基于中頻化的船舶電力系統(tǒng)研究

何首賢，苗百春

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基于中頻化的船舶電力系統(tǒng)研究

何首賢，苗百春

（大連海洋大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116300）

為了解決現(xiàn)代船舶由于設(shè)計(jì)復(fù)雜造成的電力系統(tǒng)質(zhì)量過(guò)大，空間及電站容量不足等缺點(diǎn)，給出了解決方案。闡述了基于400 Hz中頻化船舶電力系統(tǒng)在節(jié)約質(zhì)量、空間等方面問(wèn)題的分析和研究。

船舶電站 船舶電力系統(tǒng) 中頻化

0 引言

隨著我國(guó)船舶行業(yè)的飛速發(fā)展，造船技術(shù)的提高，對(duì)船舶的功能要求日益增加，其內(nèi)部組成愈加復(fù)雜。船舶電站的技術(shù)水平和運(yùn)行的可靠性對(duì)于整艘船的安全可靠性和航行的經(jīng)濟(jì)性起著舉足輕重的地位[1]。舊型船舶一般很難達(dá)到這些要求。建造設(shè)計(jì)先進(jìn)的船舶，主要特征是，動(dòng)力裝置應(yīng)能提高到100 000SHP,而質(zhì)量和空間要小。為了達(dá)到這個(gè)目的，采取下列措施：減小設(shè)計(jì)余量、消除逐級(jí)保留設(shè)計(jì)余量、降低安全系數(shù)、高轉(zhuǎn)速、高壓和高頻、采用優(yōu)質(zhì)材料。本文闡述采用提高頻率和轉(zhuǎn)速在現(xiàn)代化船舶的建造中的應(yīng)用。

1 最佳電站的分析及選擇

目前民用船舶和艦艇都采用交流電，電力系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量指標(biāo)是電壓和頻率，電壓等級(jí)是低壓，頻率選擇廣泛采用50 Hz或60 Hz[2]。通過(guò)各種方案的比較，選擇1000 V，400Hz的電站。在方案比較時(shí)各主要元件的估計(jì)質(zhì)量見(jiàn)表1。因?yàn)檫m用于1000 V使用的設(shè)備研究費(fèi)用較大，小負(fù)載120 V，400 Hz照明系統(tǒng)通過(guò)1000 V/120 V單獨(dú)變壓器提供。某些負(fù)載例如加熱器，炊具設(shè)備等按其所需電壓也由單獨(dú)變壓器提供。頻率400 Hz和電壓1000 V在各種岸電電站中不易得到，于是備有一套接岸電的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)定額是250 kW，1000 V，400 Hz，電動(dòng)機(jī)定額是440 V，60 Hz，三相。電站包括兩臺(tái)600 kW的汽輪發(fā)電機(jī)組。一臺(tái)是由20 00l bf/in2，1 050 °F的汽輪機(jī)所拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，直接耦合使機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，并采用靜止的勵(lì)磁系統(tǒng)。另一臺(tái)由8 15l bf/in2，1 045 °F的汽輪機(jī)拖動(dòng)的，轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，并直接耦合，帶有旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)。此外尚有兩臺(tái)1000 V，400 Hz三相應(yīng)急發(fā)電機(jī)。一臺(tái)是燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)，另一臺(tái)是由柴油機(jī)拖動(dòng)。除汽輪機(jī)拖動(dòng)的給水泵和主鼓風(fēng)機(jī)外，所有的泵和其他輔機(jī)均由950 V，400 Hz電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

整個(gè)電力和照明系統(tǒng)，由于采用1000 V，400 Hz而不采用450 V，60 Hz電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。其結(jié)果是實(shí)際空間和質(zhì)量節(jié)約了，見(jiàn)表2。大約15%總質(zhì)量的節(jié)約可歸功于設(shè)計(jì)先進(jìn)，5%是歸功于電壓從450 V提高到1000 V，其余的11.5%是由于增加頻率的結(jié)果。

表1 船舶電站方案質(zhì)量比較匯總表

表2 電站實(shí)際質(zhì)量和空間

2 400 Hz中頻對(duì)電氣設(shè)備的影響

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)

提高頻率也就提高了發(fā)電機(jī)可能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，從而有可能對(duì)于汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)取消減速箱，結(jié)果減小了機(jī)組的質(zhì)量。表3【3】表明頻率提高對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)質(zhì)量和尺寸的影響，將舊船舶設(shè)有的400 kW，60 Hz的汽輪發(fā)電機(jī)和新型船舶上設(shè)有的600 kW，400 Hz的汽輪發(fā)電機(jī)相比較，顯而易見(jiàn)，400 Hz發(fā)電機(jī)的質(zhì)量大約為60 Hz的三分之一，而其容量增加50%。表4給出舊型船舶上裝設(shè)的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)與裝在新型船舶上的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的比較。

2.2 電動(dòng)機(jī)

