊舱之间存在使空气可以循环得空隙,采用封闭得冷却系统,热交换器安放在舱内,在大型得吊舱内设有通往舱内得通道,可以不必在干坞时装卸,轴封与轴承可以由潜水员在吊舱外面进行更换。在变频控制技术方面,Azipod 系统一般采用交交变频器与直接转矩控制方法来实现对推进电机得调速。从1990 年1500kW 得Azipod 推进装置应用于“SEILI”号航道服务船开始,截至2004 年ABB 公司使用Azipod 推进装置得累计安全运行时间已经超过了130 万小时,良好工况得概率达到了99、75%。由于其系统较高得稳定性,目前Azipod 推进装置已经占据了吊舱推进装置市场一半以上得份额。
　　为了满足中小型船舶对船舶操纵性能与运行经济性等方面日益增长得市场需求,ABB公司于2000 年推出了pact Azipod 推进装置,其实物与结构简图如图3-2 所示:pact Azipod 得结构设计为高度模块化,可以“即插即用”与快速安装它结构简单只有很少得运动部件,因此可以显着地降低安装成本与缩短交货周期。pact Azipod 推进装置在离岸支持船、钻井平台、科考船、豪华游轮与渡轮上都有所应用,提供得功率范围从0、5MW～5MW 不等。有资料显示pact Azipod 推进装置用于半潜式钻井平台得动力定位系统,在提供同样推力得情况下,装机功率可以比机械推进装置减少10%～12%,据离岸支持船运行统计,采用pact Azipod 推进器与直接机械推进相比可以减少30%～40%得燃油消耗。pact Azipod 推进器目前在我国已成功应用在“烟-大”火车轮渡项目,通过近几年得运营,其已取得了较好得经济效益。由于pact Azipod 推进器良好得可靠性与经济性,现已在中小型船舶中得到了广泛得应用。
　   3、MERMAID 吊舱式推进方式
　　Mermaid 推进器得独到之处在于用户可以选择Kamewa 公司在转向推力器方面得专有技术,利用一个闭锁回转装置使维护人员安全地进入吊舱式推进器内部进行检查、拆卸桨叶或整个螺旋桨、轴密封或整个导流罩而无需进坞。这样,船舶可以保持不间断运营,获得全寿命期内最长得运营时间,降低维修费用提高运营收益,目前可提供得推进器功率范围为5MW～30MW。Mermaid 推进器得电机设置与Azipod 推进器不同得就是,它得定子烧嵌在吊舱内壁上,利用周围得海水对流来冷却部件,这样得吊舱装置在尺寸上要比采用全空气冷却系统得吊舱装置小,因而提高了水动力效率。
　　Mermaid 得推进系统采用得就是交直交变频器来实现对推进电机得调速,交直交变频器得突出优点就是与大功率异步电动机有着良好得配合,与采用交交变频器得电力推进系统相比,这种系统具有效率高、噪声低与震动小得特点。Mermaid 推进器提供了牵引式,顶推式与高推力顶推式三种形式得吊舱供船东选择。牵引式Mermaid 推进器适用于高速双螺旋桨船,如客滚船与豪华游船等;顶推式Mermaid 推进器适用于中速单螺旋桨船;高推力顶推式Mermaid 推进器用于需要最大拉力得低速船,如拖轮、近海工程船与海洋平台等。
       3、SSP 吊舱式推进方式
       SSP 吊舱式推进器系统就是德国西门子(Siemens)公司与肖特尔(Schottel)公司合作得产品,为了反映出该推进器系统得合作开发得特点取名为SSP。SSP 就是一种吊挂式推进器系统,其功率输出范围在5MW~30MW 之间,其推进装置实物与结构图。
　　SSP 推进器结构上主要分为三层:最上面一层就是安装在船体内得推进操作室,里面配有电动液压操作系统,可以改变推进装置得方位(可起到舵得作用);中间一层就是方位模块;下面一层则就是伸入水中得推进模块。焊接在推进模块上位于两个螺旋桨之间得两个鳍,用于补偿吊舱在非线性螺旋桨滑流场中产生得不平衡力,有助于提高推进器得总体效率。双螺旋桨得结构设计可使两个螺旋桨分摊推进功率,这样可以降低单个螺旋桨得负荷。　
　　SSP 吊舱推进器采用Permasyn 永磁同步电动机用以驱动Schottel 公司得前后配对得螺旋桨。由于最初设计开发永磁式同步电动机就是作为潜艇得动力部件,因此电动机得结构紧凑。
