舰船电力推进用发电机/电机驱动器集成优化

雷 津 吴大立

（1. 海军驻719所军事代表室，武汉 430064；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

1 引言

近年来，电力推进技术在船舶中获得了越来越多的应用。在电力推进系统中，动力源（如柴油机和燃气轮机等）不直接推动螺旋桨。而是驱动大功率发电机为推进电机供电继而推动螺旋桨，与传统的机械推进相比，电力推进主要有如下优点：

1）布置灵活。允许将推进系统的很大一部分布置在远离螺旋桨轴线的地方。提高了总体布置效率。

2）系统效率高。可以用几台较小功率的原动机代替一台大功率的原动机，依靠电能管理系统合理的调配全船电能需求，使得各原动机运行在有最佳效率的额定工况附近，以节省燃油，提高系统效率。

3）系统集成度好。对于有着大量生活设施和武器系统电负荷的舰船来说，采用电力推进可使原来分离的舰船推进和舰船电力系统这两大动力系统得以集成。

电力推进系统主要包含四大部分：原动机（柴油机、燃气涡轮、蒸汽涡轮）、发电机、电机驱动器和电动机。由于操作和控制上的关系，常将原动机和发电机看成一个子系统和一个商品单元。而将电机驱动器和电动机视为另一个子系统，两个子系统之间通过发电机和电机驱动器进行连接。一般，系统优化设计常分别单独在子系统中展开，两个子系统之间的优化设计通常探究不多。而事实上，针对发电机与电机驱动器的特点，从系统角度对其进行优化设计将颇具意义，下文对这一问题进行探讨。

2 发电机/电机驱动器集成优化设计

目前舰船上使用的发电机大多数是典型的交流同步发电机，并使用电励磁的方式进行电压控制。当然发电机使用永磁铁代替电励磁的方式也是可行的，但永磁发电机只有固定励磁，给控制发电机电压带来了一定的困难，这将影响电力系统的设计。本文主要讨论电励磁式涡轮转子发电机，因为它满足高功率密度舰船电力推进系统所需的功率等级和转速要求。

电力推进系统通常包括一个或几个与电机驱动器相联的调速电动机，这些电动机既可以安放在舱内也可以安放在舱外。通常使用的电机驱动器有四种基本形式，包括直流驱动器、周波变换器、电压/电流源变换器和脉宽调制交流驱动器。由于直流电动机换向器的设计限制，直流推进系统一般在5 MW等级范围内。对于周波变换器，其输出电源品质的提高会增加输入电源频率，但输入与输出频率之间比值的增加会使发电机的功率因数降低，这就意味着要求有特别高的发电机容量等级和尺寸。电压/电流源变换器可与同步发电机一齐使用，通过选择发电机的相数和电压等级优化整流器直流输出电压谐波，进而减小对专用滤波器的需求。近年来的大多数电机驱动器采用脉宽调制技术，通过对交流输入进行整流和滤波从直流总线中建立电压波形。这些驱动器为发电机的优化提供了机会。

2.1 多相发电机

几乎所有的交流电源变流器都要求在其输入端有多个隔离的电压源。获得这些低压、相移电源的传统方法是通过一个特殊变压器来实现的。该变压器初级绕组是一个标准的三相绕组，次级绕组是几个特定相差的三相绕组。图1是传统电力推进系统组成示意图。它由三相发电机、断路器、变压器和电机驱动器组成。这种方法按照标准三相发电机的频率运行，频率越高，变压器的重量和体积越小。发电机的输出通过一个断路器，在系统故障的情况下对其实施保护。断路器的输出连接到一个变压器，变压器原边使用三相电源，并用若干相移次级绕组作为变流器转换模块的隔离电源。

图1 传统电力推进系统组成

如图2所示，多相发电机将变压器的功能融入到发电机设计中，由发电机直接提供所需的若干隔离电压源。这种方法取消了变压器，能大大节省系统尺寸和重量，提高了系统的可靠性和效率，减少了设计过程中必须处理的可能产生的噪声源数目。多相发电机有着常规的设计特征和制造结构。它的转子采用高速设计，由单个锻件加工而成。转子的磁极数由电机驱动器要求输入频率和原动机的转速确定。定子由安装在发电机内部支撑结构中的常规叠片和线圈制成。与常规三相发电机相比，多相发电机有更多数量的定子槽和线圈，同时需要有更多数量的连接环和端部导体将电流引出到电机外部。输出需要完全隔离，这就要求把相绕组的两端都引到设备之外。

图2 无变压器电力推进系统组成

2.2 高频发电机

现代高转速燃气轮机和蒸汽轮机因其紧凑的结构和高功率密度，成为舰船全电力推进用原动机的一个有吸引力的选择。使用高转速涡轮机直接驱动交流发电机是十分理想的选择，这将省去重且贵的变速齿轮箱。高转速直接驱动交流发电机比常规工频发电机要小很多。通常转速越高频率也越高。同步发电机的频率 f（Hz）按下式计算：

其中，N为转子转速（rpm），P为磁极数。对一个常规60 Hz发电机来说，其磁极数和转速必须互相匹配，例如：2极和3600 rpm或4极1800rpm。如果频率不受常规60 Hz的限制,则可自由选择发电机的极数使发电机和系统的重量及尺寸最优化。例如：将一个2极（60 Hz）的电机设计成为一个4极（120 Hz）或8极（240 Hz）的电机，那么一些优势将体现出来。

