船舶电力推进系统谐波特性仿真与试验

船舶电力推进系统谐波特性仿真与试验 SHIPENGINEERING Vol.31Supplement2009 船舶工程 总第31卷,2009年增刊 张 洋, 杨平西, 陈 琳 (中国船舶重工集团公司第704研究所,上海 200031) 摘 要:对船舶电力推进用同步发电机2推进变流器系统的 谐波畸变进行了分析,建立了发电机带整 流器负载、变频器负载的Matlab/Simulink仿真模型,对特定工况 下的发电机侧谐波畸变进行了仿真;搭建了全系统全尺寸试验平台,以 测量发电机侧的谐波畸变;,验证了仿真模型的正确性, 关键词:电 力推进系统;谐波;同步发电机; 中图分类 号:U665.12 :A:()Z20098204 Harresearchofthesynchronousgenerator2 onconvertersysteminelectricpropulsion ZHANGYang,YANGPing2xi,CHENLin (No.704ResearchInstitute,CSIC,Shanghai200031,China) Abstract:Voltagedistortionofthesynchronousgenerator2propulsionconver tersystemforelectricpropulsionis ——————————————————————————————————————————————— analyzed.BasedonthesoftwareMatlab/Simulink,thesimulationmodelsofgeneratorwithrectifierandtrans2ducerarefounded.Theharmonicdistortionunderthespecificallyloadconditionissimulated.Buildupthepro2vinggroundinsize,andtesttheharmonicdistortioninthesystem.Thecomparingoftheresultsbetweenthesimulationandtestprovetheavailableofthesimulationmodel,andpredicttheharmonicinthesystem. Keywords:generator2propulsionconvertersystem;synchronousgenerator,propulsionconverter,harmonic 1 概述 进负载一体化供电的电力推进系统,建立特定工况条件下的同步 发电机2推进变流器全系统仿真模型,对系统的谐波特性展开仿真研 究;同时搭建了全系统全尺寸试验平台,测量发电机侧的谐波畸变,以 验证仿真模型的正确性;最后利用仿真模型对船舶电力推进系统运行 时的谐波含量进行预估. 2 仿真模型的建立 交流发电机电压波形畸变率是衡量电机性能的重要指标,对于在 特殊环境中工作的电机显得尤为重要.如船舶供电系统对于发电机的 电能品质有着严格的控制标准,国家标准GB/T1454921993中 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 “交: 流电压波形畸变率不大于5%、最大单次谐波含量不大于3%”. 在船舶电力推进系统中,电力推进负载通常占总负载的70% [1] ——————————————————————————————————————————————— ,由于其推进负载非线性整流元件的 以某船的同步发电机2推进变流器系统为例建立仿真模型,仿真系统由发电机、推进变压器、非线性负载整流器、日用变压器以及阻感负载组成.其中推进变压器的联接形式与电机侧的特征次谐波密切相关. 本仿真选用三绕组变压器 [2] 单向导电性和通断过程,推进变流器在运行时会产生大量谐波注入电网.谐波使发电机产生附加谐波损耗;产生电磁干扰;降低了电网中的电能品质,进而严重影响船舶电力推进系统中各种日用负载的用电质量,因此这种影响需要引起重视. 本文针对采用大容量日用负载供电和大功率推 收稿日期:2008203218;修回日期:2009207208 ,原边绕组接入发电 机机端,2个副边绕组移相30?,分别与三相不可控整流器相连,以构成12脉波整流电路,则变压器原边侧 作者简介:张洋(19832),男,硕士研究生,主要研究方向为电力推进系统谐波特性研究. —98— 电流中的5,7,17,19次等各次谐波均被抵消,原边侧电流中的特征谐波为11,13,23,25,„即12k?1次,其中k=1,2,3,„. 