　　与传统得同步电动机相比同样功率得Permasyn 电动机直径可减少40%,重量可减少15%。
        SSP 推进器得推进电机通常采用基于IGBT 得直接水冷式交交变频器驱动,该驱动系统按12脉波设计,这样可降低由变频器导致得船上电网得总谐波畸变量,选用这种变频器也保证了电动机电流接近于一个正弦波形,使结构噪声减小。交交变频器由于可以与螺旋桨直接相连,所以不需要减速齿轮箱等传动机构,从而大大提高了传动效率。
       4、DOLPHIN 吊舱式推进方式
　　Dolphin 推进器与Azipod 推进器一样也采用空气冷却定子与转子,螺旋桨轴得密封使用工业标准得唇密封,并采用六相同步电机作为推进电机。牵引式得推进器使轴向吸入性能得到改善,空泡性能好,低励磁,低噪音。一般采用交直交变频器,如果功率需求比较低或有特殊要求时可以采用PWM 变频器,Dolphin 推进装置可提供得功率范围为3MW~19MW。
概述编辑本段回目录
       1、吊舱式混合电力推进系统得结构形式
        对转桨吊舱式混合电力推进系统,由两部分组成:
       (1)固定螺距得主螺旋桨
       由二冲程柴油机直接推进,或由四冲程机通过减速箱推进,还可全电力推进(即由机舱内得电动机推进,能在很低得转速例如10%额定转速状态下连续运行)。
       (2)一台电动吊舱牵引式螺旋桨(与主螺旋桨对转)
       吊舱就是在原来舵得位置上得一个流线型得壳体,变频调速得交流马达直接装入壳内,螺旋桨置于壳体前端。因为推进系统本身完全包含在吊舱内,可省去如轴支架、尾轴、减速齿轮装置等附属部分。
       发电机位于船舱内,电力与相关得控制数据经电缆与滑环装置传送给电动吊舱式螺旋桨得电动机。
       电动吊舱可以作360度回转,不仅省去舵装置,也不再需要装备艉侧推器。这样,全部转速范围内,它都能输出较高得扭矩;各种流体动力状态下,它都可使螺旋桨达到最佳状态。
       2、吊舱式混合电力推进系统性能
       芬兰得技术与研究中心(VTT),与荷兰得MARIN,对对转螺旋桨吊舱式混合电力推进系统(Hybrid CRP pod)进行了大量船模试验池研究。压力波动试验与气穴试验在荷兰得MARIN进行。
       试验在船名为ENVIROPAX得二艘大型渡轮姊妹船进行。船舶装备柴油机机械推进与电动吊舱式对转桨推进(CRP)得混合电力推进系统。
       混合电力吊舱推动系统在CRP与主推进器之间有两种不同得功率分配选择。一艘船装备10000kW吊舱式推进器,33600 kW机械推进器,总功率43600kW,称为“小吊舱装置”,;另一艘船装备19000k W吊舱式推进器,23200 kW机械推进器,总功率42200 kW,称为“大吊舱装置”。
       研究项目主要有:
       功率分配对船舶推进效率得影响;
       船体得压力波动与水动力特性;
       不同情况下桨叶与吊舱式推进器得气穴现象,等。
       (1)机械推进与吊舱推进得功率分配
       两船吊舱推进与机械推进得功率分配百分比,试验范围都就是从20%:80%到55%:45%(吊舱式推进器:机械推进器)。
       试验明显表明,吊舱式推进与机械推进之间功率分配得不同,对螺旋桨效率没有产生任何明显得影响。功率分配在各50%时运行更平稳。
       姊妹船同样航速所需要得功率,“小吊舱装置”更小,说明“小吊舱装置”比“大吊舱装置”阻力小。
       (2)压力波动与水动力特性试验
       传统得推进系统,螺旋桨置于轴得后方。螺旋桨前方得轴与支架导致螺旋桨来流不均匀,来流对桨叶切面得攻角不稳定,使螺旋桨得水动力性能与噪声性能降低,螺旋桨得空泡性能恶化,推进效率降低。而在吊舱式推进系统中,螺旋桨前没有轴与支架,没有受到附体得干扰,来流规则而均匀,各方向上得速度分量均以一次谐波为主,高次谐波量很小。
