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电力推进船舶推进电机驱动方式

2014-11-27 18:23阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2152327292

推进电机驱动方式
1 引言
电动机是把电能转化机械能的最普通的设备，它被用于电力推进，侧推或位置保持，以及其它的甲板负载，像起货机，泵，风机等。船上设备中80%-90%的负载都是电动机。
给出了船上各种电动机的简短概述及其应用，关于电动机的设计和性能的详细描述，请参考其他书籍。
使用的电动机有：
- 直流电动机
直流电动机必须使用直流电，但由于发电和配电系统通常是三相交流电，这意味着直流电动机必须由整流器供电。这也给出了电机速度控制方法。
- 异步电动机（感应电动机）
异步电动机（感应电动机）是工业的动力源。它粗糙简单的设计确保它在大多场合使用寿命长，故障和维护都最小化。异步电动机应用在任何场合，既可作为恒速电机直接连接在电网上，又可作为由静止变频器供电的调速电机使用。给出了关于异步电动机设计和运行性能方面的详细解释。
- 同步电动机
除了大型推进装置，同步电机在船上通常不作为电动机使用，具有代表性的是，当其功率大于5MW时直接与螺旋桨轴相连接，或者功率大于8-10MW时使用齿轮箱连接。在比这些功率更小的范围时，用同步电机通常不划算，异步电动机在成本上更具有竞争力。同步电动机的设计跟同步发电机相似。在船上，如果没有变频器供电的调速控制系统，通常不使用同步电动机 。
- 永磁同步电动机
永磁同步电动机在工业上被用于一些小功率驱动场合，也用于直接驱动的场合。近年来，它也被应用于大功率场合，若干MW的推进装置，首先应用于海军装备，但是现在也应用在吊舱推进上。这种设计的优点是体积小，效率高，特别适用于吊舱推进，使吊舱尺寸尽可能的小，直接用水冷却，消除了用空气冷却吊舱电动机的需要，且结构简单，便于安装。其设计和性能见。
- 其它电动机
还有一系列的其它电动机被应用于商业或实验领域。它们占有很少的市场份额，特别是船用市场。根据电动机设计的高效率，小尺寸，或者是一定场合的专门设计，在不久的将来一些变速驱动的新概念可能会出现。它们很有可能是基于上述原理的或者是由这些原理派生出来的。
2 直接跟电网相连的恒速电动机
电动机可以直接连在电网上，像这样直接相连（DOL）的电动机通常是三相异步电动机，或感应电动机。异步电动机的设计简单，粗糙，三相定子绕组与发电机的定子绕组相似。转子是由铁心叠片和跟同步电机阻尼绕组相似的短路绕组组成的圆柱。在空载状况下，电压作用在定子绕组上，在电动机中形成磁场，磁场穿过气隙并以电压频率旋转，这个旋转的频率叫同步频率，则对应的同步转速为：
电力推进船舶推进电机驱动方式

当轴上加上负载时，转子的转速将会下降，由于这个速度与定子旋转磁场的同步转速有相对旋转速度，这在转子绕组中会感应出电流。定义电机转子速度与同步速度相对落后的程度为转差率：
电力推进船舶推进电机驱动方式

所以转差率的变化范围为0（空载）到1（堵转）。大多数电机的设计转差率在额定负载时通常低于5%，大型电机甚至低于2%-3%。
从异步电动机的电机模型，可以推导出定转子电流，轴扭矩，功率都是关于转差率的函数数学公式。一个复杂的因素就是参数，尤其是转子参数，这些参数十分依赖于转差率，也就是转子电流的频率，这些对频率的依赖性必须考虑在内以获得更精确的结果。
图1给出了被连接在恒频电网的异步电动机的定子电流和轴扭矩，它们都是转子转速或转差率的函数。它也给出了变距桨侧推器在零桨距和全桨距时的负载曲线。启动侧推电动机时应该使变距桨桨距为零，确保足够的扭矩裕量用于安全启动，并使启动时间最短。
在稳定条件下，电动机的转速接近同步转速，转子的感应电流几乎与转差率成正比，轴扭矩亦是如此。从下述的电气模型，可得到定子电流有效值的简单表达式为：
电力推进船舶推进电机驱动方式

Im是流过磁化电抗的磁化电流，忽略通过铁心等效电阻的电流分量。Is是折算到定子侧的转子电流，T是扭矩。下标N表示是额定状况下的量，如果忽略定转子的漏感，可简单表示为：
电力推进船舶推进电机驱动方式

当转差率接近峰值扭矩甚至更高时，假设就不再有效，因为忽略的漏感影响变得很大，负载定子电流将遵循图1所示的平滑特性曲线，这个幅值（堵转电流）约为额定电流的5倍。
电力推进船舶推进电机驱动方式

