作者：高海波 高孝洪 陳輝
內容提要：此文介紹目前市場上五種類型電力推進係統，並分析比較它們的工作原理和特點。
0 前言
船舶電力推進，有直流推進和交流推進兩大類。
1970年代以前，主要采用直流電力推進係統，因為直流電機轉速調整範圍寬廣和平滑，過載起動和製動轉矩大，逆轉運行特性好；而交流電動機盡管具有輸出功率大、極限轉速高、結構簡單、成本低、體積小、運行可靠等優點，但限於當時的技術限製，調速困難，應用較少。
隨現代控製理論和數字控製、直接轉矩控製、矢量控製等電力電子技術的發展，交流調速係統的性能已經可以與直流調速係統相媲美[1]。交流電力推進係統的應用，已經成為船舶電力推進發展的主流，呈現出蓬勃發展的態勢。水麵船隻，交流電力推進占主導地位，所選用的交流電動機，交流異步電機、交流同步電機、永磁同步電機等並存。隻有潛艇，仍是直流推進占主導地位。
世界著名的電氣集團，如SIEMENS，ABB，以及ALSTOM等，都研製出船舶交流電力推進的成套裝置，功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，其中以吊艙式推進器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推進係統，功率已達40MW，性能可靠，傳動效率高，節省空間，已成功地應用在油輪、破冰船、郵輪、化學品船、半潛船等多種船型，並在近期新造船舶市場獲得良好評價。
目前，船舶采用的電力推進係統，型式多種多樣，但歸納起來基本可分為以下五類[2~4]：
·可控矽整流器+直流電動機
·變距槳+交流異步電動機
·電流型變頻器+交流同步電動機
·交一交變頻器+交流同步電動機
·電壓型變頻器+交流異步電動機
選擇電力推進裝置時，主要關注價格、功率範圍、推進效率、起動電流、起動轉矩、動態響應、轉矩波動、功率因數、功率損耗、諧波等指標。本文從以上五類電力推進裝置的工作原理出發，分析其工作特性，並比較關鍵指標。
1 可控矽整流器+直流電動機
1970年代以前，船舶電力推進係統中，直流電動機占據主導地位。1940和1950年代，推進係統采用原動機一直流發電機一直流電動機形式，通過調節發電機勵磁電流的大小和方向，調節電動機轉速及轉向。
1950年代末，大功率可控靜態電力變流元件研製成功，可控矽整流裝置出現，直流電力推進係統演變成可控整流器加直流電動機模式。晶閘管的問世加速了這種推進技術的發展，拓展了其應用領域。至今，該種推進形式仍不失為一種高效、經濟的推進方案。
可控矽整流器+直流電動機係統，采用全橋式晶體管整流器為一個電樞電流可控的直流馬達供電，原理如圖1。
其基本工作原理是：
圖1 “可控矽整流器+直流電動機”原理圖
·通過控製晶閘管導通角，改變觸發電路輸出脈衝的相位，從而改變直流電機的電樞電壓Ud，再由此改變電樞電流，實現電機速度的平滑調節；
·利用可控整流電路調節勵磁電流，使電動機能夠在轉速一轉矩坐標的任一象限運行。
可控整流電路最基本的變量是控製角α (從晶閘管承受正向電壓起到加觸發脈衝使其導通的瞬間，這段時間對應的電角度)。α與各電壓、電流之間的關係決定了可控整流的基本特性。功率因數與轉速成正比，在0～0.96之間。
這種推進方式的優點：
·控製角α的控製範圍，理論上是0～180°；實際上一般在15～150°，是考慮到電網的壓降，確保電機可控，控製角α確保留有換流邊界；
·起動電流及起動轉矩接近於零；
·扭矩波動平滑；
·動態響應一般小於100毫秒。
缺點是：
·轉矩控製不夠精確，若要得到精確平滑的轉矩控製，必須提高電樞感應係數，但會引起係統動態性能減弱，功率因數偏低，增加係統損耗；
·直流電機驅動需要的換向器，是一個易發生故障的部件；
·會對船舶電網產生較大的諧波汙染，因為采用了大功率電力電子器件；
·直流電動機固有的結構複雜、成本高、體積大、維護困難、效率低等缺點，阻礙了它在船舶電力推進領域的廣泛應用。
目前，船舶推進所應用的直流推進電機的容量，在2～3MW之間。
2 交流異步電動機+可調螺距螺旋槳
交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Direct on line)模式，多采用鼠籠式感應恒速電機驅動變距槳實現，船速的控製靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數轉換開關實現電機速度控製。
這種推進方式的優點是：
·幾乎沒有影響電網的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件；
·電動機轉矩穩定沒有脈動；
·在設計點運行時效率很高。
但缺點也不少，例如：