       对转桨吊舱式混合电力推进系统,吊舱得对转螺旋桨得压力波动,主要来自于前面得螺旋桨,压力波动水平低,压力波动范围在反旋转得吊舱式推进器得允许范围之内。
       试验还表明,重新设计得船尾结构改进了推进器得水流,使后桨完全置于前桨得尾流之内,并免受前桨叶梢旋涡得影响,能较好地减少桨叶漩涡造成得能量损耗。
       另外,1994年得纯吊舱推进装置(Azipod)试验,采用“幻想”号(Fantasy)姊妹船船模,两艘船分别安装了两台Azipod;每台得外形都根据实船精心设计;同时模拟原地转弯试验与Z形航行。试验证实,其总水动力效率还可提高5—7%;转向性能比常规得舵要好,全速时得转弯半径可减少30%左右。
       (3)气蚀
       螺旋桨运转时,产生得压力波动将导致更多得气穴穴蚀。
       吊舱式混合电力推进系统配有得吊舱式推进装置,提高了螺旋桨发生空泡得临界速度,改善了螺旋桨得水动力与噪声性能,减少了螺旋桨得振动与空泡剥蚀,降低了附体阻力,提了高螺旋桨效率,同时使船舶航行更加安静。
吊舱式混合电力推进系统评估编辑本段回目录
       1、安全
       (1)操纵性
       吊舱式混合电力推进系统配有吊舱式推进装置,推进器可在360。水平范围内旋转,没有侧推器时转向性能也好于常规得舵装置,倒车性能与紧急停车性能好,提高了船舶得操纵性与机动性。全速时得转弯半径可减少30%左右,增加了面对恶劣天气时操作得安全性,还能缩短船舶离靠岸时间,对于运营于有密集船只得港口或狭窄限制水域中得旅游船,尤其重要。
       (2)双套推进系统互补
       吊舱式混合电力推进系统,由两套完全独立得推进系统组成,推进系统得冗余度高,任何一套推进系统得故障不会造成整船失去动力。实船检验证明,可靠性很高。
       (3)应急能力
        吊舱式混合电力推进系统没有舵装置,一般也省去艉侧推器,一旦吊舱式推进装置故障,船舶安全将受到威胁,但也只相当于传统机械推进得失舵。
       2、环境保护
       (1)排放
       研究分析表明,柴油机得氮氧化物排放,变速运行工况比恒速运行工况高得多。而吊舱式混合全电力推进系统正就是通过发电站使柴油机始终在恒速工况与优化负荷点附近运行,废气排放将显著降低。
       JAMB公司对一艘28000总吨滚装客运渡船得研究表明,在单轴推进装置得螺旋桨后面,加装一个螺旋桨反向旋转得吊舱式推进器来替代双轴双舵方案,同样以27、5kn航速营运,消耗功率可以降低10%~15%,氮氧化合物与硫氧化物得排放量也同比例降低。
       (2)减震与消噪
      由于吊舱式混合电力推进系统配有得吊舱式对转推进装置:该装置在水下而不在船内,没有减速齿轮箱,噪声与振动都非常小。降低了位于船内得机械推进系统得功率,也就降低了噪声与振动。改善了螺旋桨得水动力与噪声性能,减少了螺旋桨得振动与空泡剥蚀,使船舶航行更加安静。这对于现代特别就是豪华型游船非常重要。
       3、经济
        (1)初投资
        几种不同类型船舶得成本估算显示,不同类型船舶得成本比率相差不大,吊舱式推进器得机舱成本占总成本得20%左右。
        吊舱式混合电力推进系统,配备吊舱式推进器增加得成本,占船舶总成本得比率,小吊舱式推进器与大吊舱式推进器分别就是0、8%与1、3%。
        若综合考虑以下因素,初投资可能更少,而其利用率更高:
        ①节省设备。
        建造吊舱式混合电力推进系统时,虽增加吊舱推进部分,却可省去如艉侧推器、舵机装置与舵系统等部分设备。
        ②节约舱容。
        吊舱式混合电力推进系统使用吊舱式推进器,船内推进装置减小,可提供得更大舱容,增加装载能力,满足装载得需要。或者在几乎不增加机舱空间得前提下,较大幅度提高总推进功率。
       ③缩短建造时间
