电力推进船舶技术Word文档格式.docx

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本文从以上五类电力推进装置的工作原理出发，分析其工作特性，并比较关键指标。

1可控硅整流器+直流电动机

1970年代以前，船舶电力推进系统中，直流电动机占据主导地位。

1940和1950年代，推进系统采用原动机一直流发电机一直流电动机形式，通过调节发电机励磁电流的大小和方向，调节电动机转速及转向。

1950年代末，大功率可控静态电力变流元件研制成功，可控硅整流装置出现，直流电力推进系统演变成可控整流器加直流电动机模式。

晶闸管的问世加速了这种推进技术的发展，拓展了其应用领域。

至今，该种推进形式仍不失为一种高效、经济的推进方案。

可控硅整流器+直流电动机系统，采用全桥式晶体管整流器为一个电枢电流可控的直流马达供电，原理如图1。

其基本工作原理是：

图1“可控硅整流器+直流电动机”原理图

•通过控制晶闸管导通角，改变触发电路输出脉冲的相位，从而改变直流电机的电枢电压Ud，再由此改变电枢电流，实现电机速度的平滑调节；

•利用可控整流电路调节励磁电流，使电动机能够在转速一转矩坐标的任一象限运行。

可控整流电路最基本的变量是控制角α（从晶闸管承受正向电压起到加触发脉冲使其导通的瞬间，这段时间对应的电角度）。

α与各电压、电流之间的关系决定了可控整流的基本特性。

功率因数与转速成正比，在0～0.96之间。

这种推进方式的优点：

•控制角α的控制范围，理论上是0～180°

；

实际上一般在15～150°

，是考虑到电网的压降，确保电机可控，控制角α确保留有换流边界；

•起动电流及起动转矩接近于零；

•扭矩波动平滑；

•动态响应一般小于100毫秒。

缺点是：

•转矩控制不够精确，若要得到精确平滑的转矩控制，必须提高电枢感应系数，但会引起系统动态性能减弱，功率因数偏低，增加系统损耗；

•直流电机驱动需要的换向器，是一个易发生故障的部件；

•会对船舶电网产生较大的谐波污染，因为采用了大功率电力电子器件；

•直流电动机固有的结构复杂、成本高、体积大、维护困难、效率低等缺点，阻碍了它在船舶电力推进领域的广泛应用。

目前，船舶推进所应用的直流推进电机的容量，在2～3MW之间。

2交流异步电动机+可调螺距螺旋桨

交流异步电动机+可调螺距螺旋桨模式，也称为DOL（Directonline）模式，多采用鼠笼式感应恒速电机驱动变距桨实现，船速的控制靠改变螺旋桨的螺距。

为了增加可操纵性，也可用极数转换开关实现电机速度控制。

这种推进方式的优点是：

•几乎没有影响电网的谐波，因为没有采用大功率电力电子器件；

•电动机转矩稳定没有脉动；

•在设计点运行时效率很高。

但缺点也不少，例如：

•交流异步感应电机起动瞬间电流较大，通常是正常电流的5～7倍，系统电网压降大；

•起动瞬间机械轴承受的转矩大，约为额定转矩的2～3倍；

•极低航速，螺距近似为0时，仍要消耗额定功率的15％，电流约为正常值的45～55％；

•功率因数低，满负荷时也只能达到0.85；

•功率及转矩的动态响应慢，一般3～5秒才能完成，因为采用液压机构完成螺距的变换；

•反转慢，制动距离长；

•变距桨的液压控制系统十分复杂，并工作在水下，故障维修时需进坞；

•变距桨结构复杂，可靠性差，价格贵。

为了防止起动时电流和扭矩过大等不利影响，以及满足规范对船舶电站压降的要求，这种电力推进方式启动时必须采用船舶电站规定启动大电机需要的最小台数运行机组，以及电机采用Y一△启动、软启动器启动等方式。