·交流異步感應電機起動瞬間電流較大，通常是正常電流的5～7倍，係統電網壓降大；
·起動瞬間機械軸承受的轉矩大，約為額定轉矩的2～3倍；
·極低航速，螺距近似為0時，仍要消耗額定功率的15％，電流約為正常值的45～55％；
·功率因數低，滿負荷時也隻能達到0.85；
·功率及轉矩的動態響應慢，一般3～5秒才能完成，因為采用液壓機構完成螺距的變換；
·反轉慢，製動距離長；
·變距槳的液壓控製係統十分複雜，並工作在水下，故障維修時需進塢；
·變距槳結構複雜，可靠性差，價格貴。
為了防止起動時電流和扭矩過大等不利影響，以及滿足規範對船舶電站壓降的要求，這種電力推進方式啟動時必須采用船舶電站規定啟動大電機需要的最小台數運行機組，以及電機采用Y一△啟動、軟啟動器啟動等方式。
這種推進方式隻適合於中、小功率船舶，或1000kW以下的側推裝置，因為微軟起動器目前還隻有中、小功率的低壓產品。
3 電流型變頻器+交流同步電動機
電流型變頻器+交流同步電機驅動方式(CSI+Synchronous motor)原理圖如圖2。
圖2 “電流型變頻器+交流同步電動機”原理圖
(1)電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)
由整流器、濾波器、逆變器等三部分組成。
工作原理是整流電路將電網來的交流電轉換成直流電；再經三相橋式逆變電路轉變為頻率可調的交流電，供給推進電動機。
電流型變頻器的直流中間環節，采用大電感濾波，直流電流波形平直，對電動機來講，基本上是一個電流源。
改變整流電路的觸發角，就改變了中間直流環節的電壓，相當於直流電動機的調壓調速；而改變逆變電路觸發脈衝的順序，即可改變推進電動機的轉矩方向，控製推進電動機轉向，從而使控製電路大大簡化。
(2)SYNCHRO電力推進
交流電通過三相橋式全控整流電路以及平波電抗器，再經過逆變器轉換後向交流同步電機供電，此種推進方式通常被稱為SYNCHRO電力推進。
SYNCHRO變流裝置的輸出頻率，受同步電機轉子所處角度控製：
·每當電機轉過一對磁極，變流裝置的交流電輸出相應地交變一個周期，保證變頻器的輸出頻率和電機的轉速始終保持同步，不會出現失步和振蕩。
·係統功率因數根據電機速度，從額定速度時的0.9到低速的0之間變化。
SYNCHRO電力推進係統主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結構形式，諧波成分比較固定，消除比較容易。12脈波SYNCHRO電力推進係統，如果在電網側並聯有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網產生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網質量可以滿足船級社的規定，故12脈波的SYNCHRO電力推進係統應用較多。
SYNCHRO電力推進係統的缺點是：
·低速運行時，電流型變頻器將電流控製在零附近脈動，轉矩輸出也存在脈動，給軸係帶來振動；
·時間常數較大(由於直流電同感性負載相連)，所以係統動態響應較差；
·電流型逆變電路中的直流輸入電感數值很大才能夠構成一個電流源，使直流回路電流恒定，所以電感重量、體積都很大，使得電流型逆變器使用受到一定限製。
而其優點，是：
·起動電流接近等於零，起動轉矩最高可達50％額定轉矩；
·價格上有一定的優勢；
·控製方便，操作靈活；
·能匹配特大功率電機，目前已達40～60MW。
10MW以上容量的電力推進裝置，ALSTOM公司和STNATLAS公司傾向於選擇SYNCHRO電力推進。
4 交一交變頻器+交流同步電機
CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交一交變頻器或循環變頻器。該變頻器廣泛應用於大功率、低速範圍內的交流調速，其調速上限不超過基頻的40％。
交一交變頻器+交流同步電機(Cyclo converter+Synchronous motor)驅動方式，采用CYCLO變頻器，通過控製一個可控的橋式反並聯晶閘管，選擇交流電源的不同相位區間向交流同步電機提供交流電。
圖3所示為典型的6脈波交一交變頻器+交流同步電機驅動方式。
圖3 “6脈波交一交變頻器+交流同步電機”原理圖
雙繞組電動機，就是電動機定子裝有2套同功率但空間相位差30°的繞組，分別由一套6脈波三相輸出交一交變頻裝置供電。
變頻裝置輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反並聯的可逆線路：一組晶閘管整流電路提供正向輸出電流，另一組提供反向輸出電流。構成這種交一交變頻裝置的三相橋式電路，在一個輸出周期中三相電流有六次過零，帶來六次轉矩波動，所以這種交一交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻裝置，是最基本的類型，應用廣泛。
