船舶电力推进永磁同步电动机的起动及制动

计青山，单海校

（1.浙江海洋学院东海科学技术学院，浙江舟山 316004；2.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316004）

随着高性能永磁材料及电力电子技术发展，大功率交流电机调速技术的日益成熟，在船舶电力推进中趋于采用永磁同步电动机。早期电力推进中采用的直流电动机虽然调速系统简单，调速性能好，但由于其结构复杂，体积和重量大，维护困难等原因逐步被弃用。采用永磁同步电动机作为主推进电机的推进系统一般由以下几部分组成：原动机、发电机、变频器、永磁同步电动机、螺旋桨及相关控制设备组成。其组成结构如图1所示。

相对于机械推进系统而言，电力推进系统具有舱室布置灵活、系统可靠性高、操纵灵活、机动性能好、有较大的能量功率等特点[1]。船舶电力推进可以避免柴油机的大范围调速，有效提高效率。但另一方面，在机-电-机的转化过程中，也增加了能量损耗[2]。与交流异步电动机或直流电动机相比，永磁同步电动机具有转矩密度和功率密度高、效率高、功率因数高等特点，且能很好地满足船舶运行工况。

船舶电力推进中永磁同步电动机（PMSM）正常运行的首要条件就是先起动。根据永磁同步电机运行原理可知：同步电动机不能自行起动。利用现代变频技术对船用PMSM采用静止变频启动的策略，从效率和可控性都较为理想。针对船舶推进的实际工况，本文提出采用开环变频起动PMSM的方法[3]。

船舶的制动性能是船舶推进系统中一项重要指标，它影响船舶运行的灵活性和机动性。制动俗称“刹车”，可以分为机械制动和电气制动两种。机械制动一般是通过抱闸产生的机械摩擦使推进系统停止运行，但其制动装置体积大，停车的准确性低，这里不做讨论。电气制动是利用对电动机自身参数的控制，使其电磁转矩与转速的方向相反，从而完成制动。在电力拖动系统中，对制动的准确性要求较高的多采用这种方式。在船舶电力推进系统中，制动有采用能耗制动和回馈制动等方法，但这两种方法都需要有专门的制动电路，对控制的要求较高，考虑到船舶的实际运行情况，并不需要频繁的制动，本文提出采用一种简单实用的直流制动方式。

图1 船舶电力推进系统组成示意图Fig.1 The marine electric propulsion system diagram

1 起动

1.1 PMSM的起动特性

永磁同步电动机和电励磁的同步电动机不同，励磁不可调节，其起动过程要比异步电动机或电励磁的同步电动机要复杂的多。PMSM在起动过程中，起主要作用的一共有三种转矩：异步转矩、发电机制动转矩和磁阻转矩，3种转矩合成后就得到永磁同步电动机总的起动转矩。永磁同步电动机的起动特性如图2所示[4]。

上面的分析还是只考虑基波旋转磁场产生电磁转矩，如果把气隙磁场的谐波分量也考虑进去的话，起动过程的分析要更复杂些。

1.2 开环变频起动

考虑到电力推进系统中PMSM由变频器供电，起动适合采用变频起动的方式。同步启动的主要优点为：对起动过程中的转矩扰动具有很强的承受能力，动态响应快速[5]。PMSM在刚起动时，如果能够准确地检测出转子所处位置，起动过程就会非常简单，只要控制定子电流并且始终保证电磁转矩恒定，这样就使得PMSM能够正常起动、加速。

考虑到船舶运行的实际工况，无需对转子的具体位置和转轴的输出量作精确的监控，再有电机的负载变化也不是很大，基本不需要反馈装置。所以采用“开环”系统，即不通过具体的控制算法来检测转子的位置，而是先使转子到达预定位置再切换到闭环控制。

船用永磁同步电动机具体的起动过程分为两步：①对转子定位：使变频器向永磁同步电动机的定子绕组施加一定量的直流电压，使转子磁极指向定子磁极的异性端。如定子是Y形连接，是给其两相绕组串联后通直流电，△连接的话，则是给其一相绕组通直流电。②变频同步起动：变频器按照预定的转动方向，从“初始起动频率”开始，以较低速度旋转其施加在电枢绕组上的电压矢量，使得被定位后电机的转子永磁磁极被较强的定子旋转磁极可靠吸引，转子和旋转磁极的角度经过少量有阻尼的震荡后，将逐渐趋于一个较小的常量。至此，同步电机整步过程完成。变频器只要按照预先设定好的加速度，逐步加速达到给定频率。此时，同步电机的转子与旋转磁极间的角度被逐渐拉大到某一定值(由负载大小决定)，电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至和旋转磁场的转速相同，只是两磁极间存在一定大小的功率角。这样，PMSM就完成了整个起动过程。

图2 永磁同步电动机起动特性Fig.2 The starting characteristics of permanent magnet synchronous motor

1.3 起动电流控制

在船用永磁同步电动机刚起动时，由于起动频率较低，永磁转子和电枢产生的旋转磁场的相对速度也较小，尽管电机的磁通几乎不变，起动电流也能被限制在容许范围内。在起动过程中，随着频率的逐渐增大，如果能够将转子转速和旋转磁场的转速差值限制在一定的范围内，就能保证起动电流被控制到较小的范围。但是，如果起动过程中变频器的频率增加得太快，也就是频率的加速度较大时，即要使得起动的过渡过程时间缩短，这时旋转磁场的转速就增加很快，而和输出轴系连接的转子具有较大的机械惯性，其加速度将小于旋转磁场的加速度，使得二者的转速差增大，加速电流增加。考虑到船舶电力推进系统对起动过程的时间要求一般不高，所以只要适当增加起动时间，延长起动过程，就可以避免起动过程中“过电流”的情况发生。

