1船舶電力推進

1、Marine Electric Propulsion1、Internal-combustion engine 船舶主機船舶主機2、Steam engine 3、Turbine: 4、Electric motor Power suppliesB&WMAN Suzler燃油、風能、太陽能、核能、蓄電池、燃料電池燃油、風能、太陽能、核能、蓄電池、燃料電池Steam、 GasD.C.M.A.C.M.Induction asynchtonous motor synchronous motor Permanent magnet motor Superconducting motor Shunt e

2、xcitation Series excitation Compound excitation 5、combination electricship steam ship (steam-driven vessel) 船舶運動船舶運動propellerRudderbulk carrier oil tanker container dredger Semi-submerged ship passenger liner Submarine Fire vessel Salvage ship (Rescue vessel) Sea oil platform 船舶電力推進系統(tǒng)類型船舶電力推進系統(tǒng)類型直流推

3、進直流推進交流推進交流推進永磁電機推進：交流方波驅(qū)動的永磁無刷直流電動機永磁電機推進：交流方波驅(qū)動的永磁無刷直流電動機 交流正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機交流正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機 1970年代以前，主要采用直流電力推進系統(tǒng)，直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬廣和平滑，過載起動和制動轉(zhuǎn)矩大，逆轉(zhuǎn)運行特性好；調(diào)速簡單、性能好；結(jié)構(gòu)復雜、維護困難。調(diào)速簡單、性能好；結(jié)構(gòu)復雜、維護困難。D.C.M存在存在功率極限和轉(zhuǎn)速極限。功率極限和轉(zhuǎn)速極限。1、直流推進、直流推進2、交流推進、交流推進 交流電力推進系統(tǒng)的應用，已經(jīng)成為船舶電力推進發(fā)展的主流。交流電動機具有輸出功率大、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、運行

4、可靠等優(yōu)點。船舶交流電力推進占主導地位，交流電機包括交流異步電機、交流同步電機、永磁同步電機等。 PWM變頻驅(qū)動：功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩控制平滑。變頻驅(qū)動：功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩控制平滑。只有潛艇，仍是直流推進占主導地位。Siemens V/F矢量控制技術(shù)：矢量控制技術(shù)：SSPABB DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)：直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)：AZIPOD吊艙式SSP推進器 可控硅整流器可控硅整流器+直流電動機直流電動機 變距槳變距槳+交流異步電動機交流異步電動機 電流型變頻器電流型變頻器+交流同步電動機交流同步電動機 交一交變頻器交一交變頻器+交流同步電動機交流同步電動機 電壓型變頻器電壓型變頻器+交流異步電動機交流異步

5、電動機 船舶電力推進裝置選擇：價格、功率范圍、推進效率、起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應、轉(zhuǎn)矩波動、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標。 重點和關鍵技術(shù)：重點和關鍵技術(shù)：調(diào)速 實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和電氣傳動Siemens V/F矢量控制技術(shù)：矢量控制技術(shù)：SSPABB DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)：直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)：AZIPOD1 可控硅整流器可控硅整流器+直流電動機直流電動機 1970年代以前，船舶電力推進系統(tǒng)中，直流電動機占據(jù)主導地位。1940和1950年代，推進系統(tǒng)采用原動機一直流發(fā)電機一原動機一直流發(fā)電機一直流電動機形式直流電動機形式，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小和方向，調(diào)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小和方向

6、，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向節(jié)電動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。 1950年代末，大功率可控靜態(tài)電力變流元件研制成功，可控硅整流裝置出現(xiàn)，直流電力推進系統(tǒng)演變成可控整流器加直流電動機模式。晶閘管晶閘管的問世加速了這種推進技術(shù)的發(fā)展，拓展了其應用領域。至今，該種推進形式仍不失為一種高效、經(jīng)濟的推進方案。 可控硅整流器可控硅整流器+直流電動機系統(tǒng)直流電動機系統(tǒng)，采用全橋式晶體管整流器為一個電樞電流可控的直流馬達供電。 控制晶閘管導通角控制晶閘管導通角：改變觸發(fā)電路輸出脈沖的相位，從而改變直流電機的電樞電壓，再由此改變電樞電流，實現(xiàn)電機速度的平滑調(diào)節(jié)； 可控整流電路調(diào)節(jié)勵磁電流可控整流電路調(diào)節(jié)勵磁電流，使電動機能夠在轉(zhuǎn)速