这种推进方式只适合于中、小功率船舶，或1000kW以下的侧推装置，因为微软起动器目前还只有中、小功率的低压产品。

3电流型变频器+交流同步电动机

电流型变频器+交流同步电机驱动方式（CSI+Synchronousmotor）原理图如图2。

图2“电流型变频器+交流同步电动机”原理图

（1）电流型变频器CSI（CurrentSourceInverter）

由整流器、滤波器、逆变器等三部分组成。

工作原理是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；

再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。

电流型变频器的直流中间环节，采用大电感滤波，直流电流波形平直，对电动机来讲，基本上是一个电流源。

改变整流电路的触发角，就改变了中间直流环节的电压，相当于直流电动机的调压调速；

而改变逆变电路触发脉冲的顺序，即可改变推进电动机的转矩方向，控制推进电动机转向，从而使控制电路大大简化。

（2）SYNCHRO电力推进

交流电通过三相桥式全控整流电路以及平波电抗器，再经过逆变器转换后向交流同步电机供电，此种推进方式通常被称为SYNCHRO电力推进。

SYNCHRO变流装置的输出频率，受同步电机转子所处角度控制：

•每当电机转过一对磁极，变流装置的交流电输出相应地交变一个周期，保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，不会出现失步和振荡。

•系统功率因数根据电机速度，从额定速度时的0.9到低速的0之间变化。

SYNCHRO电力推进系统主要有6脉波、12脉波、24脉波等三种结构形式，谐波成分比较固定，消除比较容易。

12脉波SYNCHRO电力推进系统，如果在电网侧并联有两组LC无源滤波器，对11次、13次谐波进行补偿，则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波，此时的电网质量可以满足船级社的规定，故12脉波的SYNCHRO电力推进系统应用较多。

SYNCHRO电力推进系统的缺点是：

•低速运行时，电流型变频器将电流控制在零附近脉动，转矩输出也存在脉动，给轴系带来振动；

•时间常数较大（由于直流电同感性负载相连），所以系统动态响应较差；

•电流型逆变电路中的直流输入电感数值很大才能够构成一个电流源，使直流回路电流恒定，所以电感重量、体积都很大，使得电流型逆变器使用受到一定限制。

而其优点，是：

•起动电流接近等于零，起动转矩最高可达50％额定转矩；

•价格上有一定的优势；

•控制方便，操作灵活；

•能匹配特大功率电机，目前已达40～60MW。

10MW以上容量的电力推进装置，ALSTOM公司和STNATLAS公司倾向于选择SYNCHRO电力推进。

4交一交变频器+交流同步电机

CYCLO变频器，英文为Cycloconverter，中文译作交一交变频器或循环变频器。

该变频器广泛应用于大功率、低速范围内的交流调速，其调速上限不超过基频的40％。

交一交变频器+交流同步电机（Cycloconverter+Synchronousmotor）驱动方式，采用CYCLO变频器，通过控制一个可控的桥式反并联晶闸管，选择交流电源的不同相位区间向交流同步电机提供交流电。

图3所示为典型的6脉波交一交变频器+交流同步电机驱动方式。

图3“6脉波交一交变频器+交流同步电机”原理图

双绕组电动机，就是电动机定子装有2套同功率但空间相位差30°

的绕组，分别由一套6脉波三相输出交一交变频装置供电。

变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路：

一组晶闸管整流电路提供正向输出电流，另一组提供反向输出电流。

构成这种交一交变频装置的三相桥式电路，在一个输出周期中三相电流有六次过零，带来六次转矩波动，所以这种交一交变频装置被称为6脉波交-交变频装置，是最基本的类型，应用广泛。

与6脉波变频装置相比，12脉波变频装置具有系统响应速度快、谐波含量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。