本系统为三相交流6600V、3MW中压系统,发电机仿真工况为单——————————————————————————————————————————————— 机恒定转速、满载运行,转速1000r/min,输出频率为50Hz;变压器的仿真参数如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示. 表1 变压器参数 日用变压器 容量/MVA电压/V 联结方式 36600/397Dy11联结 推进变压器 4.56600/775 /775Dy11、Dd0联结 图3 发电机端电压Uab仿真波形 3 仿真和试验分析 3.1 [3] 式,图1.推进变流器经由三绕组变压器,采用两个6脉波整流器并联输出的形式,整流器直流输出侧计入平波电抗和滤波电容环节. 1为基础搭建全.其中主、3,系. THD,并将试验结果与仿真计算结果进行对比,如表2所示. 表2 仿真和试验THD对比 仿真值 电流Ia电压Uab 4.49%7.00% 试验值 ——————————————————————————————————————————————— 4.5%5.2%. 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 系统运行时发电机侧电流和电压的单次谐 波畸变率(单次谐波次数统计至49次),并将试验结果与仿真结果进行对比,如图4、图5所示. 图1 发电机整流器负载示意图 在功率因数0.8、线性负载与非线性负载所占功 率之比为3:7的工况下,保持发电机端电压6600V恒定进行仿真,得到发电机侧电流和电压的仿真波形,如图2、图3所示,其中,横坐标为仿真时间,纵坐标为幅值. 计算出单次和总谐波畸变率THD(totalharmonicdistortion)如下:Ia有效值为329.2A,THD=4.49%;Uab 有效值为6568V,THD=7.00%.由于谐波的存在,电流和电压的波形都发生畸变. 图4 电流各次谐波试验与仿真结果对比 图5 电压各次谐波试验与仿真结果对比 图2 发电机端电流Ia仿真波形 仿真和试验的对比结果可见:电流和电压的特征 谐波皆为12k?1次;电流各次谐波及THD含量一致;电压各次谐波及THD含量的仿真值比试验值 —99— 偏大. 这是因为在搭建的仿真分析模型中,凸极同步发电机为理想模型,本身不产生谐波,亦没有考虑到短距、斜槽对谐波的影响;而试验中的凸极同步发电机设计为短距绕组5/6节距,且定子槽斜1个槽——————————————————————————————————————————————— 距,短距设计的作用主要是减小5次和7次谐波电动势,同时削弱其他次谐波电动势(如11、13次谐波);斜槽的作用主要是削弱24k?1(k=1,2,3,„)次齿谐波电动势.所以,如图5可见,电压11、13次谐波和23、25次谐波的含量仿真值比试验值偏大,这也使得电压THD含量的仿真值偏大. 综上所述,可以判断建立的仿真模型是正确的,并具有一定的工程分析价值,步发电机2行时的谐波含量.3.1 ,并对同步发电机2推进变流器系统的谐波特性展开研究,所带负载为感应电动机负载,逆变器采用SPWM开环控制,仿真示意如图6所示 . 之比为3:7的工况下,保持发电机端电压6600V恒定进行仿真,系统其余各组成部分参数与上节相同. 此时记录发电机侧电流和电压的仿真波形, 如图7、图8所示,其中横坐标为仿真时间 ,纵坐标为幅值.计算出系统单次谐波以及THD含量. 7 发电机端电流Ia仿真波形 图8 发电机端电压Uab仿真波形 图6 发电机变频器负载示意图 此时,Ia有效值为337.2A,THD=4.67% ;Uab有 效值为 6562V,THD=7.33% 对所得电流和电压波形进行傅里叶分解,得到如图9所示的谐波——————————————————————————————————————————————— 分布直方图. 发电机、变压器参数同第2节,三相鼠笼感应电动机负载参数如表3所示,电动机在基频以下进行恒转矩调速.电动机仿真工况为恒转矩运行,输入频率为25Hz. 表3 感应电动机负载参数 输出功率 3550kW 输出电压 1195V 额定频率 50Hz (a)电流 为使逆变器输出电压波形趋于正弦波,常采用SP2 WM(SinusoidalPulseWidthModulation)即正弦波脉宽控制方式.在该模型的SPWM控制中,频率调制比为: mf=fc/f=1500/25=60 其中,fc为调制波频率,取1500Hz;f为载波频率,取25Hz. 因此,逆变器输出侧最主要谐波次数为mf?2=60?2次和mf?4=60?4次. 