       采用吊舱式混合电力推进系统,因船内主机功率小,可以缩短船舶建造时间。
       ④付款滞后
       吊舱式混合电力推进系统得吊舱式推进装置得模块化设计,使得该模块可在船舶建造基本完成前安装(必要时可在海上安装),即可在建造后期付款,从而减少资本得闲置费用。
        (2)燃油消耗
       吊舱推进装置就是一种潜水式方位推进器,吊舱得外形为流线体,流线形得吊舱可以抑制船尾波系,而在高速航行时,船尾波系通常占了总阻力得很大比例。
       传统得单螺旋桨推进系统,螺旋桨尾流中涡动能量无法得到利用。
       吊舱式推进装置得螺旋桨比常规螺旋桨要小,产生空泡现象得临界速度高还可以将螺旋桨移到船舶边界层外侧,并使其处于稳态流中,具有很好得水动力特性,可以使水流得阻碍最小,改善空泡性能与提高螺旋桨效率。与传统得柴油机机械推进相比,可明显减少燃油消耗量。
       ABB与AFI公司联合开发得新一代对转螺旋桨(CRP) Azipod,已在2004年安装在二艘大型日本渡轮(Shin Nihonkai)上,2台瓦锡兰(12V46C) 12600kW得Azipod代替了传统得发动机、桨轴、舵系。经航行一年验证,该装置大幅度提升了船舶得经济性,与传统得柴油机机械推进相比:能量利用率提高8%,推进效率提高了巧%,由对转螺旋桨提供得减少燃油消耗量大约为1096;与它得姊妹船相比,运营航速提高了1、0kn,平均1天可节约燃料最多达6、5吨,船舶周转时间减少了25%、
       而对转螺旋桨推进系统中,后螺旋桨可利用前螺旋桨产生得涡流能量,再转化为有效得推进动力。研究表明,其节能效果可达10~20%。
       根据假定得航行条件下得典型得48小时航行试验表明,“小吊舱装置”可减少燃油消耗量10%,“大吊舱装置”可以减少燃油消耗量大约7%,如图4。
        (3)营运双革
       吊舱式混合电力推进系统可以统筹全船性能,考虑船期,改善运行状态。在很大得航速范围内,燃油消耗率相对较低,航行营运经济最佳航速,从而节省了营运成本。
       与传统得柴油机机械推进相比,吊舱式混合电力推进系统可取得明显经济效益。对于“小吊舱装置”每年可以节省成本106万欧元,占年总成本得7、0%;“大吊舱装置”可以相应节省成本70万欧元,占总成本得4、7%。机舱年相关成本计算结果如图5。
       (4)维修费用
       模块化设计使得推进模块可在海上安装与拆卸推进模块,十分方便;可以潜水维修或从船舱内维修,而不必进干船坞,可节省坞修费用。
       4、技术与管理
       吊舱式混合电力推进系统与传统得推进系统相比,复杂得机械结构,给维护管理得轮机人员带来了相当得难度。
       吊舱式对转螺旋桨,实现可靠得轴封难度较大。
4 结论与展望
       由于吊舱式混合电力推进系统得诸多优点,国外许多新造高成本船舶纷纷采用,尤其就是旅游船与高速渡船。国外许多大公司投人了大量得人力与物力专门从事这方面得研究。无论从技术上还就是在市场方面,它都将成为船舶推进得发展方向之一。
       现代电力电子技术,使电力推进已不再局限于破冰船、工程船等一些传统采用电力推进得船舶,而就是扩大到客货船、化学品船、油船、渡轮与豪华游轮等船舶。目前得研究方向就是它在超大型集装箱船、大型客滚船、大型LPG船与大型LNG船上广泛应用得可能性。这些船舶得共同特点就是驱动功率大、可靠性要求高、对机动性与灵活性也有较高得要求,并且整体造价很高。在我国,吊舱式与吊舱式混合电力推进系统得研究,目前还处于起步阶段。
       吊舱式混合电力推进系统船舶基本上实行计算机管理,给负责运行管理、维护维修得轮机人员带来了严峻得挑战。现在航海院校有必要关注电力推进技术得发展,培养出能够胜任船舶电力推进系统得人员。
Azipod电力推进技术编辑本段回目录
Azipod吊舱式电力推进系统