其缺点是所需电子元件数量大，对于6脉冲电路需要36个晶闸管，而12脉冲电路需要72个晶闸管，因而增加了成本。

SIEMENS公司，针对双绕组同步电动机提供了12脉波交一交变频装置。

采用交一交变频推进的特点是：

•起动平稳，起动电流（转矩）可从零起逐渐加大；

•转矩脉动平滑；

•功率及转矩动态响应快，一般小于100毫秒；

•电力系统内谐波高低取决于电机速度；

•系统功率因数由电机电压决定，通常可达0.76；

•满负荷时效率高；

•变频器输出频率低，可以不需要齿轮减速直接驱动螺旋桨。

这种驱动方式，性价比高，应用比较广泛。

根据国外经验，交一交循环变流器主要用于速度极低、转矩极高的场合，典型的例子就是破冰船。

目前单个电力驱动系统的功率范围在2～30MW之间。

针对特大功率低转速推进船舶，ABB和SIEMENS公司倾向于采用CYCLO电力推进方式[5]。

5电压型变频器+交流异步电动机

电压型变频器VSI（VoltageSourceInverter），与电流型变频器CSI（CurrentSourceInverter）同属于交一直一交变频器，也由整流器、滤波器、逆变器三部分组成。

工作原理也是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；

电压型变频器的中问环节采用大电容，对电动机来讲，基本上是一个电压源。

随着电力电子器件的发展，电压型变频器发展成新型的脉宽调制型（PWM），整流器用二极管组成，逆变器用IGBT（绝缘栅双极晶体管）组成。

IGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件，具有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，载流能力强等特点。

目前绝大多数产品为此类型，并有低压及中压规格。

IGBT的特点是：

•线路简单；

•功率因数高；

•谐波少；

•调速范围宽和响应快。

图4为PWM型变频器+交流异步电动机（VSI+Asynchronousmotor）的系统原理图。

图4“电压型变频器+交流异步电动机”原理图

这种驱动方式采用二极管将交流电整流后，再通过PWM变频直流电斩波后向电机提供电压和频率均可调节的交流电。

采用二极管整流器，可保持电力系统能在任何电机速度的时候功率因数接近0.95。

相比CSI和CYCLO驱动，PWM驱动的系统谐波含量最少，用三芯变压器为变频器提供12半周的电源还可进一步减少谐波含量[6]。

PWM电压型变频器中，西门子采用IGBT器件进行矢量控制，ABB采用IGCT（集成门极换流晶闸管）器件进行直接转矩控制。

从控制原理来说，两者都是用数字技术，通过计算机将电动机电流分解成转矩分量和磁通分量分别进行控制，以达到类似于直流电机的动态特性。

通过PWM型变频器控制后：

•系统电源输出的频率范围较宽；

•功率及转矩的动态响应快（小于10毫秒）；

•与高速鼠笼式感应式电机（900～1200r／min）匹配，在任何速度都能保持转矩平滑输出；

•若采用矢量控制器，在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出；

•在任何负载状况下均有很高的功率因数（约为0.95）：

•低速时功率损耗小；

•推进效率高。

目前应用PWM驱动的单机功率可达8MW（3300V），价格偏贵。

在中小功率范围，包括部分大功率的电压型变频器中，以规模及市场占有率来看，应以SIEMENS和ABB两家为主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO变频器。

6总结

就目前情况看，因为船舶推进装置功率大，转速低，应用最多的是CYCLO推进系统。

未来，随着电力电子器件和技术的创新与发展，IGBT及IGCT高压大容量方面技术的突破和成本的下降，以及矢量控制技术和直接转矩控制技术的成熟与推广，电压型变频器匹配交流异步电动机的驱动型式将会有更大的市场份额。

参考文献

1张翔．船舶电力推进的应用研究．广东造船，2003

（2）：

27–30

2聂延生，黄鹏程，李伟光，汪涌泉．船舶电力推进系统控制方法．航海技术，2002（6）：

38–40

3林春熙．船舶电力推进应用新模式和教学培训半仿真模型方案．广州航海高等专科学校学报，2003（12）：

5–8

4方萌，史涛，吴裴文．电力推进系统技术分析与评价方法．船舶，2002（6）：

52～54

5李志，于飞，曹彦．国外大功率船用推进变频器的发展状况．船电技术，2004（4）：

1–3

6AlfKareAdnanesABBASMarine．MaritimeElectricalInstallationsandDieselElectricPropulsion2003