7、一轉(zhuǎn)矩坐標的任一象限運行。 可控整流電路最基本的變量是控制角 (從晶閘管承受正向電壓起到加觸發(fā)脈沖使其導通的瞬間，這段時間對應的電角度)。與各電壓、電流之間的關系決定了可控整流的基本特性。功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速成正比，在00.96之間。 優(yōu)點：優(yōu)點： 控制角的控制范圍，理論上是0180；實際上一般在15150，是考慮到電網(wǎng)的壓降，確保電機可控，控制角確保留有換流邊界； 起動電流及起動轉(zhuǎn)矩接近于零； 動態(tài)響應一般小于100毫秒。 缺點缺點： 轉(zhuǎn)矩控制不夠精確，若要得到精確平滑的轉(zhuǎn)矩控制，必須提高電樞感應系數(shù)，但會引起系統(tǒng)動態(tài)性能減弱，功率因數(shù)偏低，增加系統(tǒng)損耗； 直流電機驅(qū)動需要的換向器，是一個易發(fā)生故

8、障的部件； 會對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染，因為采用了大功率電力電子器件； 直流電動機固有的結(jié)構(gòu)復雜、成本高、體積大、維護困難、效率低等缺點，阻礙了它在船舶電力推進領域的廣泛應用。 目前，船舶推進所應用的直流推進電機的容量，在23MW之間。 2 交流異步電動機交流異步電動機+可調(diào)螺距螺旋槳可調(diào)螺距螺旋槳 交流異步電動機+可調(diào)螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Direct on line)模式，多采用鼠籠式感應恒速電機驅(qū)動變距槳實現(xiàn)，船速的控制靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數(shù)轉(zhuǎn)換開關實現(xiàn)電機速度控制。 優(yōu)點優(yōu)點 幾乎沒有影響電網(wǎng)的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件；電動機轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定沒

9、有脈動；在設計點運行時效率很高。 缺點缺點 交流異步感應電機起動瞬間電流較大，通常是正常電流的57倍，系統(tǒng)電網(wǎng)壓降大； 起動瞬間機械軸承受的轉(zhuǎn)矩大，約為額定轉(zhuǎn)矩的23倍； 極低航速，螺距近似為0時，仍要消耗額定功率的15，電流約為正常值的4555； 功率因數(shù)低，滿負荷時也只能達到0.85； 功率及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應慢，一般35秒才能完成，因為采用液壓機構(gòu)完成螺距的變換； 反轉(zhuǎn)慢，制動距離長； 變距槳的液壓控制系統(tǒng)十分復雜，并工作在水下，故障維修時需進塢； 變距槳結(jié)構(gòu)復雜，可靠性差，價格貴。 為了防止起動時電流和扭矩過大等不利影響，以及滿足規(guī)范對船舶電站壓降的要求，這種電力推進方式啟動時必須采用船舶

10、電站規(guī)定啟動大電機需要的最小臺數(shù)運行機組，以及電機采用Y一啟動、軟啟動器啟動等方式。 這種推進方式只適合于中、小功率船舶，或1000kW以下的側(cè)推裝置，因為微軟起動器目前還只有中、小功率的低壓產(chǎn)品。 3 電流型變頻器電流型變頻器+交流同步電動機交流同步電動機 (CSI+Synchronous motor) (1)電流型變頻器電流型變頻器CSI(Current Source Inverter) 由整流器、濾波器、逆變器等三部分組成。 工作原理是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進電動機。 電流型變頻器的直流中間環(huán)節(jié)，采用大電感濾波，直流電流波

11、形平直，對電動機來講，基本上是一個電流源。改變整流電路的觸發(fā)角，就改變了中間直流環(huán)節(jié)的電壓，相當于直流電動機的調(diào)壓調(diào)速； 改變逆變電路觸發(fā)脈沖的順序，即可改變推進電動機的轉(zhuǎn)矩方向，控制推進電動機轉(zhuǎn)向，從而使控制電路大大簡化。 (2)SYNCHRO電力推進電力推進 交流電通過三相橋式全控整流電路以及平波電抗器，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換后向交流同步電機供電，此種推進方式通常被稱為SYNCHRO電力推進。 SYNCHRO輸出頻率，受同步電機轉(zhuǎn)子所處角度控制： 每當電機轉(zhuǎn)過一對磁極，變流裝置的交流電輸出相應地交變一個周期，保證變頻器的輸出頻率和電機的轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會出現(xiàn)失步和振蕩。 系統(tǒng)功率因數(shù)根據(jù)電機

12、速度，從額定速度時的0.9到低速的0之間變化。 SYNCHRO電力推進系統(tǒng)主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結(jié)構(gòu)形式，諧波成分比較固定，消除比較容易。 12脈波SYNCHRO電力推進系統(tǒng)，如果在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網(wǎng)質(zhì)量可以滿足船級社的規(guī)定，故12脈波的SYNCHRO電力推進系統(tǒng)應用較多。 SYNCHRO電力推進系統(tǒng)缺點電力推進系統(tǒng)缺點 低速運行時，電流型變頻器將電流控制在零附近脈動，轉(zhuǎn)矩輸出也存在脈動，給軸系帶來振動； 時間常數(shù)較大(由于直流電同感性負載相連)，所以系統(tǒng)動態(tài)響應較差； 電流型逆