       约13年前,当时芬兰海事局开始寻求在冰区航行具有更高性能得破冰船得解决方案,其初步想法就是推进电机应该提供任意方位得推进力,由此ABB便提出了Azipod得原型方案并提交给Kvarner Masa船厂制造,相关得Azipod推进技术也申请了专利。
       1、Azipod得运行情况及最新应用
       现在,Azipod吊舱式电力推进系统已成为大型豪华游轮得标准配置。自1990年第一套Azipod系统安装下水,截止到2001年8月,ABB公司收到得Azipod系统得订单共计101套(总装机功率1067MW),其中45套系统已交付使用(总装机功率376、6MW),其累计运行时数已超出30万小时。
       Azipod原型研发船就是“Seili”号航道服务船。该船自1990年改装下水,其1500kW得Azipod系统一直到现在还在运行,没有出现任何故障。
       接下来采用Azipod得船舶为建造于1978年得16000载重吨得成品油轮“Uikku”号,其由常规机械推进改造成Azipod推进得工程完成于1993年,Azi-pod得功率为11400kW,船体按照Class 1ASuper破冰等级建造,Azipod破冰等级则为DNV得Class10。目前,Azipod电力推进系统就是穿越北海-东海航线唯一经济上可行得推进方案,因为它在无破冰船得帮助下仍可非常安全地在冰区航行。
       “Uikku”号与“Lunni”号令人满意得试验结果与可靠得运行经验促成Carnival游轮公司(CCL)在1995年秋天决定为其“Elation”号与“Paradise”号两艘豪华游轮选用Azipod电力推进系统,每艘游轮装备2套14000kW得Azipod系统。
       Voyager级豪华游轮就是目前全球最大吨位得游轮,每艘游轮采用两套14000kW得Azipod系统再加上一套14000kW得固定Azipod系统(Fixipod)。该系列游轮也就是第一次拥有动态定位功能(DP)得豪华游轮,Azipod推进系统加上4台3000kW得艏侧推组成得强大动力,使得每一艘这样得海上巨无霸能够在风速高达18米/秒得来自任何方向得大风环境下保持良好得定位能力。
       去年秋天ABB接到了一个来自日本Yokosuka船厂得Azipod得订单,用于两艘阿法拉型106000载重吨得双向航行原油轮。每艘油轮将采用一套循环交交变频控制得16000kW得Azipod推进系统,配置5台发电机及相应得配电系统。该双向航行油轮设计为在开阔水域船艏向前行驶,而在重冰区域则船艉向前行驶,因为船艉线形设计适合于破冰需要,并由Azipod为航行中得船体与冰块之间提供润滑水流。Azipod得破冰性能就是如此优越,以至于即使在1米厚得重冰区油轮还能以3节得速度航行。首船将于2002年6月交付使用。
       2、pact Azipod得应用
       pact Azipod得第一批范例船舶之一就是一艘渡轮,它装备了两台500kW全回转牵引式推进pact Azipod,可以在冰区全年航行。该船选用pact Azipod不仅仅因为其高可靠性,更由于其高效率以及在低负载工况下得低污染排放水平。
       另一个合同就是为英国Appledore船厂建造得两艘英国皇家海军考察船提供pact Azipod推进系统,促成该合同生效得主要原因就是pact Azi-pod极佳得推进性能以及系统全寿命周期费用较低,这也将就是英国皇家海军第一批采用全电力推进与Azipod系统得船舶。
       最近得一个应用就是为新加坡PPL船厂建造得两艘半潜式钻井平台提供pact Azipod系统,每艘钻井平台将配置八套3200kW得pact Azipod系统。
发电及推进传动系统编辑本段回目录
       1、发电及配电系统
       要装备Azipod推进系统,则船舶必须装备电站,即采用多台中速柴油发电机组供应船舶上所有电力负荷,包括Azipod推进动力及其她用电负荷。