电力推进系统优势多多

出处：

国际船舶网 

编辑：

发布时间：

2010-8-3 

08:

35

（全国首艘电力推进甲板船“远景”号）

随着国际海事组织在船舶排放方面制定越来越严格的标准，加上石油资源逐渐耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，绿色环保的电力推进系统将成为未来船舶动力发展的方向。

国外已经开发了多种类型电力推进系统，并在多型船舶上应用。

我国在此领域的研究则刚刚起步，应加速对相关技术的研究和开发应用，积极参与到这一领域的国际竞争，在市场上占有一席之地。

“与传统的船舶动力系统相比，电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。

电力推进作为船舶的新型推进动力，世界各国都在进行深入的研究”中国工程院院土、中国船舶轮机专家闻雪友表示，作为船舶主动力系统的电力推进系统，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护，正成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。

目前，发达国家新造船舶的30％已采用电力推进系统。

船舶电力推进新技术的研发及应用，将大大减轻船舶污染和海洋环境污染，充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，这将是今后船舶动力领域的一个发展方向。

“相对于传统的柴油机推进系统，电力推进系统可谓优势多多。

”据上海海事大学教授汤天浩介绍，一是电力推进具有良好的经济性。

在一艘船上多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机运行台数，使机组始终运行于高效工作区，实现最大的经济性。

与同功率的船舶相比，采用电力推进要比内燃机推进耗油减少10%左右，减少船体阻力5％-10％，提高运输效率15％，航速可提高0.5节。

二是电力推进系统操纵性好。

采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，制动快，正反车速度切换快，可推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性。

二是电力推进系统具有良好的安全性。

对于柴油机推进的船舶来说，一旦主机重要部件或舵机、轴系出现故障往往导致瘫船。

而电力推进则使用多台原动机，个别机组故障不致丧失动力。

电力推进系统多采用两套以上互为备用，同步电动机定子有两组相互独立的绕组，一组出了故障仍可减载运行。

四是电力推进系统节省空间。

采用传统推进系统的船舶轴系长度往往占到船长的40％左右，采用电力推进系统的船舶省去了传动轴系、减速齿轮箱，改善了机舱布局结构，使动力装置安排更加合理，节省了大量空间。

五是电力推进系统噪音低。

采用电力推进后，主要振动源——发动机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无直接联结，大大减少了振动和噪声，工作区整洁，提高了乘船的舒适程度。

六是采用电力推进系统有利于船舶控制环境污染，降低排放。

对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，减少了废气排放，使机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。

专家表示，船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准。

因此，船舶电力推进系统应用范围不断扩大，将成为未来绿色船舶前进的动力。

（王智辉）

历史

其实电力推进对于舰艇来说已经不算新技术。

20世纪初期，电力推进曾一度成为舰船动力的新潮方案。

从20世纪初至20世纪40年代，各国建造了大量电力推进舰船，从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，都有采用电力推进系统的。

二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰，采用的就是蒸汽轮机-发电机-电力推进系统。

这一时期的电力推进舰船都是用蒸汽轮机带动交流发电机，向推进同步电机供电，再驱动螺旋桨。

受技术条件的限制，这些舰船的电力推进系统体积都异常庞大，效率也并不令人满意。

电力推进系统能在20世纪初期迎来“第一次浪潮”，主要原因是当时的舰船日益大型化。

在2万吨甚至3万多吨的战舰上，如果采用传统推进装置，长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度，而采用电力推进系统可以绕过这一难题。

20世纪30年代之后，随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故从30年代开始，大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。

尽管电力推进暂时退出了海军战斗舰艇领域，但由于电力推进的特殊优点—推进功率调整上极其灵活，所以在一些工程船以及破冰船等要求良好操纵性、转矩特性和响应特性的特殊舰艇上仍然广泛采用电力推进。

