基于永磁同步電動機(jī)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

1、基于永磁同步電動機(jī)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)張軍賢摘要：介紹了永磁同步電動機(jī)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢和發(fā)展前景，對于永磁同步電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)點和控制方法進(jìn)行了分析。同時，也介紹了一種先進(jìn)的的船舶吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，分析了其優(yōu)點和發(fā)展的趨勢。類比出國內(nèi)外基于永磁同步電機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了我國與西方國家的差距和廣闊的前景。關(guān)鍵字：電力推進(jìn)；船舶；永磁同步電機(jī)；吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)Based on PMSM for ship electric propulsion systemZhangJunxianAbstract: This paper introduces the permane

2、nt magnet synchronous motor in electric propulsion system application advantage and development foreground, for permanent magnet synchronous motor's working principle, structure, advantages and the control methods are analyzed.At the same time, also introduced an advanced ship podded electric pr

3、opulsion system, analyzes its advantages and development trend.Analogy both at home and abroad based on permanent magnet synchronous motor in electric propulsion system development present situation, had pointed out our country and the gap between western countries and broad prospects.Keywords: Elec

4、tric propulsion; Ship; PMSM; Podded propulsion system一概述 我國是一個海洋大國，也是一個電機(jī)需求量非常龐大的國家，但是卻面臨著電機(jī)消耗電能多，設(shè)備老化，效率較低等諸多問題。目前，國家對低碳節(jié)能環(huán)保提出了新的要求，使得電力行業(yè)具備了新的挑戰(zhàn)。與此同時，船舶行業(yè)也必須做好新的戰(zhàn)略調(diào)整，轉(zhuǎn)向節(jié)能，高效率的方向發(fā)展。從20世紀(jì)80年代以來，隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)、交流調(diào)速理論和微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)日漸成熟。這也使得船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在機(jī)動性、可靠性、運(yùn)行效率和推進(jìn)功率等方面都有了突破性的進(jìn)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，不僅在傳統(tǒng)的領(lǐng)

5、域，如破冰船、挖泥船、勘探測量船等占有越來越大的份額，而且在游船、班輪、穿梭油船、滾裝船和近?？拓洿矫嬉诧@示出廣泛的應(yīng)用前景。可以說，電力推進(jìn)是一種最能經(jīng)得起考驗的船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在推進(jìn)系統(tǒng)的研究和開發(fā)領(lǐng)域，永磁同步電動機(jī)由于可以滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大，對空間要求比較大的場合，因而在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有著其特殊的應(yīng)用優(yōu)勢。作為船舶綜合電力推進(jìn)電機(jī)，永磁同步電機(jī)以其體積小，重量輕，效率高，轉(zhuǎn)動慣量小，可靠性高等優(yōu)點大大地提高了艦艇的性能，能更好地滿足全電力推進(jìn)船舶的發(fā)展要求,也是艦船推進(jìn)的發(fā)展方向，目前已成為國內(nèi)外船舶設(shè)計者和推進(jìn)技術(shù)專家的研究焦點，并已取得了成功應(yīng)用。隨著DSP的問世和永磁電動機(jī)及

6、其控制技術(shù)的快速發(fā)展,以永磁同步電動機(jī)為推進(jìn)電機(jī)、采用高性能控制策略的全數(shù)字化電力推進(jìn)技術(shù)顯示出廣闊的應(yīng)用前景。同時，永磁同步電動機(jī)的各項技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到甚至超過了直流電動機(jī)的水平，在高性能驅(qū)動方式的電力推進(jìn)系統(tǒng)中永磁同步電動機(jī)正逐步取代傳統(tǒng)直流電動機(jī)的核心地位。二永磁同步電動機(jī)介紹永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗少，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點，且永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。1.永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)有

