艦船電力推進(jìn)用發(fā)電機(jī)/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成優(yōu)化

雷 津 吳大立

（1. 海軍駐719所軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

1 引言

近年來，電力推進(jìn)技術(shù)在船舶中獲得了越來越多的應(yīng)用。在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，動(dòng)力源（如柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等）不直接推動(dòng)螺旋槳。而是驅(qū)動(dòng)大功率發(fā)電機(jī)為推進(jìn)電機(jī)供電繼而推動(dòng)螺旋槳，與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)相比，電力推進(jìn)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）布置靈活。允許將推進(jìn)系統(tǒng)的很大一部分布置在遠(yuǎn)離螺旋槳軸線的地方。提高了總體布置效率。

2）系統(tǒng)效率高。可以用幾臺(tái)較小功率的原動(dòng)機(jī)代替一臺(tái)大功率的原動(dòng)機(jī)，依靠電能管理系統(tǒng)合理的調(diào)配全船電能需求，使得各原動(dòng)機(jī)運(yùn)行在有最佳效率的額定工況附近，以節(jié)省燃油，提高系統(tǒng)效率。

3）系統(tǒng)集成度好。對于有著大量生活設(shè)施和武器系統(tǒng)電負(fù)荷的艦船來說，采用電力推進(jìn)可使原來分離的艦船推進(jìn)和艦船電力系統(tǒng)這兩大動(dòng)力系統(tǒng)得以集成。

電力推進(jìn)系統(tǒng)主要包含四大部分：原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、燃?xì)鉁u輪、蒸汽渦輪）、發(fā)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)。由于操作和控制上的關(guān)系，常將原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)看成一個(gè)子系統(tǒng)和一個(gè)商品單元。而將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)視為另一個(gè)子系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)之間通過發(fā)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接。一般，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)常分別單獨(dú)在子系統(tǒng)中展開，兩個(gè)子系統(tǒng)之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常探究不多。而事實(shí)上，針對發(fā)電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，從系統(tǒng)角度對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)將頗具意義，下文對這一問題進(jìn)行探討。

2 發(fā)電機(jī)/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前艦船上使用的發(fā)電機(jī)大多數(shù)是典型的交流同步發(fā)電機(jī)，并使用電勵(lì)磁的方式進(jìn)行電壓控制。當(dāng)然發(fā)電機(jī)使用永磁鐵代替電勵(lì)磁的方式也是可行的，但永磁發(fā)電機(jī)只有固定勵(lì)磁，給控制發(fā)電機(jī)電壓帶來了一定的困難，這將影響電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文主要討論電勵(lì)磁式渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗鼭M足高功率密度艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)所需的功率等級和轉(zhuǎn)速要求。

電力推進(jìn)系統(tǒng)通常包括一個(gè)或幾個(gè)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相聯(lián)的調(diào)速電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)既可以安放在艙內(nèi)也可以安放在艙外。通常使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有四種基本形式，包括直流驅(qū)動(dòng)器、周波變換器、電壓/電流源變換器和脈寬調(diào)制交流驅(qū)動(dòng)器。由于直流電動(dòng)機(jī)換向器的設(shè)計(jì)限制，直流推進(jìn)系統(tǒng)一般在5 MW等級范圍內(nèi)。對于周波變換器，其輸出電源品質(zhì)的提高會(huì)增加輸入電源頻率，但輸入與輸出頻率之間比值的增加會(huì)使發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)降低，這就意味著要求有特別高的發(fā)電機(jī)容量等級和尺寸。電壓/電流源變換器可與同步發(fā)電機(jī)一齊使用，通過選擇發(fā)電機(jī)的相數(shù)和電壓等級優(yōu)化整流器直流輸出電壓諧波，進(jìn)而減小對專用濾波器的需求。近年來的大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過對交流輸入進(jìn)行整流和濾波從直流總線中建立電壓波形。這些驅(qū)動(dòng)器為發(fā)電機(jī)的優(yōu)化提供了機(jī)會(huì)。

2.1 多相發(fā)電機(jī)

幾乎所有的交流電源變流器都要求在其輸入端有多個(gè)隔離的電壓源。獲得這些低壓、相移電源的傳統(tǒng)方法是通過一個(gè)特殊變壓器來實(shí)現(xiàn)的。該變壓器初級繞組是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三相繞組，次級繞組是幾個(gè)特定相差的三相繞組。圖1是傳統(tǒng)電力推進(jìn)系統(tǒng)組成示意圖。它由三相發(fā)電機(jī)、斷路器、變壓器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。這種方法按照標(biāo)準(zhǔn)三相發(fā)電機(jī)的頻率運(yùn)行，頻率越高，變壓器的重量和體積越小。發(fā)電機(jī)的輸出通過一個(gè)斷路器，在系統(tǒng)故障的情況下對其實(shí)施保護(hù)。斷路器的輸出連接到一個(gè)變壓器，變壓器原邊使用三相電源，并用若干相移次級繞組作為變流器轉(zhuǎn)換模塊的隔離電源。