通常的设计趋向于选择高磁极数电机，因为它们同2极电机相比，具有体积小、重量轻且噪音低的优点。这种优势来自于当磁极数增加时发电机几何尺寸设计的改变，即当一台电机的磁极数增加而转子直径保持不变时，磁极斜度将成比例地减少。对于普通的径流式气隙发电机，定子铁芯的厚度与磁极斜度成比例。保持磁通量恒定的情况下，磁极斜度地减少使定子铁芯径向宽度或厚度成比例的减小，铁芯重量减少。另外，当磁极数增加时，发电机的总长度将减小。图3给出了 3600 rpm三相交流同步发电机不同磁极数下的发电机尺寸与重量的研究结果。等级为 20 MVA、功率因数0.9的发电机可以输出的最高电压可达6.9 kV，实际电压可以根据推进电动机的要求来选择。将磁极数从2增加到8，可以节省大约25000 kg的重量，长度减少0.88 m。由于受到定子铁芯厚度最小尺寸和最小气隙的限制，对于这样尺寸的电机，继续增加磁极数不会使功率密度额外增加。

图3 20 MVA、3600 rpm三相交流同步发电机在不同转子磁极数下的总重量和总长度

因为振动频率较高，定子铁芯刚度较高和轴承间距离较短等这些因素，使高磁极数的发电机的振动一般比较小。从系统角度出发，高磁极数的发电机所提供的频率越高，系统组件尺寸重量越小。如果发电机在输出位置使用转换器，所增加的频率将导致其尺寸的减小。

同样，可以通过增加转子的转速来提高发电机的功率密度。著名电机方程式：

公式描述了输出功率 Pa和电机主要设计参数之间的关系，其中：

ξ---线圈因子（无单位）；

A---电枢表面的电流密度（电负荷）（A/m）；

B---最大气隙磁通密度（磁负荷）（T）；

D---转子直径（m）；

L---定子铁芯长度（m）；

N---转速（rpm）；

K、K1---转换因子。

定义转子端部或表面转速St：

将 L作为一个长度单位，则（2）式可改写为：

提高发电机的转速使其端速增加，从而增加发电机单位长度的功率，只要端速不超过设计最大值。通常实心涡轮式转子的最大端速约为 250 m/s，对于常用于低速领域的绕组磁场凸极式转子，其最大端速约为150 m/s。

图4给出了当保持发电机的磁极数为4不变，通过增加转速来提高发电机频率时，发电机尺寸与重量的研究结果。可以通过减小定子铁芯长度L同时成比例增加转速的方式，保持发电机等级（20 MVA、0.9）不变。发电机的电负荷和磁负荷的乘积AB同样保持恒定，这个值有时被称为气隙剪切应力，通常由发电机的类型和冷却方式来设定。当转速从3600 rpm增加到7000 rpm时，发电机重量减少约16000 kg，长度减少1.8 m。

2.3 集成整流器的发电机

有些电力推进系统的设计把电机驱动器的输入电源由交流改成了直流电源。通过在前面已介绍过的高功率密度发电机上集成安装整流器模块，调整发电机设计使其为电机驱动器直接提供直流电源，使系统得以获益。图5是一台空冷式涡轮转子整流发电机典型结构。转子是通过用无磁定位环把转子和线圈支撑起来的方式进行单块铸造。旋转二极管式无刷励磁系统给转子线圈提供励磁电流。定子用一个由端部轴承支架制成的外部刚性支架支撑，轴承是压力润滑轴颈轴承。发电机对转子采用内部空气循环冷却方式，在顶部安装一个空气-海水热交换器。二极管整流器或整流模块直接集成安装在发电机顶部，与之共用支撑系统、冷却系统与减振器，省去附加壳体和机件的额外重量，以提高发电机功率密度。另外，通过与整流器相连接，发电机可以在接近功率因数1处运行，有利于降低容量等级进而减小其尺寸。

图4 20 MVA、4磁极三相交流同步发电机在不同转速下的总重量和总长度

图5 集成整流器的电力推进发电机

从系统的角度出发，发电机的转速可以在发电机本身的尺寸优化、原动机的转速优化和电机驱动器的要求间折衷选择，而不必考虑某个转子磁极数下发电机是否输出了一个特殊电源频率。发电机的电压应与电机驱动器相匹配，同时可以选择发电机的相数来使直流输出的谐波波动较小，进而减少对专用滤波器的需求。表1提供的数据说明了发电机的相数对直流电压波动大小的影响。发电机高品质的直流输出可以方便与蓄电池组连接，为系统提供备份电力。

表1 直流输出品质与发电机相数的关系

3 结论

在发电机/电机驱动器的优化设计过程中需考虑很多因素。首先应确定电机驱动器的电路拓扑结构，而驱动器的电路设计是源自对电压、功率和输出品质的特殊要求。设计的初始阶段应权衡研究使用非传统参数对发电机的好处，包括运行频率和输出电压等级对重量、体积、振动、绝缘要求以及变流器的影响。这项工作应从全局的角度，将变流器电路、原动机和发电机作为一个大系统进行优化设计。

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