作者：高海波 高孝洪 陈辉
内容提要：此文介绍目前市场上五种类型电力推进系统，并分析比较它们的工作原理和特点。
0 前言
船舶电力推进，有直流推进和交流推进两大类。
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
1970年代以前，船舶电力推进系统中，直流电动机占据主导地位。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0～0.96之间。
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，必须提高电枢感应系数，但会引起系统动态性能减弱，功率因数偏低，增加系统损耗；
·直流电机驱动需要的换向器，是一个易发生故障的部件；
·会对船舶电网产生较大的谐波污染，因为采用了大功率电力电子器件；
·直流电动机固有的结构复杂、成本高、体积大、维护困难、效率低等缺点，阻碍了它在船舶电力推进领域的广泛应用。
目前，船舶推进所应用的直流推进电机的容量，在2～3MW之间。
2 交流异步电动机+可调螺距螺旋桨
交流异步电动机+可调螺距螺旋桨模式，也称为DOL(Direct on line)模式，多采用鼠笼式感应恒速电机驱动变距桨实现，船速的控制靠改变螺旋桨的螺距。为了增加可操纵性，也可用极数转换开关实现电机速度控制。
这种推进方式的优点是：
·几乎没有影响电网的谐波，因为没有采用大功率电力电子器件；
·电动机转矩稳定没有脉动；
·在设计点运行时效率很高。
但缺点也不少，例如：
·交流异步感应电机起动瞬间电流较大，通常是正常电流的5～7倍，系统电网压降大；
·起动瞬间机械轴承受的转矩大，约为额定转矩的2～3倍；
·极低航速，螺距近似为0时，仍要消耗额定功率的15％，电流约为正常值的45～55％；
·功率因数低，满负荷时也只能达到0.85；
·功率及转矩的动态响应慢，一般3～5秒才能完成，因为采用液压机构完成螺距的变换；
·反转慢，制动距离长；
·变距桨的液压控制系统十分复杂，并工作在水下，故障维修时需进坞；
·变距桨结构复杂，可靠性差，价格贵。
为了防止起动时电流和扭矩过大等不利影响，以及满足规范对船舶电站压降的要求，这种电力推进方式启动时必须采用船舶电站规定启动大电机需要的最小台数运行机组，以及电机采用Y一△启动、软启动器启动等方式。
这种推进方式只适合于中、小功率船舶，或1000kW以下的侧推装置，因为微软起动器目前还只有中、小功率的低压产品。
3 电流型变频器+交流同步电动机
电流型变频器+交流同步电机驱动方式(CSI+Synchronous motor)原理图如图2。
图2 “电流型变频器+交流同步电动机”原理图
(1)电流型变频器CSI(Current Source Inverter)
由整流器、滤波器、逆变器等三部分组成。
工作原理是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。
电流型变频器的直流中间环节，采用大电感滤波，直流电流波形平直，对电动机来讲，基本上是一个电流源。
改变整流电路的触发角，就改变了中间直流环节的电压，相当于直流电动机的调压调速；而改变逆变电路触发脉冲的顺序，即可改变推进电动机的转矩方向，控制推进电动机转向，从而使控制电路大大简化。
(2)SYNCHRO电力推进
交流电通过三相桥式全控整流电路以及平波电抗器，再经过逆变器转换后向交流同步电机供电，此种推进方式通常被称为SYNCHRO电力推进。
SYNCHRO变流装置的输出频率，受同步电机转子所处角度控制：
·每当电机转过一对磁极，变流装置的交流电输出相应地交变一个周期，保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，不会出现失步和振荡。
·系统功率因数根据电机速度，从额定速度时的0.9到低速的0之间变化。
SYNCHRO电力推进系统主要有6脉波、12脉波、24脉波等三种结构形式，谐波成分比较固定，消除比较容易。12脉波SYNCHRO电力推进系统，如果在电网侧并联有两组LC无源滤波器，对11次、13次谐波进行补偿，则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波，此时的电网质量可以满足船级社的规定，故12脉波的SYNCHRO电力推进系统应用较多。
SYNCHRO电力推进系统的缺点是：
·低速运行时，电流型变频器将电流控制在零附近脉动，转矩输出也存在脉动，给轴系带来振动；
·时间常数较大(由于直流电同感性负载相连)，所以系统动态响应较差；
·电流型逆变电路中的直流输入电感数值很大才能够构成一个电流源，使直流回路电流恒定，所以电感重量、体积都很大，使得电流型逆变器使用受到一定限制。
而其优点，是：
·起动电流接近等于零，起动转矩最高可达50％额定转矩；
·价格上有一定的优势；
·控制方便，操作灵活；
·能匹配特大功率电机，目前已达40～60MW。
10MW以上容量的电力推进装置，ALSTOM公司和STNATLAS公司倾向于选择SYNCHRO电力推进。
4 交一交变频器+交流同步电机
CYCLO变频器，英文为Cycloconverter，中文译作交一交变频器或循环变频器。该变频器广泛应用于大功率、低速范围内的交流调速，其调速上限不超过基频的40％。