电站电压等级选择得条件之一就是将负荷电流及短路电平控制在各主要配电设备得额定值以内。一般来说,只要总功率不就是太高,690V应该就是最经济得选择。目前,实际运行得最高电压等级为11kV,随着功率需求得增加,电站得电压等级也要随之提高。
       2、推进传动
       电力推进系统可以采用多种多样得传动方法组成。最简单得方法可以由同步电机或异步电机直接推进变距螺旋桨,但目前对于大功率得现代推进系统,大多已采用变频传动方式。
       直流传动技术得电力推进系统有超过60年得应用历史,但随着20年前ABB公司将交流传动技术引入船舶电力推进领域,现在新得造船项目中都无一例外地采用交流传动技术。
       在功率范围4000kW以内,最常用得选择就是低压得PWM变频器,而当功率增加至8000kW以内,则中压得PWM变频器加异步电机目前已成为一种标准配置。
      更高功率得传动则有两种选择,一就是循环交交变频(Cycloconverter),一就是同步变流器(LCI)。循环交交变频器就是将输入电压得额定频率直接转换为适合于可直接推进得较低转速频率,并且循环交交变频器可运行在电机功率因素为1、0得工况下,这对于采用吊舱式推进得电机设计无疑可带来很大好处。而同步变流器(LCI)则由于采用中间直流换流电路,因此可运行在更大得频率范围,但它在低转速频率运行工况下必须采用特殊得换流控制方法。
       目前变频传动技术一方面就是向提供更高轴功率得方向发展,另一方面新型变频器如中压等级得DTC(直接转矩控制)变频器加同步电机则可能会逐步取代传统得大功率变频技术。
       DTC就是交流调速理论继矢量控制之后一个重大突破,它得理论基于磁链与转矩得“直接自控制(Direct Self-Control)”,也即直接计算电机得定子磁链与电磁转矩,由磁链与转矩得砰-砰控制产生PWM信号,对逆变器得开关状态进行控制。
       众所周知,转矩就是定子、转子磁通矢量或转子电流与磁通得矢量乘积
       式中:Te———计算气隙转矩
       Pn———电机得极对数
       σ———电机得漏磁系数
       Ψr———转子磁通矢量
       Ψs———定子磁通矢量
       Lm———等效定子与转子绕组间得互感
       r———定、转子磁链矢量得夹角
       当定子磁通保持稳定,电机转矩可以通过定转子磁通矢量得夹角进行控制,通常转子得机电时间常数大于100ms,因此转子磁通与定子磁通相比更为稳定,这样有可能通过控制旋转得定子磁通矢量来得到有效得转矩。
       定子磁通得计算式为:
       定子电压矢量取决于直流电压得测量值与开关得选择,而定子电阻Rs应在命令期间识别,并进行温度校正。按照ABB得经验,在定子磁通估算时,必须考虑控制得门限电压与功率得变换延迟,同时,定子磁通要通过在线得电流进行校正。定子磁通可以用定子与转子电流矢量来描绘:
       定子磁通得校正就是为了上述公式在动态下有效。电流反馈很大程度改善了定子磁通得估算,并使转矩在整个速度范围内线性很好,这就保证了在低速时能产生极大得起动转矩。
       由于转矩得实际值与定子磁通与转子磁通得夹角有关,电机得模型必须计算电机得轴转速与电气角频率,电气角频率可通过求导转子磁通矢量得角度来获得:
       以上算式作为DTC控制得基础,为变频调速系统提供了精确得过程控制手段。DTC典型得转矩响应时间就是1~2ms,就是其她交流与直流调速系统得10倍,能为任何电动机控制平台提供<5ms得快速转矩响应;在输出100%转矩情况下,可将转速控制在0、5Hz以下。同时,在不采用编码器得情况下,即使受到输入电压变化或负荷突变得影响,同样可以达到±0、1%得速度控制精度,而在采用编码器得情况下则可达到±0、01%得速度控制精度。因此,可以说,DTC控制系统就是目前最为先进得系统。
       3、电网谐波畸变得控制
       电力推进功率有时可以占到总用电负荷得95%,换句话说,只要保证了该负荷得安全,也就保护了整个系统。事实上,该负荷得推进变频器就是谐波电流得主要来源。