7、電子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相定子繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。 采用永磁體簡化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機(jī)的效率。圖1 圖2其工作原理即由定子邊用交流電流勵磁建立的旋轉(zhuǎn)磁場以磁拉力的方式拖動永磁鐵同步地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)同步運(yùn)行。其模擬結(jié)構(gòu)圖如2所示2.永磁同步電動機(jī)的特點由于采用了永磁材料磁極，磁能積高，可得較高的氣隙磁通密度，因此容量相同的電動機(jī)體積小，重量輕；轉(zhuǎn)子沒有銅耗和鐵耗，又沒有集電環(huán)和電刷的摩擦損耗，運(yùn)行的效率高氣隙磁場主要或全部由轉(zhuǎn)子磁場提供，功率密

8、度大，功率因數(shù)高；轉(zhuǎn)動慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動態(tài)性能好；結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，壽命長。l 與直流電機(jī)比較，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點 l 與異步電動機(jī)相比 ，由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好l 與普通同步電動機(jī)相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。 3.永磁同步電動機(jī)的控制永磁同步電動機(jī)是由永磁同步電動機(jī)本體、位置傳感器、控制器、功率驅(qū)動器及電力電子變流裝置等五個主要部分組成，如圖3所示 圖3由圖1可以看出，除了轉(zhuǎn)子永磁鐵和定子外，還有一組霍爾傳感器，此即為檢

9、測轉(zhuǎn)子位置的位置檢測器。轉(zhuǎn)子位置檢測器PS能正確反應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號控制逆變器（變頻器）輸出電壓的頻率和相位，使同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩角小于90度。所以定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速。微處理器是全數(shù)字化伺服系統(tǒng)的重要組成部分，能夠完成閉環(huán)控制、先進(jìn)控制策略的實現(xiàn)、PID調(diào)節(jié)等功能。近年來許多公司都推出了針對電機(jī)控制的專用數(shù)字信號處理芯片(DSP)芯片。TMS320F2812是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前國際市場上最先進(jìn)，功能最強(qiáng)大的32位定點DSP芯片。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于

10、有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、電力電子應(yīng)用、智能化儀器儀表及電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)等。DSP芯片在永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)中的作用為：l 對轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行處理, 完成濾波、消除干擾和速度測定等;l 根據(jù)有效的轉(zhuǎn)子位置信號和電機(jī)的運(yùn)行要求, 完成逆變器脈沖分配和觸發(fā),以實現(xiàn)對電樞電流的相位控制;l 通過速度調(diào)節(jié)器（有時也需要電流調(diào)節(jié)器）完成對整流器的觸發(fā)角控制。三吊艙式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能、低噪音、減振一直是船舶設(shè)計者.推進(jìn)系統(tǒng)專家和電機(jī)開發(fā)者所追求的目標(biāo)。在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方面，目前先進(jìn)的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，就是推進(jìn)用電機(jī)直接和推進(jìn)螺旋槳相連，制成一個獨立的推進(jìn)模塊，

11、并吊掛在船體底部。該推進(jìn)模塊可以360°水平旋轉(zhuǎn)。這樣，推進(jìn)的方位角可以人為地進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。其直接后果就是取消了舵機(jī)系統(tǒng)及相應(yīng)的操縱機(jī)構(gòu)。由于對高技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的特別需求,選擇永滋同步電動機(jī)比較合理.永磁同步電動機(jī)的氣隙磁通由高性能的永久磁鋼產(chǎn)生.永久磁鋼一般布置在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勵磁繞組和諸如集電環(huán)、整流器、空冷風(fēng)道和冷卻風(fēng)扇。這種設(shè)計可以明顯減小電機(jī)的體積和重量,永磁同步電動機(jī)還有一個特別的優(yōu)點是消除了因勵磁電流而產(chǎn)生的鐵耗和銅耗.從而使電動機(jī)的效率明顯提高. 針對永磁同步電動機(jī)體積小，重量輕，慣性小，響應(yīng)快，高效率，高起動轉(zhuǎn)矩，高功率因數(shù)，以及省電和運(yùn)行可靠等明顯優(yōu)點，