在功率因数0.8、线性负载与非线性负载所占功率 —100— (b)电压 ——————————————————————————————————————————————— 图9 电力推进系统谐波分布直方图 从图9中可以看出,系统增加逆变器和感应电动机环节后,电力推进系统中电流和电压的谐波含量都有小幅增加,并且出现了大量非特征次谐波,这 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 逆变器同样是系统中的谐波源之一. 逆变器输出侧基波频率为25Hz,谐波主要是次数为60次及其附近的谐波;而整流器输入侧基波频率为50Hz,出现的非特征次谐波为30次及其附近的谐波.输出频率为输入频率的1/2,而输出主要谐波次数为输入的2倍.这表明逆变器输出侧的电流和电压谐波可以通过直流侧传导至整流器输入侧,与整流器开关非线性所引起的谐波畸变相互叠加,产生了非特征次谐波,并增大了发电机侧电流、电压的谐波含量. 系统运行时,系统中电T1454921993. 1)逆变器的SPWM控制系统可以通过提高载波比,使负载电流的波形向正弦波逼近,从而减小电网(上接)这样问题. 现在终于知道这两次主机轴瓦烧熔的根本原因在于厂家.但是从轮机资源管理学可知,事故的发生是失误链造成的,在失误链发展过程中,如果及时发现人的失误所形成的失误链,果断采取有效措施避免人的失误,中断失误链的继续发展,就能够保证安全.图5所示是失误链的发展过程 . 图5 失误链的发展过程 侧电流、电压的谐波含量. 2)通过对两个推进变压器进行移相,将两个12脉波整流电路并联,——————————————————————————————————————————————— 构成24脉波整流电路,消除系统中第11、13次谐波的含量,降低电压谐波畸变. 4 结论 电力推进系统对大容量日用负载和大功率推进负载采取一体化供电,系统中的谐波问题是其中一个亟待解决的难点.使用试验方法对系统中的谐波含量进行测量,耗时多、成本高,大优势,1],吴旖,杨平西.综合全电力系统主发电机谐波 损耗分析与算法[J].船舶工程,2008,30(5):12215.[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].第4版.北京:机械 工业出版社,2000. [3]黄建,蔡孟夏.同时带有整流负载和交流负载的同步发 电机分析方法研究[J].电力电子,2005,3(1):41247. μm以上的杂质颗粒90%滤出.粒95%滤出;5 3)提高轴瓦内圆和轴颈表面粗糙度等级.4)制造、装配中严格控制尺寸与形位公差.5)改善轴瓦内圆表面的嵌藏性.6)保证滑油质量,及时更换滑油.7)选择适当的轴承间隙.8)出现拉、划、磨痕时,就应换新轴瓦. 5 结论 通过该轮主柴油机轴瓦烧熔事故两个层面的原因分析可知,在查找事故原因时要注意以下事项: 1)查找事故原因时不要凭主观想象,要以事实为依据; 2)不要局限于某一影响因素,要全面综合考虑所有影响因素; ——————————————————————————————————————————————— 3)不要只进行技术分析,要从深层次角度找出人的失误因素,从根源上杜绝同类事故的再次发生. 虽然厂家为了偷工减料在设计上出现问题,产生了人的失误,但是如果航运公司的机务人员在进货时能够发现其中问题,就可以斩断失误链的继续发展,避免轴瓦烧熔事故发生;即使这批滤芯上船,如果轮机主管人员有经验的话,也能够发现其中问题,中断失误链的发展;如果负责清洗滤芯的轮机人员有责任心的话,也许能够避免轴瓦烧熔事故发生. 总之,该轮主柴油机轴瓦烧熔事故的根本原因在于人的失误. 4 轴瓦烧熔事故的预防措施 1)装配时应将零件毛刺、屑末、型砂等清理、冲洗干净. 2)提高滑油滤器的效能.使其能将润滑油中的大μm的杂质颗粒全部滤出;10μm以上的杂质颗于15 [4] 参考文献: [1]冯立民,船舶柴油机轴瓦损坏的几种形式与预防措施 [J],中国修船,2006,19(2):15218.[2]顾卓明,轮机维护与修理[M],北京:人民交通出版 社,2008. [3]詹玉龙,轮机资源管理的应用研究[C],2006年苏、 浙、闽、沪航海学会学术研讨论文集,2006. [4]魏海军,中国海事服务中心组织编审,轮机维护与修 ——————————————————————————————————————————————— 理[M],北京:人民交通出版社,2008. —101— ———————————————————————————————————————————————