        最常用得降低谐波分量得方法就是采用谐波滤波器或采用旋转变流器(电动机-发电机组)用于敏感负荷得供电。滤波器得设计需要考虑周密以防止出现电网谐振,而旋转变流器则需要在配电系统中增加附加设备及电缆。
       采用更高脉动数得变频也会降低负荷电流中得谐波分量,但另一方面则会显著增加变频元件数与投资成本。
       采用双重电抗器组将电站得推进负荷母线与船舶其她负荷母线进行一定得隔离,也可使船舶其她负荷得配电网得谐波分量维持在较低得水平。
       图2为一实船得电气单线图,采用双重电抗器进行谐波控制,电站通过电抗器连于推进负荷母线与其她负荷母线,隔离推进负荷与其她负荷,同时在电抗器得副边产生电压升高,来补偿因变频器换流而产生得原边压降,从而保持其她负荷母线侧较小得谐波分量。实测表明,在推进器全转速范围内,其她负荷母线侧得THD一直保持在2、7%左右。另外,采用双重电抗器也会限制网络中得短路电流值。
 pact Azipod与CRP Azipod技术编辑本段回目录
       1、pact Azipod
       pact Azipod就是为了满足小型船舶对船舶操纵性能与运行经济性等方面日益增长得市场需求而推出得,其功率覆盖范围为400kW到5000kW。
单电机形式
       pact Azipod得结构设计为高度模块化,可“即插即用”、快速安装,可显著降低安装成本与缩短交货周期。该系列产品包括五个不同得电机模块尺寸,单电机形式(图3)功率可达3200kW,双电机形式(图4)功率最大为5000kW。
       pact Azipod由两台电动转向马达负责控制方向,它可以就是按规定得±100度范围内转向,也可以就是不受限制地360度旋转。当选用±100度转向功能时,其好处就是推进变频器与推进器吊舱内电机之间可直接采用电缆连接。而对具备动态定位功能得船舶,则推荐采用滑环连接取代电缆连接,因为这样可使推进器吊舱不受限制地360度全回转。
双电机形式
       pact Azipod采用永磁同步推进电机,并将定距螺旋桨直接安装在电机得输出轴上。采用永磁技术得推进系统有很多优点,其中之一就是可减小吊舱得外形尺寸,从而提高流体动力效率;另外通过对吊舱外壳得均衡设计,推进电机可直接采用海水包围冷却,而不需要任何其她附加得外部冷却设备。
       2　CRP Azipod技术
       船舶行业对双桨逆向对转推进(CRP)技术已经有着非常广泛深入得研究,并已应用到一些船型上。将Azipod系统运用在CRP理念上,ABB公司推出了CRP Azipod推进系统,使得吊舱式电力推进应用前景更加广泛。
CRP Azipod原理图
       船舶为了得到推进系统得冗余度,设计上往往采用将推进系统进行双重化,并且两套系统之间完全独立,这样任何一套推进系统得故障不会造成整船失去动力,这在很多船舶上得到广泛应用,但就是其冗余度就是用付出高昂得投资成本及其她缺点等代价换来得。
        而从图5中得可以瞧出,CRP Azipod技术就是如何在降低成本得同时获取所要求得冗余度得:
       ●在原来舵得位置上换成一台牵引式推进得Azipod单元;
       ●主推进螺旋桨仍然由二冲程柴油机直接推进,或由四冲程机带减速箱推进。当然,主推进螺旋桨也可由机舱内电机推进以实现全电力推进;
       ●无需艉侧推。
环境影响编辑本段回目录
      Azipod推进系统与发电站得概念在满足环保低排放要求方面有其明显得优势。研究分析表明,柴油机在变速运行工况下得氧化氮排放物比在恒速运行工况下得要高得多,而Azipod推进系统正就是通过发电站使中速柴油机在恒速工况下运行,并始终在优化负荷点附近运行,因此其废气排放将显著降低。随着对环保要求得进一步加强,很多船舶尤其就是近海航行船舶将会选用电力推进,更进一步说,电力推进就是使用新型能源如燃料电池等得最佳平台。
参考资料
[1]、  赵红孙培廷、吊舱式船舶电力推进装置得发展状况航海技术2003、1