变频器与电力推进船2014

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1、变频器在船舶中的应用与发展汤天浩上海海事大学电力传动与控制研究所2014.12.10内容提要•引言•船舶的变频器应用现状•船舶推进变频器的技术关键•全电船的提出与发展趋势•我们的工作•结论与展望1.引言自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。•柴油机+螺旋桨成为船舶主要推进方式。机舱中部需放置庞大的主柴油机•问题与挑战（1）船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等问题难以解决。（2）近年来，随着电力电子器件、变流技术、传

2、动控制系统等技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。（3）随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的时间内找到新的能源及其动力装置。2.船舶的变频器应用现状起货机货泵轮毂式推进器推进器海水、淡水泵通风机吊舱式推进器2.1船舶变频器的作用•节能减排–风机、泵类负载的电机调速控制–主轴发电系统•电力推进–主推进器–辅助推进器2.2采用晶闸管变流器的主轴发电系统2.3船舶电力推进的主要形式•系统结构•驱动模式•变流方法•关键技术•应用举例•系统结构船舶电力推进的基本结构：电动机拖动螺旋桨电力推进船舶的优点•使用高速不可逆的热力发动机，降低了

3、船舶动力装置的重量和体积；•可以方便的通过发电机连接获得所需的大容量供电，并提高了系统可靠性；•允许选用船舶推进器的最佳转速和直径，缩短了连接轴的长度；•在中、低速航行时和船舶经常停止开航时，有较高的经济性能。与柴油机推进相比，电力推进增加了货舱容量5-15%morecargocapacity•ABB的Azipod推进器Azipod推进器：5WM～38MW；CompactAzipod推进器：400kW～5MW•燃油消耗减少20%；•往返时间缩短25%。•驱动模式（1）变速电动机拖动定距螺旋桨（FPP）驱动模式，（2）定速电动机拖动变距螺旋桨（CPP）驱动模式，并根据船舶驱动所需

4、的功率可选择一台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。•几种船舶电力推进模式PMMMM(a)(b)PPMMMMMMMM(c)(d)ShaftpropulsiononLNGcarrier电动机与螺旋桨舵桨和一成为目前船舶新的推进方式。•这种分散驱动新模式的优点在于：•推进器360°旋转，可以在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性；•减少驱动系统（电动机和变流器）的单机容量；•去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；•降低船舶振动和噪音；•减少船体阻力5-10%，提高运输效率15%（包括：提高航速、降

5、低油耗和减少造价）。•应用举例ShuttleTankersCruiseVesselsMultipurposeShuttleTankersFerriesDrillshipsandRigsIceBreakersFloatingProductionCargoVesselsLNGCarriersCableLayerOilCarriersOilSupplyVesselsPipeLayersOtherSpecialVessels3船舶电力推进变频器的技术关键•高可靠性和冗余度•高效率、低成本•布置灵活，安装方便•低维护、低排放•防摇抗震•防水、防湿、防盐雾•抗腐蚀•电力电子装置应用的核心问

6、题•高压大容量的变频器开发•提高功率密度与效率•提高可靠性•提高功率因数和减少谐波3.1电力电子器件P(kW)40’00030’000!27’00016’000CSICyclo-10’000VSI:VoltageSourceInvertersconverters9’000withPWMorDTCMotorPower6’000VSICSI:CurrentSourceInverters5’000IGCTwithThyristorsor!!2’000VSIIGBTCyclo:DirectConverter315IGBTwithThyristors6901.01.51.82.43.34

7、.56.06.9MotorVoltageU(kV)LVMV•IGBT提高功率密度的途径3.2变流器拓扑结构ACDCMACM(a)(b)ACDCMACDCPWMM(c)(d)（1）直流调速系统采用晶闸管整流器供电的直流调速系统。这种电力推进方式由于受到直流电机换向器的限制，其功率不能超过5MW。而且，由于直流电机的电刷和换向器经常需要维修保养，并容易出故障。因此，目前已不再选择这种调速方法。为解决上述问题，近年来永磁电机得到发展，但因其功率更小，只能用在小功率的船上。（2）基于循环变流器的交流