圖1 傳統(tǒng)電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

如圖2所示，多相發(fā)電機(jī)將變壓器的功能融入到發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，由發(fā)電機(jī)直接提供所需的若干隔離電壓源。這種方法取消了變壓器，能大大節(jié)省系統(tǒng)尺寸和重量，提高了系統(tǒng)的可靠性和效率，減少了設(shè)計(jì)過程中必須處理的可能產(chǎn)生的噪聲源數(shù)目。多相發(fā)電機(jī)有著常規(guī)的設(shè)計(jì)特征和制造結(jié)構(gòu)。它的轉(zhuǎn)子采用高速設(shè)計(jì)，由單個(gè)鍛件加工而成。轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要求輸入頻率和原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速確定。定子由安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)中的常規(guī)疊片和線圈制成。與常規(guī)三相發(fā)電機(jī)相比，多相發(fā)電機(jī)有更多數(shù)量的定子槽和線圈，同時(shí)需要有更多數(shù)量的連接環(huán)和端部導(dǎo)體將電流引出到電機(jī)外部。輸出需要完全隔離，這就要求把相繞組的兩端都引到設(shè)備之外。

圖2 無變壓器電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

2.2 高頻發(fā)電機(jī)

現(xiàn)代高轉(zhuǎn)速燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)因其緊湊的結(jié)構(gòu)和高功率密度，成為艦船全電力推進(jìn)用原動(dòng)機(jī)的一個(gè)有吸引力的選擇。使用高轉(zhuǎn)速渦輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)是十分理想的選擇，這將省去重且貴的變速齒輪箱。高轉(zhuǎn)速直接驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)比常規(guī)工頻發(fā)電機(jī)要小很多。通常轉(zhuǎn)速越高頻率也越高。同步發(fā)電機(jī)的頻率 f（Hz）按下式計(jì)算：

其中，N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（rpm），P為磁極數(shù)。對一個(gè)常規(guī)60 Hz發(fā)電機(jī)來說，其磁極數(shù)和轉(zhuǎn)速必須互相匹配，例如：2極和3600 rpm或4極1800rpm。如果頻率不受常規(guī)60 Hz的限制,則可自由選擇發(fā)電機(jī)的極數(shù)使發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的重量及尺寸最優(yōu)化。例如：將一個(gè)2極（60 Hz）的電機(jī)設(shè)計(jì)成為一個(gè)4極（120 Hz）或8極（240 Hz）的電機(jī)，那么一些優(yōu)勢將體現(xiàn)出來。

通常的設(shè)計(jì)趨向于選擇高磁極數(shù)電機(jī)，因?yàn)樗鼈兺?極電機(jī)相比，具有體積小、重量輕且噪音低的優(yōu)點(diǎn)。這種優(yōu)勢來自于當(dāng)磁極數(shù)增加時(shí)發(fā)電機(jī)幾何尺寸設(shè)計(jì)的改變，即當(dāng)一臺(tái)電機(jī)的磁極數(shù)增加而轉(zhuǎn)子直徑保持不變時(shí)，磁極斜度將成比例地減少。對于普通的徑流式氣隙發(fā)電機(jī)，定子鐵芯的厚度與磁極斜度成比例。保持磁通量恒定的情況下，磁極斜度地減少使定子鐵芯徑向?qū)挾然蚝穸瘸杀壤臏p小，鐵芯重量減少。另外，當(dāng)磁極數(shù)增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的總長度將減小。圖3給出了 3600 rpm三相交流同步發(fā)電機(jī)不同磁極數(shù)下的發(fā)電機(jī)尺寸與重量的研究結(jié)果。等級為 20 MVA、功率因數(shù)0.9的發(fā)電機(jī)可以輸出的最高電壓可達(dá)6.9 kV，實(shí)際電壓可以根據(jù)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求來選擇。將磁極數(shù)從2增加到8，可以節(jié)省大約25000 kg的重量，長度減少0.88 m。由于受到定子鐵芯厚度最小尺寸和最小氣隙的限制，對于這樣尺寸的電機(jī)，繼續(xù)增加磁極數(shù)不會(huì)使功率密度額外增加。

圖3 20 MVA、3600 rpm三相交流同步發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子磁極數(shù)下的總重量和總長度

因?yàn)檎駝?dòng)頻率較高，定子鐵芯剛度較高和軸承間距離較短等這些因素，使高磁極數(shù)的發(fā)電機(jī)的振動(dòng)一般比較小。從系統(tǒng)角度出發(fā)，高磁極數(shù)的發(fā)電機(jī)所提供的頻率越高，系統(tǒng)組件尺寸重量越小。如果發(fā)電機(jī)在輸出位置使用轉(zhuǎn)換器，所增加的頻率將導(dǎo)致其尺寸的減小。

