二十一世纪的A z i p o d吊舱式电力推进系统冀路明工程师海军装备论证研究中心［100073］汪庆周工商管理硕士A B B（中国）工程有限公司［200131］摘要本文叙述了A B B公司的A z i p o d吊舱式电力推进技术及其发展历史，对一些采用A z i p o d系统的船舶的运行情况以及最新技术如C o m p a c tA z i p o d和C R PA z i p o d等的发展作了简要介绍。

对电力推进系统中所需控制的关键参数如电站容量、推进变频器选型以及电网谐波畸变等的控制选择方法作了理论上的阐述。

关键词电力推进A z i p o d C R P推进吊舱中图分类号U664.141A z i p o d电力推进技术约13年前，当时芬兰海事局开始寻求在冰区航行具有更高性能的破冰船的解决方案，其初步想法是推进电机应该提供任意方位的推进力，由此A B B 便提出了A z i p o d的原型方案并提交给K v a r n e r M a s a船厂制造，相关的A z i p o d推进技术也申请了专利。

1.1A z i p o d的运行情况及最新应用现在，A z i p o d吊舱式电力推进系统已成为大型豪华游轮的标准配置。

自1990年第一套A z i p o d系统安装下水，截止到2001年8月，A B B公司收到的A z i p o d系统的订单共计101套（总装机功率1067 MW），其中45套系统已交付使用（总装机功率376.6MW），其累计运行时数已超出30万小时。

A z i p o d原型研发船是“S e i l i”号航道服务船。

该船自1990年改装下水，其1500k W的A z i p o d系统一直到现在还在运行，没有出现任何故障。

接下来采用A z i p o d的船舶为建造于1978年的16000载重吨的成品油轮“U i k k u”号，其由常规机械推进改造成A z i p o d推进的工程完成于1993年，A z i-p o d的功率为11400k W，船体按照C l a s s1A S u p e r破冰等级建造，A z i p o d破冰等级则为D N V的C l a s s 10。

目前，A z i p o d电力推进系统是穿越北海-东海航线唯一经济上可行的推进方案，因为它在无破冰船的帮助下仍可非常安全地在冰区航行。

“U i k k u”号和“L u n n i”号令人满意的试验结果和可靠的运行经验促成C a r n i v a l游轮公司（C C L）在1995年秋天决定为其“E l a t i o n”号和“P a r a d i s e”号两艘豪华游轮选用A z i p o d电力推进系统，每艘游轮装备2套14000k W的A z i p o d系统。

V o y a g e r级豪华游轮是目前全球最大吨位的游轮，每艘游轮采用两套14000k W的A z i p o d系统再加上一套14000k W的固定A z i p o d系统（F i x i p o d）。

该系列游轮也是第一次拥有动态定位功能（D P）的豪华游轮，A z i p o d推进系统加上4台3000k W的艏侧推组成的强大动力，使得每一艘这样的海上巨无霸能够在风速高达18米／秒的来自任何方向的大风环境下保持良好的定位能力。

去年秋天A B B接到了一个来自日本Y o k o s u k a 船厂的A z i p o d的订单，用于两艘阿法拉型106000载重吨的双向航行原油轮。

每艘油轮将采用一套循环交交变频控制的16000k W的A z i p o d推进系统，配置5台发电机及相应的配电系统。

该双向航行油轮设计为在开阔水域船艏向前行驶，而在重冰区域则船艉向前行驶，因为船艉线形设计适合于破冰需要，并由A z i p o d为航行中的船体和冰块之间提供润滑水流。

A z i p o d的破冰性能是如此优越，以至于即使在1米厚的重冰区油轮还能以3节的速度航行。

首船将于2002年6月交付使用。

1.2C o m p a c t A z i p o d的应用C o m p a c t A z i p o d的第一批范例船舶之一是一艘渡轮，它装备了两台500k W全回转牵引式推进C o m p a c t A z i p o d，可以在冰区全年航行。

该船选用C o m p a c t A z i p o d不仅仅因为其高可靠性，更由于其高效率以及在低负载工况下的低污染排放水平。

另一个合同是为英国A p p l e d o r e船厂建造的两艘英国皇家海军考察船提供C o m p a c tA z i p o d推进系统，促成该合同生效的主要原因是C o m p a c tA z i-p o d极佳的推进性能以及系统全寿命周期费用较图1双向航行油轮船艉破冰前进低，这也将是英国皇家海军第一批采用全电力推进和A z i po d 系统的船舶。

最近的一个应用是为新加坡P P L 船厂建造的两艘半潜式钻井平台提供C o m p a c t A z i p o d 系统，每艘钻井平台将配置八套3200k W 的C o m p a c t A z i po d 系统。

2发电及推进传动系统2.1发电及配电系统要装备A z i p o d 推进系统，则船舶必须装备电站，即采用多台中速柴油发电机组供应船舶上所有电力负荷，包括A z i po d 推进动力及其他用电负荷。