交一交变频器+交流同步电机(Cyclo converter+Synchronous motor)驱动方式，采用CYCLO变频器，通过控制一个可控的桥式反并联晶闸管，选择交流电源的不同相位区间向交流同步电机提供交流电。
图3所示为典型的6脉波交一交变频器+交流同步电机驱动方式。
图3 “6脉波交一交变频器+交流同步电机”原理图
双绕组电动机，就是电动机定子装有2套同功率但空间相位差30°的绕组，分别由一套6脉波三相输出交一交变频装置供电。
变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路：一组晶闸管整流电路提供正向输出电流，另一组提供反向输出电流。构成这种交一交变频装置的三相桥式电路，在一个输出周期中三相电流有六次过零，带来六次转矩波动，所以这种交一交变频装置被称为6脉波交-交变频装置，是最基本的类型，应用广泛。
与6脉波变频装置相比，12脉波变频装置具有系统响应速度快、谐波含量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。其缺点是所需电子元件数量大，对于6脉冲电路需要36个晶闸管，而12脉冲电路需要72个晶闸管，因而增加了成本。
SIEMENS公司，针对双绕组同步电动机提供了12脉波交一交变频装置。
采用交一交变频推进的特点是：
·起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；
·转矩脉动平滑；
·功率及转矩动态响应快，一般小于100毫秒；
·电力系统内谐波高低取决于电机速度；
·系统功率因数由电机电压决定，通常可达0.76；
·满负荷时效率高；
·变频器输出频率低，可以不需要齿轮减速直接驱动螺旋桨。
这种驱动方式，性价比高，应用比较广泛。
根据国外经验，交一交循环变流器主要用于速度极低、转矩极高的场合，典型的例子就是破冰船。
目前单个电力驱动系统的功率范围在2～30MW之间。针对特大功率低转速推进船舶，ABB和SIEMENS公司倾向于采用CYCLO电力推进方式[5]。
5 电压型变频器+交流异步电动机
电压型变频器VSI(Voltage Source Inverter)，与电流型变频器CSI(Current Source Inverter)同属于交一直一交变频器，也由整流器、滤波器、逆变器三部分组成。工作原理也是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。
电压型变频器的中问环节采用大电容，对电动机来讲，基本上是一个电压源。
随着电力电子器件的发展，电压型变频器发展成新型的脉宽调制型(PWM)，整流器用二极管组成，逆变器用IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成。
IGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件，具有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，载流能力强等特点。目前绝大多数产品为此类型，并有低压及中压规格。
IGBT的特点是：
·线路简单；
·功率因数高；
·谐波少；
·调速范围宽和响应快。
图4为PWM型变频器+交流异步电动机(VSI+Asynchronous motor)的系统原理图。
图4 “电压型变频器+交流异步电动机”原理图
这种驱动方式采用二极管将交流电整流后，再通过PWM变频直流电斩波后向电机提供电压和频率均可调节的交流电。
采用二极管整流器，可保持电力系统能在任何电机速度的时候功率因数接近0.95。
相比CSI和CYCLO驱动，PWM驱动的系统谐波含量最少，用三芯变压器为变频器提供12半周的电源还可进一步减少谐波含量[6]。
PWM电压型变频器中，西门子采用IGBT器件进行矢量控制，ABB采用IGCT(集成门极换流晶闸管)器件进行直接转矩控制。从控制原理来说，两者都是用数字技术，通过计算机将电动机电流分解成转矩分量和磁通分量分别进行控制，以达到类似于直流电机的动态特性。
通过PWM型变频器控制后：
·系统电源输出的频率范围较宽；
·功率及转矩的动态响应快(小于10毫秒)；
·与高速鼠笼式感应式电机(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持转矩平滑输出；
·若采用矢量控制器，在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出；
·起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；
·在任何负载状况下均有很高的功率因数(约为0.95)：
·低速时功率损耗小；
·推进效率高。
目前应用PWM驱动的单机功率可达8MW(3300V)，价格偏贵。
在中小功率范围，包括部分大功率的电压型变频器中，以规模及市场占有率来看，应以SIEMENS和ABB两家为主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO变频器。
6 总结
就目前情况看，因为船舶推进装置功率大，转速低，应用最多的是CYCLO推进系统。
未来，随着电力电子器件和技术的创新与发展，IGBT及IGCT高压大容量方面技术的突破和成本的下降，以及矢量控制技术和直接转矩控制技术的成熟与推广，电压型变频器匹配交流异步电动机的驱动型式将会有更大的市场份额。