與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有係統響應速度快、諧波含量少、損耗降低、轉矩脈動低等優點。其缺點是所需電子元件數量大，對於6脈衝電路需要36個晶閘管，而12脈衝電路需要72個晶閘管，因而增加了成本。
SIEMENS公司，針對雙繞組同步電動機提供了12脈波交一交變頻裝置。
采用交一交變頻推進的特點是：
·起動平穩，起動電流(轉矩)可從零起逐漸加大；
·轉矩脈動平滑；
·功率及轉矩動態響應快，一般小於100毫秒；
·電力係統內諧波高低取決於電機速度；
·係統功率因數由電機電壓決定，通常可達0.76；
·滿負荷時效率高；
·變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅動螺旋槳。
這種驅動方式，性價比高，應用比較廣泛。
根據國外經驗，交一交循環變流器主要用於速度極低、轉矩極高的場合，典型的例子就是破冰船。
目前單個電力驅動係統的功率範圍在2～30MW之間。針對特大功率低轉速推進船舶，ABB和SIEMENS公司傾向於采用CYCLO電力推進方式[5]。
5 電壓型變頻器+交流異步電動機
電壓型變頻器VSI(Voltage Source Inverter)，與電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)同屬於交一直一交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流電路將電網來的交流電轉換成直流電；再經三相橋式逆變電路轉變為頻率可調的交流電，供給推進電動機。
電壓型變頻器的中問環節采用大電容，對電動機來講，基本上是一個電壓源。
隨著電力電子器件的發展，電壓型變頻器發展成新型的脈寬調製型(PWM)，整流器用二極管組成，逆變器用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)組成。
IGBT是一種新發展起來的複合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數產品為此類型，並有低壓及中壓規格。
IGBT的特點是：
·線路簡單；
·功率因數高；
·諧波少；
·調速範圍寬和響應快。
圖4為PWM型變頻器+交流異步電動機(VSI+Asynchronous motor)的係統原理圖。
圖4 “電壓型變頻器+交流異步電動機”原理圖
這種驅動方式采用二極管將交流電整流後，再通過PWM變頻直流電斬波後向電機提供電壓和頻率均可調節的交流電。
采用二極管整流器，可保持電力係統能在任何電機速度的時候功率因數接近0.95。
相比CSI和CYCLO驅動，PWM驅動的係統諧波含量最少，用三芯變壓器為變頻器提供12半周的電源還可進一步減少諧波含量[6]。
PWM電壓型變頻器中，西門子采用IGBT器件進行矢量控製，ABB采用IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉矩控製。從控製原理來說，兩者都是用數字技術，通過計算機將電動機電流分解成轉矩分量和磁通分量分別進行控製，以達到類似於直流電機的動態特性。
通過PWM型變頻器控製後：
·係統電源輸出的頻率範圍較寬；
·功率及轉矩的動態響應快(小於10毫秒)；
·與高速鼠籠式感應式電機(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持轉矩平滑輸出；
·若采用矢量控製器，在零速度的時候仍能保持轉矩穩定輸出；
·起動平穩，起動電流(轉矩)可從零起逐漸加大；
·在任何負載狀況下均有很高的功率因數(約為0.95)：
·低速時功率損耗小；
·推進效率高。
目前應用PWM驅動的單機功率可達8MW(3300V)，價格偏貴。
在中小功率範圍，包括部分大功率的電壓型變頻器中，以規模及市場占有率來看，應以SIEMENS和ABB兩家為主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO變頻器。
6 總結
就目前情況看，因為船舶推進裝置功率大，轉速低，應用最多的是CYCLO推進係統。
未來，隨著電力電子器件和技術的創新與發展，IGBT及IGCT高壓大容量方麵技術的突破和成本的下降，以及矢量控製技術和直接轉矩控製技術的成熟與推廣，電壓型變頻器匹配交流異步電動機的驅動型式將會有更大的市場份額。