13、變電路中的直流輸入電感數(shù)值很大才能夠構(gòu)成一個電流源，使直流回路電流恒定，所以電感重量、體積都很大，使得電流型逆變器使用受到一定限制。 優(yōu)點優(yōu)點起動電流接近等于零，起動轉(zhuǎn)矩最高可達50額定轉(zhuǎn)矩； 價格上有一定的優(yōu)勢； 控制方便，操作靈活； 能匹配特大功率電機，目前已達4060MW。 10MW以上容量的電力推進裝置，ALSTOM公司和STNATLAS公司傾向于選擇SYNCHRO電力推進。 4 交交-交變頻器交變頻器+交流同步電機交流同步電機 CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交-交變頻器或循環(huán)變頻器。 該變頻器廣泛應用于大功率、低速范圍內(nèi)的交流調(diào)速，其調(diào)速上限不超過基頻

14、的40。 交-交變頻器+交流同步電機(Cyclo converter+Synchronous motor)驅(qū)動方式，采用CYCLO變頻器，通過控制一個可控的橋式反并聯(lián)晶閘管，選擇交流電源的不同相位區(qū)間向交流同步電機提供交流電。 雙繞組電動機，就是電動機定子裝有2套同功率但空間相位差30的繞組，分別由一套6脈波三相輸出交一交變頻裝置供電。 變頻裝置輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路：一組晶閘管整流電路提供正向輸出電流，另一組提供反向輸出電流。構(gòu)成這種交-交變頻裝置的三相橋式電路，在一個輸出周期中三相電流有六次過零，帶來六次轉(zhuǎn)矩波動，所以這種交-交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻

15、裝置，是最基本的類型，應用廣泛。 與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有系統(tǒng)響應速度快、諧波含量少、損耗降低、轉(zhuǎn)矩脈動低等優(yōu)點優(yōu)點。其缺點缺點是所需電子元件數(shù)量大，對于6脈沖電路需要36個晶閘管，而12脈沖電路需要72個晶閘管，因而增加了成本。 SIEMENS公司，針對雙繞組同步電動機提供了12脈波交一交變頻裝置。 交交-交變頻推進的特點交變頻推進的特點 起動平穩(wěn)，起動電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大； 轉(zhuǎn)矩脈動平滑； 功率及轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快，一般小于100毫秒； 電力系統(tǒng)內(nèi)諧波高低取決于電機速度； 系統(tǒng)功率因數(shù)由電機電壓決定，通常可達0.76； 滿負荷時效率高； 變頻器輸出頻率低，可以不需要齒

16、輪減速直接驅(qū)動螺旋槳。 這種驅(qū)動方式，性價比高，應用比較廣泛。 根據(jù)國外經(jīng)驗，交-交循環(huán)變流器主要用于速度極低、轉(zhuǎn)矩極高的場合，典型的例子就是破冰船。 目前單個電力驅(qū)動系統(tǒng)的功率范圍在230MW之間。針對特大功率低轉(zhuǎn)速推進船舶，ABB和SIEMENS公司傾向于采用CYCLO電力推進方式 5 電壓型變頻器電壓型變頻器+交流異步電動機交流異步電動機 電壓型變頻器VSI(Voltage Source Inverter)，與電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)同屬于交-直-交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；

17、再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進電動機。 電壓型變頻器的中問環(huán)節(jié)采用大電容，對電動機來講，基本上是一個電壓源。 隨著電力電子器件的發(fā)展，電壓型變頻器發(fā)展成新型的脈寬調(diào)制型(PWM)，整流器用二極管組成，逆變器用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)組成。 IGBT是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數(shù)產(chǎn)品為此類型，并有低壓及中壓規(guī)格。 IGBT特點：特點： 線路簡單、功率因數(shù)高、諧波少、調(diào)速范圍寬和響應快。線路簡單、功率因數(shù)高、諧波少、調(diào)速范圍寬和響應快。 這種驅(qū)動方式采用二極管將交流電整流后，再通過PWM變頻直流

18、電斬波后向電機提供電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的交流電。 采用二極管整流器，可保持電力系統(tǒng)能在任何電機速度的時候功率因數(shù)接近0.95。 相比CSI和CYCLO驅(qū)動，PWM驅(qū)動的系統(tǒng)諧波含量最少，用三芯變壓器為變頻器提供12半周的電源還可進一步減少諧波含量。 PWM電壓型變頻器中，西門子采用IGBT器件進行矢量控制，ABB采用IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉(zhuǎn)矩控制。從控制原理來說，兩者都是用數(shù)字技術(shù)，通過計算機將電動機電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量分別進行控制，以達到類似于直流電機的動態(tài)特性。 通過PWM型變頻器控制后： 系統(tǒng)電源輸出的頻率范圍較寬； 功率及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應快(小于10毫秒)； 與高速鼠籠式感應式電機(9001200rmin)匹配，在任何速度都能保持轉(zhuǎn)矩平滑輸出； 若采用矢量控制器，在零速度的時候