12、因而非常適用于船舶的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)（POD）。吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點有：1.提高了推進(jìn)效率。與普通雙槳船相比，其推進(jìn)效率提高了10%左右2.降低了槳體的振動和噪音等級3.全方位回轉(zhuǎn)的吊艙提高了船舶操作的靈活性4.永磁同步電動機(jī)可以實現(xiàn)極低速的的運(yùn)行，而且效率高5.由于沒有軸系，船體結(jié)構(gòu)布置更加靈活6.縮短了建造周期和維護(hù)費(fèi)用 吊艙式電力推進(jìn)裝置的發(fā)展趨勢：1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化目前的吊艙式電力推進(jìn)器只是推進(jìn)電機(jī)、軸和槳的綜合體,預(yù)計下一步會將變壓器、變頻器和濾波器也集成進(jìn)來。2.對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)器采用對轉(zhuǎn)螺旋槳也是一種新的發(fā)展趨勢,對轉(zhuǎn)螺旋槳的來流均勻,能較好地減少槳葉旋渦造成的能量損耗,提高空泡性能,可以得到

13、更高的推進(jìn)效率。3.綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)把為吊艙式電力推進(jìn)裝置供電的發(fā)電設(shè)備和為日常用電供電的發(fā)電設(shè)備融合為一個統(tǒng)一體,形成一個船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)(integrated power system),整個系統(tǒng)實施高度的模塊化和通用化,從而提高能量的利用率,增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。電力推進(jìn)系統(tǒng)SSP的開發(fā).是在研制低擬耗、低噪聲、低振動陽低粗射的電力推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域的重大發(fā)展。SSP電力推進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機(jī)直接推進(jìn)系統(tǒng)相比,具有更佳的系統(tǒng)效率.而且安裝容易,能更好地利用船舶空問,維護(hù)簡單容易.大大提高了機(jī)動性,為旅客和船員提供更舒適的船上環(huán)境。四.船用永磁同步電機(jī)的現(xiàn)狀與前景船用永磁電動機(jī)的研制工作

14、從80年代開始到現(xiàn)在不過十幾年的時間, 然而取得了很大的成績。尤其是美國, 準(zhǔn)備制造25000馬力的永磁機(jī), 這說明美國的發(fā)展速度之快。德國的PERMASYN 電機(jī)已開始得到應(yīng)用,可說前途廣闊。目前我國在船舶電力推進(jìn)技術(shù)的研究方面還處于起步階段,應(yīng)用也并不廣泛。與美德英法等發(fā)達(dá)國家相比，船用推進(jìn)永磁同步電動機(jī)的研究和開發(fā)存在著很大差距，也存在很多的技術(shù)空白。由于受到電力電子器件功率的制約，逆變器供電的永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要集中于中小功率的研究。吊艙式電力推進(jìn)器問世十幾年來,憑藉其非凡的表現(xiàn),贏得了船舶推進(jìn)領(lǐng)域很大一部分市場份額.可以預(yù)見科技的進(jìn)步必將為吊艙式電力推進(jìn)器提供更加廣闊的市場,無論在技術(shù)上還是市場上都將成為船舶推進(jìn)裝置的主要發(fā)展方向,并覆蓋多種船型而成為未來船舶推進(jìn)器的主流.我國近幾年雖然也承建過電力推進(jìn)船舶,但其吊艙式電力推進(jìn)器均由國外公司供應(yīng).目前我國在吊艙式推進(jìn)器設(shè)計與制造方面與發(fā)達(dá)國家還有很大差距。我國是造船及航運(yùn)大國, 也是盛產(chǎn)永磁材料的國家，發(fā)展吊艙式電力推進(jìn)技術(shù)對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要意義,應(yīng)引起我國造船界和航運(yùn)界的高度重視.我國應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用,爭取早日掌握吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù),參與這一領(lǐng)域的國際競爭,在市場上占有一席之地.參考文獻(xiàn)：1 聶延生，林葉錦，汪涌泉，李偉