同樣，可以通過增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來提高發(fā)電機(jī)的功率密度。著名電機(jī)方程式：

公式描述了輸出功率 Pa和電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，其中：

ξ---線圈因子（無單位）；

A---電樞表面的電流密度（電負(fù)荷）（A/m）；

B---最大氣隙磁通密度（磁負(fù)荷）（T）；

D---轉(zhuǎn)子直徑（m）；

L---定子鐵芯長度（m）；

N---轉(zhuǎn)速（rpm）；

K、K1---轉(zhuǎn)換因子。

定義轉(zhuǎn)子端部或表面轉(zhuǎn)速St：

將 L作為一個(gè)長度單位，則（2）式可改寫為：

提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其端速增加，從而增加發(fā)電機(jī)單位長度的功率，只要端速不超過設(shè)計(jì)最大值。通常實(shí)心渦輪式轉(zhuǎn)子的最大端速約為 250 m/s，對于常用于低速領(lǐng)域的繞組磁場凸極式轉(zhuǎn)子，其最大端速約為150 m/s。

圖4給出了當(dāng)保持發(fā)電機(jī)的磁極數(shù)為4不變，通過增加轉(zhuǎn)速來提高發(fā)電機(jī)頻率時(shí)，發(fā)電機(jī)尺寸與重量的研究結(jié)果。可以通過減小定子鐵芯長度L同時(shí)成比例增加轉(zhuǎn)速的方式，保持發(fā)電機(jī)等級（20 MVA、0.9）不變。發(fā)電機(jī)的電負(fù)荷和磁負(fù)荷的乘積AB同樣保持恒定，這個(gè)值有時(shí)被稱為氣隙剪切應(yīng)力，通常由發(fā)電機(jī)的類型和冷卻方式來設(shè)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速從3600 rpm增加到7000 rpm時(shí)，發(fā)電機(jī)重量減少約16000 kg，長度減少1.8 m。

2.3 集成整流器的發(fā)電機(jī)

有些電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)把電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入電源由交流改成了直流電源。通過在前面已介紹過的高功率密度發(fā)電機(jī)上集成安裝整流器模塊，調(diào)整發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)使其為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接提供直流電源，使系統(tǒng)得以獲益。圖5是一臺(tái)空冷式渦輪轉(zhuǎn)子整流發(fā)電機(jī)典型結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子是通過用無磁定位環(huán)把轉(zhuǎn)子和線圈支撐起來的方式進(jìn)行單塊鑄造。旋轉(zhuǎn)二極管式無刷勵(lì)磁系統(tǒng)給轉(zhuǎn)子線圈提供勵(lì)磁電流。定子用一個(gè)由端部軸承支架制成的外部剛性支架支撐，軸承是壓力潤滑軸頸軸承。發(fā)電機(jī)對轉(zhuǎn)子采用內(nèi)部空氣循環(huán)冷卻方式，在頂部安裝一個(gè)空氣-海水熱交換器。二極管整流器或整流模塊直接集成安裝在發(fā)電機(jī)頂部，與之共用支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與減振器，省去附加殼體和機(jī)件的額外重量，以提高發(fā)電機(jī)功率密度。另外，通過與整流器相連接，發(fā)電機(jī)可以在接近功率因數(shù)1處運(yùn)行，有利于降低容量等級進(jìn)而減小其尺寸。

圖4 20 MVA、4磁極三相交流同步發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的總重量和總長度

圖5 集成整流器的電力推進(jìn)發(fā)電機(jī)

從系統(tǒng)的角度出發(fā)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在發(fā)電機(jī)本身的尺寸優(yōu)化、原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速優(yōu)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求間折衷選擇，而不必考慮某個(gè)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)下發(fā)電機(jī)是否輸出了一個(gè)特殊電源頻率。發(fā)電機(jī)的電壓應(yīng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相匹配，同時(shí)可以選擇發(fā)電機(jī)的相數(shù)來使直流輸出的諧波波動(dòng)較小，進(jìn)而減少對專用濾波器的需求。表1提供的數(shù)據(jù)說明了發(fā)電機(jī)的相數(shù)對直流電壓波動(dòng)大小的影響。發(fā)電機(jī)高品質(zhì)的直流輸出可以方便與蓄電池組連接，為系統(tǒng)提供備份電力。

表1 直流輸出品質(zhì)與發(fā)電機(jī)相數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

在發(fā)電機(jī)/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需考慮很多因素。首先應(yīng)確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而驅(qū)動(dòng)器的電路設(shè)計(jì)是源自對電壓、功率和輸出品質(zhì)的特殊要求。設(shè)計(jì)的初始階段應(yīng)權(quán)衡研究使用非傳統(tǒng)參數(shù)對發(fā)電機(jī)的好處，包括運(yùn)行頻率和輸出電壓等級對重量、體積、振動(dòng)、絕緣要求以及變流器的影響。這項(xiàng)工作應(yīng)從全局的角度，將變流器電路、原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)作為一個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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