2 制动

船舶在航行过程中速度由快到慢的减速过程，属于调速的范畴。制动过程指得是从高速到零速停车的过程，一般在船舶停靠码头、航行中避碰和抛锚时会实施。如果采用交-直-角变频器，船用PMSM电力推进系统的主结构图如图3所示。

在忽略相电阻时，PMSM的电磁功率为:

对于隐极式PMSM，Xd=Xq=Xt，不存在由于交直轴同步电抗不等引起的附加转矩。当PMSM工作在电动状态时，θ＞0，即PMSM定子产生的磁场超前转子磁场一个角度θ。

2.1 制动过程分析

当船舶主控台给出制动指令后，变频器的频率有一个由大到小的变化过程，也就是说频率是逐步降低的。由于PMSM的转子以及螺旋桨具有较大的机械惯性，转速不能突降，这时功率角θ由正变负，即定子产生的磁场将滞后于转子一个角度。据（1）式可知，此时电机产生的力矩为负，和转速的方向相反，为制动性质的力矩，电机工作在制动状态。

当PMSM工作在制动状态时，整个传动系统中所储存的机械能通过电机转换成电能，除了小部分以铜耗和铁耗的形式消耗在电机内部以外，剩余的大部分能量通过逆变桥回流到直流侧，对于交-直-角变频器，由于电容前面的整流桥中使用的二极管的单向导电性能，不能使电流反向流动，决定了这部分能量只能储存于电容中，而电容本身并不消耗能量，这样就会造成电容两端电荷的积累。当PMSM快速减速时，会造成短时间内电容电荷的快速积累，会产生一个较大的称之为“泵升电压”。该电压太高会造成逆变器中的功率开关器件的损坏，进而导致整个推进系统的瘫痪。

为了抑制过高的泵升电压，一种方法是将PMSM产生的能量送回到电网中，也就是回馈制动。该制动方式需要专门的回馈电路，再加以回馈到电网中的能量对于船舶电网也是一个不小的冲击，会影响到船舶上其它电气设备的正常运行。另一种方法就是将PMSM产生的能量就地消耗，也就是能耗制动。该制动方式也需要有专门的耗能电路，对耗能电阻的选择有严格的要求。文献[6]对能耗制动电阻的选择有详细的分析。

2.2 直流制动

船舶电力推进PMSM采用回馈制动或者能耗制动时，都需要专门的电路，增加设备投入，增大了控制难度。再有船舶的制动工况在船舶正常运行的时候出现的较少，基于以上两点，本文提出采用直流制动的策略。

图3 船用PMSM电力推进系统的主结构图Fig.3 Main structure diagram of marine PMSM electric propulsion system

直流制动时，当主控台给出制动指令后，将PMSM和逆变桥断开，也就是将定子绕组从交流电网上切下来，这样就不会产生“泵升电压”了，同时将定子绕组2个接线端接入直流电源，这样在定子中就会产生一个恒定的磁场。和螺旋桨连接到一起的转子由于机械惯性，将切割该恒定的磁场，产生感应电动势和感生电流，这时PMSM产生的电磁转矩和转子的旋转方向相反，电机工作在制动状态。随着PMSM转子速度逐渐降低，切割磁场产生的感应电动势也逐渐降低，但是由于PMSM转子的电阻很小，所以转子的感应电流一直较大。速度降低时，制动效果反而增强。只有在转子接近停转时，该制动转矩才会急剧下降。转子完全停转后该制动转矩降为零。制动效果如图4所示。

采用直流制动作为PMSM的制动方式时，系统储存的动能将全部以热损耗的形式消耗在电机内部，所以不宜频繁制动，以免电动机过热。

图4 直流制动效果图Fig.4 DC braking effect diagram

3 结论

经分析，船舶电力推进PMSM采用开环变频启动方式，具有启动过程平稳，起动电流和转矩可从零起逐渐加大，不存在失步问题，对电网几乎没有冲击，可靠性高等优点。制动方式采用直流制动具有线路简单，准确停车，其制动转矩从初始阶段较小而后逐步增强的制动效果，使得其很适合船舶的实际工况。PMSM的开环变频起动和直流制动方式同样也适合一些非船用的负载无需精确控制的大型同步电动机，值得推广。

[1]栾胜利.船舶电力推进技术的发展[J].船电技术,2009,29(4):46-49.

[2]寿海明,冀路明,马守军.现代船用推进电机技术研究[J].船电技术,2007,27(1):36-39.

[3]计青山,胡即明.一种船用永磁同步电动机的起动方法[J].船舶工程,2012(增刊2):94-96.

[4]顾绳谷.电机及拖动基础第四版[M].北京:机械工业出版社,2011:189.

[5]许 容,刘鹏飞.同步电机变频启动策略研究[J].中国科技信息,2008(5):70-72.

[6]任洪莹,冯 惠,任俊杰,等.船舶电力推进电动机能耗制动电阻值研究[J].航海技术,2010(4):54-56.