第二次浪潮

20世纪70年代后，电力部件向大功率方向飞速发展，功率一体积比不断提高。

以开关技术为基础的功率电子技术不但不断提高了开关的频率，而且朝着智能化、模块化方向发展，具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用，然后又逐步应用到了舰艇上，功率电子技术彻底改变了舰艇能量变换的面貌。

80年代以后，进入实用阶段的永磁电机可以给舰艇电力推进设备带来更小的体积和重量，加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面世，这使得电力推进在海军的“复辟”有了技术上的可行性。

英国23型“公爵”级反潜护卫舰是电力推进系统“第二次浪潮”的先行者，采用了柴一燃一电混合推进系统，安装了高效率的电机和换能设备。

进入21世纪后，各国海军纷纷开始策划为本国的新一代水面主力作战舰艇配备全电推进系统，典型的如英国海军的45型防空驱逐舰和美国海军正在建造的DDG1000驱逐舰，前者将成为世界上第一种全电推进的水面作战舰艇，其核心为燃气轮机电力推进系统，而后者的核心则是综合电源系统模块。

除了英美两国外，目前德国、法国和荷兰等国也开始关注全电推进这一代表了水面舰艇动力系统未来发展方向的领域。

我国也于80年代开始了高效率永磁电机的研究，并开始探讨全电推进舰艇的可行性。

舰艇电力推进系统分为3种，第一种为普通的电燃或者电柴联合推进方案，典型的例子为英国海军的23型护卫舰，该舰配备了柴一燃一电联合动力装置（CODLAG），舰上配备了一台巡航用的小功率推进电机，供舰艇在执行声呐搜索需要低速续航时使用，平时高速巡航时仍然采用燃气轮机直接驱动螺旋桨。

第二种为美国海军采用的IPS方案，即综合电源系统，燃气轮机（或者柴油机）驱动发电机组发电，发电机组发出的电力进入配电网络，然后配电网络将电能分配给驱动电机和战斗系统等子系统，但舰艇上还有机械辅助设备。

第三种为真正意义上的全电推进系统（AES）;

由荷兰海军于2001年提出，是比IPS更为先进的面向未来的系统，即除了推进系统外，舰艇上所有的阀门、绞盘以及方向舵等目前采用液压系统或者压缩空气系统控制的机械设施也将采用电驱动，成为真正意义上的全电战舰。

全电推进的优点

有利于舰艇动力装置配备

传统舰艇轴系的长度往往占舰艇全长的40%，故舰艇的设计长度在很大程度上取决于推进装置轴系的布置，这就使得舰艇总体设计的优化受到一定的限制。

采用全电力推进系统后，推进装置的能量就不需要靠动力轴来传递，燃气轮机或者柴油机等原动机、发电机组和推进电机可以相对独立布置，使得总体设计自由度大大增加。

采用综合全电推进系统后，不用再配置额外的日常用电发电机组，可以大大减少舰上原动机配置数量，节省空间，减少维修量。

而且可以对推进电机和发电机组进行合理的配置，以满足各种航行工况下最佳特性的要求。

放到整个舰队来说，推进系统可以达到高度统一或者通用，可以大幅度地减小后勤保障的压力，提高作战能力。

另外电力推进可以选择更为合适的螺旋桨，而且只需要重量轻、成本低的定距桨，提高了可靠性。

如果电力推进舰艇再采用吊舱式电力推进装置的话，还可以将螺旋桨移到舰艇边界层外侧，使其处于稳态流中，提高螺旋桨的推进效率。

有利于舰艇电网电力供应

舰艇所有原动机综合在一起发电，可以使全舰电网可用电力大大增加，这不仅可以大大提高电网供电的可靠性，而且还可以满足未来舰艇新概念武器对电能的需求，如电磁炮、高功率激光或者微波武器。

同时发电原动机的运行数量和类型可以自由选择，能保证它始终处于最佳