电站电压等级选择的条件之一是将负荷电流及短路电平控制在各主要配电设备的额定值以内。

一般来说，只要总功率不是太高，690V 应该是最经济的选择。

目前，实际运行的最高电压等级为11k V ，随着功率需求的增加，电站的电压等级也要随之提高。

2.2推进传动电力推进系统可以采用多种多样的传动方法组成。

最简单的方法可以由同步电机或异步电机直接推进变距螺旋桨，但目前对于大功率的现代推进系统，大多已采用变频传动方式。

直流传动技术的电力推进系统有超过60年的应用历史，但随着20年前A B B 公司将交流传动技术引入船舶电力推进领域，现在新的造船项目中都无一例外地采用交流传动技术。

在功率范围4000k W 以内，最常用的选择是低压的P WM 变频器，而当功率增加至8000k W 以内，则中压的P WM 变频器加异步电机目前已成为一种标准配置。

更高功率的传动则有两种选择，一是循环交交变频（C y c l o c o n v e r t e r ），一是同步变流器（L C I ）。

循环交交变频器是将输入电压的额定频率直接转换为适合于可直接推进的较低转速频率，并且循环交交变频器可运行在电机功率因素为1.0的工况下，这对于采用吊舱式推进的电机设计无疑可带来很大好处。

而同步变流器（L C I ）则由于采用中间直流换流电路，因此可运行在更大的频率范围，但它在低转速频率运行工况下必须采用特殊的换流控制方法。

表1A B B 目前船用电力推进传动技术传动技术A B B 相关产品功率范围电压等级频率范围功率元件备注D T C A C S 600<4MW 400~690V 0~+200H z I G B T D T C A C S 6000S D ／A D 2~8MW 3300V 0~+200H z I G C T C yc l o c o n v e r t e r A C S 6000C5~30MW 1~6.6k V0~18H z GT O L C I1~80MW0~125H zG T O不建议应用在船用领域目前变频传动技术一方面是向提供更高轴功率的方向发展，另一方面新型变频器如中压等级的D T C（直接转矩控制）变频器加同步电机则可能会逐步取代传统的大功率变频技术。

D T C 是交流调速理论继矢量控制之后一个重大突破，它的理论基于磁链和转矩的“直接自控制（D i r e c t S e l f -C o n t r o l ）”，也即直接计算电机的定子磁链和电磁转矩，由磁链和转矩的砰-砰控制产生P WM 信号，对逆变器的开关状态进行控制。

众所周知，转矩是定子、转子磁通矢量或转子电流和磁通的矢量乘积T e E P n （1-σ）|ψr |・|ψs |s i n r ／（σL m ）（1）式中：T e ———计算气隙转矩P n ———电机的极对数σ———电机的漏磁系数ψr ———转子磁通矢量ψs ———定子磁通矢量L m ———等效定子与转子绕组间的互感r ———定、转子磁链矢量的夹角当定子磁通保持稳定，电机转矩可以通过定转子磁通矢量的夹角进行控制，通常转子的机电时间常数大于100m s，因此转子磁通与定子磁通相比更为稳定，这样有可能通过控制旋转的定子磁通矢量来得到有效的转矩。

定子磁通的计算式为：ψs Eʃ（u-R s i s）d t（2）定子电压矢量取决于直流电压的测量值和开关的选择，而定子电阻Rs应在命令期间识别，并进行温度校正。

按照A B B的经验，在定子磁通估算时，必须考虑控制的门限电压和功率的变换延迟，同时，定子磁通要通过在线的电流进行校正。

定子磁通可以用定子和转子电流矢量来描绘：ψs E L s i s+L m i r（3）定子磁通的校正是为了上述公式在动态下有效。

电流反馈很大程度改善了定子磁通的估算，并使转矩在整个速度范围内线性很好，这就保证了在低速时能产生极大的起动转矩。

由于转矩的实际值与定子磁通和转子磁通的夹角有关，电机的模型必须计算电机的轴转速和电气角频率，电气角频率可通过求导转子磁通矢量的角度来获得：w e E dθr／d t E（θr（t2）-θr（t1））／Δt（4）实际计算的时间从1m s到上限频率400H z。

其中，转子磁通的角度可通过求解转子磁链获得，即ψr E L r（ψs-σL s i s）／L m Eψr x+jψr y（5）θr E a r c t a n（ψr y／ψr x）（6）同样，转子的机械角速度可由下式估算：w r E P n（w e-R r T e／ψ2r）（7）以上算式作为D T C控制的基础，为变频调速系统提供了精确的过程控制手段。

D T C典型的转矩响应时间是1~2m s，是其他交流和直流调速系统的10倍，能为任何电动机控制平台提供<5m s的快速转矩响应；在输出100%转矩情况下，可将转速控制在0.5H z以下。

同时，在不采用编码器的情况下，即使受到输入电压变化或负荷突变的影响，同样可以达到+0.1%的速度控制精度，而在采用编码器的情况下则可达到+0.01%的速度控制精度。

因此，可以说，D T C控制系统是目前最为先进的系统。

2.3电网谐波畸变的控制电力推进功率有时可以占到总用电负荷的95%，换句话说，只要保证了该负荷的安全，也就保护了整个系统。