提高頻率同樣提高了電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，因此400 Hz電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比60 Hz要輕。30 Hp，400 Hz，12 000 r/min的電動(dòng)機(jī)較30 Hp，60 Hz,12 000 r/min電動(dòng)機(jī)質(zhì)量節(jié)約88.5%。15 Hp，440 V，3相，60 Hz，3 600 r/min的艦用電動(dòng)機(jī)質(zhì)量為320l b，而15 Hp，950 V，3相，400 Hz，8 000 r/min的艦用電動(dòng)機(jī)質(zhì)量只有64l b。但在新型船舶上，僅風(fēng)機(jī)和幾臺(tái)泵是直接由8，6和4極電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，接近有50%的輔機(jī)是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪箱以傳統(tǒng)的速度來(lái)拖動(dòng)的。

由于400 Hz的電動(dòng)機(jī)中選用了導(dǎo)磁性能好的硅鋼片和減少了硅鋼片的厚度，因此400 Hz電動(dòng)機(jī)的鐵損耗和效率與60 Hz相同功率定額的電動(dòng)機(jī)大致相同。

2.3 變壓器

提高頻率使變壓器的磁通量降低，從而有較小的鐵芯尺寸。見(jiàn)表5表明60 Hz，80℃和400 Hz，150 ℃溫升的變壓器比較。可見(jiàn)400 Hz變壓器較60Hz變壓器減輕質(zhì)量60%左右。

表3 汽輪發(fā)電機(jī)的比較數(shù)據(jù)

注：1lbf=6894.76pa

表4 柴油發(fā)電機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的比較數(shù)據(jù)

表5 60 Hz,80℃和400 Hz,150℃溫升的變壓器比較

注:1lb=0.453kg;1in=0.0254m

2.4 開(kāi)關(guān)及控制設(shè)備

經(jīng)試驗(yàn)，以確定提高頻率對(duì)斷路器和其它開(kāi)關(guān)器件的影響。試驗(yàn)證實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的500 V，60 Hz框架尺寸和電流定額的斷路器用于400 Hz，500V是很滿意的，斷路器在400 Hz和60 Hz時(shí)極其可能具有相同的分段能力。由于頻率的提高對(duì)配電板元件質(zhì)量的影響并不明顯，因此，事實(shí)上配電板的外形尺寸和質(zhì)量與60 Hz配電板并無(wú)多大差異。

由于400 Hz電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流高于60 Hz電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，同時(shí)400 Hz電動(dòng)機(jī)的散熱面小，因此電動(dòng)機(jī)的過(guò)載元件要求動(dòng)作更加的迅速，因此必須新設(shè)計(jì)400 Hz的過(guò)載繼電器。

2.5 電纜

提高頻率對(duì)電力和照明電纜有兩方面影響：第一，對(duì)200000圓密爾或以上的電纜，電流定額減少了10%～30%；第二，由于電纜阻抗增加了，從而電壓降增加。因此，400 Hz系統(tǒng)中電纜的質(zhì)量比60 Hz同樣電壓的電纜大。

2.6 照明設(shè)備

船舶照明系統(tǒng)中的主要用電設(shè)備包括：航室照明燈、艙面工作強(qiáng)光照明燈、探照燈、航行信號(hào)燈和低壓行燈等[4]，照明設(shè)備較多，400 Hz的熒光燈亦能節(jié)約質(zhì)量和空間。這是由于400 Hz鎮(zhèn)流器的尺寸大約是60 Hz鎮(zhèn)流器的1/4，而質(zhì)量還不到50%。此外，應(yīng)用400 Hz電力能提高熒光燈的效率和減少閃光現(xiàn)象。

3 結(jié)論與探討

船舶引入400 Hz中頻化，可以節(jié)省大量的質(zhì)量和空間，為船舶實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能提供了一定的保證，中頻化在船電技術(shù)上是一個(gè)突破，通過(guò)許多船只使用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)得來(lái)的技術(shù)信息已被吸收到航空母艦上為飛機(jī)啟動(dòng)和服務(wù)的系統(tǒng)中。但是，高速、高溫對(duì)軸承和其他機(jī)械也帶來(lái)了不少困難。例如：目前，電機(jī)內(nèi)部的冷卻介質(zhì)是空氣，電機(jī)的溫升與內(nèi)部空氣流動(dòng)的方式有著密切的關(guān)系[5]。然而400 Hz電動(dòng)機(jī)的尺寸小，有較小的熱容量，在較高溫度和速度下運(yùn)行，發(fā)生過(guò)不少軸承損壞事故。因此該項(xiàng)技術(shù)需要其他技術(shù)的支持，進(jìn)一步研究和探討。

[1] 陳剛. 船舶電氣[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[2] 姜平, 李功宣. 船舶現(xiàn)代化改造技術(shù)和方案[L]. 中國(guó)修船, 2002,5.

[3] 章以剛. 船舶供電系統(tǒng)和裝置[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2007.

[4] 劉國(guó)平. 船舶電氣與通信[M]. 北京: 海洋出版社, 2010.

[5] 戴玥. 論電機(jī)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑方式與風(fēng)路結(jié)構(gòu)的關(guān)系. 上海大中型電機(jī), 2008, 4.

Research on Ship’s Power System with Medium Frequency

He Shouxian, Miao Baichun

(Vocational and Technical College, Dalian Ocean University , Dalian 116300, Liaoning, China)

U665.12

A

1003-4862（2014）2-0032-03

2013-06-28

何首賢(1955-)，男，教授，高級(jí)工程師。研究方向：船舶供配電技術(shù)。