船用推进系统整流变压器的设计

刘付海

摘要：本文通过对大型船舶中推进系统中整流变压器的应用及技术发展的现状的介绍，并对推进牵引整流变压器开发及研制过程中需要解决的问题的进行研究，确定为了产品的顺利生产，变压器在实际设计时需要注意的关键地方，并对该产品的应用前景做出了预期判断。

关键词：船舶推进系统整流变压器技术问题

一、船舶电力动力系统发展概述

船舶电力推进是指将船舶的动力系统和电力系统进行综合的一体化设计，将其它的能量形式统一的转化成电能后，提供给全船所有设备使用。与传统的由柴油机直接带动螺旋桨的推进方式相比，电力推进具有经济性好，噪音低、振动小，可提高船舶的机动性和操纵性，机舱布置灵活，安全性好，有利于船舶控制环境污染等优点。

在电力推进船舶中，电能是唯一的能量传递形式，从而实现船舶动力用电和日常用电统一。以前，主要采用直流电力推进系统，因为直流电机转速调整范围宽广和平滑，过载起动和制动转矩大，逆转运行特性好；而交流电动机尽管具有输出功率大、极限转速高、结构简单、成本低、体积小、运行可靠等特点，但限于当时的技术限制，调速困难，应用较少。随现代控制理论和数字控制、直接转矩控制、矢量控制等电力电子技术的发展，交流调速系统的性能已经可以与直流调速系统相媲美。交流电力推进系统的应用，已经成为船舶电力推进发展的主流，呈现出蓬勃发展的态势。随着第二代电力推进技术的诞生，电力推进技术被大量的应用到各类船舶中，包括豪华游轮、挖泥船、铺管船、起重船等各种海洋工程船、特种工程船，以及大型LNG、海洋平台等。其中以6.6kV为主的中高压交流电力推进技术也得到了广泛的应用，在大型海洋工程船中目前是主流的电力系统。

近年来国内外多家海洋工程公司相继开始建造专门用于海上风机安装的大型工程船舶。专门的风车安装船一次最多可以装载10余台风机。这种专用的风电安装船一般采用6.6kV全电力驱动，艏部和艉部各设置2套以上的全回转推进器来满足工况，该系统里就包含了若干船用中压移相整流变压器。

二、船舶推进系统中的整流变压器设计

2.1采用24脉波整流系统

整流变压器的整流技术前后经历过三个阶段，分别是6脉波整流（三相桥式），12脉波整流，24脉波整流。由于前两种技术的弊端：6脉波整流谐波大，严重影响电网的质量；12脉波整流，24脉波整流造价高，占地大，加上船体的结构和空间限制，船舶推进系统目前全部采用24脉整流系统，这里就不再一一描述，仅针对24脉整流技术进行介绍。

24脉波整流系统由两台单机组12脉波整流变压器分别各连接1台推进变频器，且两台变压器原边侧输出电压相位相差15°，组成虚拟24脉波整流系统。

2.2 整流变压器的联结组标号

目前24脉波整流系统为船舶推进系统的主流技术。在整个整流系统中，变压器的重要性不言而喻。对变压器而言，它要求两台12脉波变压器通过推进变频器形成虚拟24脉整流。此时2台变压器高压侧一般采用延边三角形联结，分别设移相绕组和基本绕组，并通过对移相绕组和基本绕组的匝数的合理选择，实现一台高压移相+7.5°，另一台高压移相-7.5°。两台变压器之间原边相位差为15°，习惯上我们把左行移相定为+7.5°，右行移相定为-7.5°。

我们仅对两台12脉波变压器分别移相+、-7.5°变压器的联结组进行分析，2台变压器相量图见下图1、图2

图1：左行移相绕组图  左行移相相量图

图2右行移相绕组图右行移相相量图

从上面两个图可以看出：两台变压器高压电流相序一致（均为A、B、C）。两台变压器绕组的极性完全一致，仅仅改变高压绕组的外部联结方式，即可实现+7.5°和-7.5°的互换，从设计角度看，两台变压器只需设计一套图纸；从生产角度看，成本低，加工过程简单，两台产品线圈互换性强，简化了工艺。

2.3整流变压器低压线圈匝数匹配

由于整个推进系统对变压器的移相角度和输出电压偏差有着严格要求，所以我们在设计时，尤其当输出的两个绕组采用d接，y接组合方式时，d接线圈和y接线圈的匝数比要尽可能接近：1的关系。否则，由于各自输出电压的不等而造成电流分配不均衡，甚至引起局部严重过热，最终导致变压器的使用寿命迅速下降。一般我们建议匝数按下表设计。

低压侧（三角形联结） d接线圈匝数	低压侧（星形联结） y接线圈匝数	低压两组线圈空载输出电压 不平衡度（%）
19	11	0.276
26	15	0.074
33	19	0.276
38	22	0.276
45	26	0.074.
52	30	0.074
57	33	0.276
59	34	0.187

2.4整流变压器线圈结构布置

变压器线圈结构原边分成上、下两个支路并联联结，副边沿轴向进行分裂，容量均分，且两个绕组布置于同一铁芯柱上，沿轴向上、下排列，将其首尾头分别采用“y”和“d”联结引出，分裂成两个支路。如图所示：

为保证两组阻抗（或半穿越阻抗）尽量接近，轴向上、下绕组要保持同心度，几何尺寸应尽可能符合图纸要求。考虑到电压等级，一般

3-6.6kV的原边线圈采用线绕，环氧树脂浇注工艺；3kV及以下的原、副边绕组由于电流比较大，考虑到实际生产的难易，一般采用箔式工艺。

三、小结

就目前的技术发展来看，交流电力推进系统是对总体性能有一定要求的船舶动力系统的主流动力型式，特别在海工、科考、大型豪华邮轮和内河游轮等领域基本占据统治地位。常规动力船舶适用于工况较少且变化不大的船型，如三大主力船型等，未来随着各国对节能环保重视程度的进一步提高，常规动力船舶预计将逐步与电力推进技术结合，在混合动力领域大展拳脚。相应的，24脉整流变压器的应用市场前景也是客观的。

参考文献

[1]GB／T3859.3-2013  半导体变流器变压器和电抗器

[2]沈阳铝镁设计研究院电力室编硅整流所电力设计[M].北京:冶金工业出版社，1983

[3]崔立君特种变压器理论与设计

[4]王念同等轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器均衡电流的分析计算。变压器，2000.37(4):11-16