图1 直联异步电动机配可调螺距桨的负载特性曲线
由于异步电动机的起动电流比较高，经常有必要安装软启动设备。软启动器可把启动电流从5倍的额定电流减小到2-3倍的额定电流，而且也可减少电压降。软启动器必须总是适合电机的负载特性，它们的原理都是根据减小启动时的电机电压，从而减小电机的扭矩。它们最普通的用法是：
直接起动：
启动和运行：闭合开关A
应用于电动机额定功率跟运行发电机容量相比较小的场合，启动瞬时电气指标和扭矩都在允许值内。
星型-三角形启动：
启动：A和C开关闭合，B断开。运行：A和B开关闭合，C断开。此时起动电流为直接起动时的1/3，启动扭矩也有类似的减少。此方法可使启动瞬时值在允许的范围内。启动负载扭矩必须较低以确保合适的加速。
自耦降压启动：
启动：闭合B、C，断开A
运行：闭合A，断开B、C
减小起动电流，这依赖于自耦变压器的变比。由于自耦变压器的变比，电网电流比电机电流小。启动扭矩必须被减小以确保负载的允许加速。
半导体（晶闸管）软启动：
启动：闭合B，软启动器用来控制电动机电压
运行：通常用一个旁通开关A，以减少损耗
用来减小瞬间启动电流。这种可控软启动器可以利用程序给出各种大小的加速度，以尽可能适应负载的限制。由于电动机的启动扭矩以电压平方的形式减小，必须小心地调节启动特性以确保合适的加速。在启动时，软启动器使电压产生六脉整流的特征谐波。


3 调速电机驱动装置和控制策略
直接起动的电动机的转速直接由电网频率决定。对于主推，侧推， 泵，起货机等，通过减少运行时的空载损耗以节约能源或燃油损耗具有重大意义。此外，通过控制电动机的转速将会大幅度的提高所驱动负载的可控性。其缺点首先是在经济上，因为增加了额外投资成本和需要维护的其他设备。如果投资合理，那么较少的损耗或增加的收入可以偿还那部分额外的投资。船上每产生1千瓦时的电所需要的花费（包括燃油，维护，税等费用）为1克朗（挪威货币），平均每年减少1MW的功率损失，会节约876万克朗，大约为1100万美元。
最常见的电动机驱动装置为：
- 驱动交流电动机的电压源型变频器，交流电动机指异步电动机，同步电动机和永磁同步电动机。
- 驱动交流电动机的电流源型变频器，交流电动机通常为同步电动机。
- 驱动交流电动机的循环变流器，交流电动机通常为同步电动机。
- 驱动直流电动机的直流变流器或可控硅整流器。
- 在船上，大多数的调速传动使用交流电动机，多数的驱动器，除了循环变流器外，都有整流器和逆变器组成，整流器把线电压整流成直流供逆变器使用，逆变器提供调频调压的电源供给电动机。后面部分将详细讲述这些概念。
电动机的控制器包括速度控制环节和电流控制环节，电流控制是通过整流器和逆变器的开关设备实现的。控制器通常需要一个接口和优先级控制系统、船舶管理系统、机动控制、动态定位控制系统交换信息。电动机的控制器获得从电动机传感器来的测量信号和反馈信号。测量参数包括电动机的电流，转速，有时还有温度和电压。控制框图如图2所示：
电力推进船舶推进电机驱动方式

图2变速驱动器结构，展示了有直流环节的变频器结构，适用于VSI（电压源型）和CSI（电流源型）变流器
电力电子器件分为不可控的（二极管）或可控的（晶闸管，IGBT，IGCT）。图3给出了一个低压IGBT模块，它是一个包含所有开关设备的690V逆变器模块，和一个被拆开的3300V中压逆变器中使用的IGCT。
电力电子学被看作一独立的科学领域，进一步的学习。
电力推进船舶推进电机驱动方式

图3 a）IGBT b）IGCT
如果设计允许，电动机可以双向运转，即电动状态或制动发电状态。为了区分电动机被设计运行在何种状况下，经常采用象限的概念来区分。象限参照速度-扭矩的四象限图，如图4所示。电动机运行在电动状态，即电动机吸收功率驱动轴上负载，运行在I 、III象限。相反，电动机运行在制动状态，即轴上负载的机械功率驱动电动机，运行在II 、IV象限。
电力推进船舶推进电机驱动方式
图4扭矩-速度四象限图
电动机的驱动装置通常有一个速度控制功能，这个功能的输出被当作扭矩指令或参考值，之后在输入到电动机的控制算法中去。这些算法运用先进的电动机模型通过开通或关断整流器（如果可控）和逆变器的开关设备控制电动机的电压和电流。
控制器通常由一个控制原理框图，如图5所示。扭矩控制通过消除速度控制环完成，给出的扭矩命令直接输入到电动机的驱动装置，如图5中的虚线。电动机转速通常通过测量的方法得到，但是新型的电动机控制器安装有速度估计器，对大多船用电动机而言，取消了专门的速度传感器。
电力推进船舶推进电机驱动方式

图5 电机驱动器的控制模块
由于许多实际原因，电动机传动的速度控制环被看作一个PI（或PID）的闭环控制，内部带有扭矩闭环控制，根据控制意图扭矩控制可被看作一阶滞后环节。对最高控制环节的仿真和综合，应该应用图6中的简单框图。
电力推进船舶推进电机驱动方式

图6越控系统中适用于仿真和综合的简化控制模块

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