第三章電力系統(tǒng)綜述

第三章電力系統(tǒng)綜述教學(xué)目標(biāo):1、了解電力推進(jìn)系統(tǒng)各部分組成；2、了解發(fā)電模塊的組成及原理；3、了解配電模塊的組成及原理；4、了解馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的原理；5、了解推進(jìn)器單元模塊；6、了解發(fā)電及配電及推進(jìn)器發(fā)展的趨勢(shì);單元一引言船用電力系統(tǒng)與陸上電力系統(tǒng)之間的主要不同是，船用電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，從電能的產(chǎn)生到用電設(shè)備的傳輸距離較短；相反，陸上電力系統(tǒng)其電能產(chǎn)生到用電設(shè)備間距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)百千米是很正常的，中間有很長(zhǎng)的傳輸電線和若干電壓變換環(huán)節(jié)。船上安裝的功率總量可能較高，這將給船上的電力系統(tǒng)帶來(lái)特殊的挑戰(zhàn)。短路級(jí)別較高時(shí)必須有安全的操作模式。陸上電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)被分成若干個(gè)子系統(tǒng)，然而，船上的電力系統(tǒng)要求盡可能的緊湊和協(xié)調(diào)。在最近一段時(shí)期內(nèi)，船上的電力系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都經(jīng)歷了重大的變革和改進(jìn)。由于計(jì)算機(jī)性能、微處理器以及通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使這些原來(lái)獨(dú)立分散的系統(tǒng)成為綜合系統(tǒng)，不僅切實(shí)可行，而且正在快速發(fā)展成工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。推進(jìn)冗余以及二級(jí)和三級(jí)動(dòng)態(tài)定位船舶增長(zhǎng)的需要，要求系統(tǒng)冗余有物理的分離。船上不同系統(tǒng)間的交叉變得日益復(fù)雜，使船舶的設(shè)計(jì)、施工建造需要一個(gè)更綜合的努力。圖3.1給出了一電力推進(jìn)船的電力系統(tǒng)裝置的單線圖。此圖描述了船上電力系統(tǒng)的主要組成部分，分別是：發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)/側(cè)推系統(tǒng)?！狪GkP審宜仙貳Mil□—Ms—IGkP審宜仙貳Mil□—Ms圖3.1"裝備有吊艙式推進(jìn)器的船舶電網(wǎng)單線圖G1-G4：發(fā)電機(jī)，SWbD：配電板廠TRANSF：變壓器，BT：艏側(cè)推，AZTHR：Z型傳動(dòng)的側(cè)推器，AZIPOD:吊艙式推進(jìn)器

單元二發(fā)電系統(tǒng)3.2.1原動(dòng)機(jī)電源通常是一套由燃燒柴油或重油的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組。偶爾也能發(fā)現(xiàn)氣體內(nèi)燃機(jī)，也有燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)或聯(lián)合循環(huán)輪機(jī)，特別是在更高功率級(jí)別輕型高速的船舶上,或者是燃?xì)庾鳛橐环N便宜燃料選擇的船上（例如，油產(chǎn)品中的廢氣，液化天然氣船上揮發(fā)出的氣體，等等）。在柴-電推進(jìn)系統(tǒng)中，柴油機(jī)通常是中高速機(jī)，它比直接用于推進(jìn)的低速機(jī)有更低的重量和成本。電站的有效性被高度關(guān)注，柴電系統(tǒng)中有多臺(tái)柴油機(jī)在冗余的網(wǎng)絡(luò)上；這意味著高的可靠性但復(fù)雜的診斷系統(tǒng)和短的維修時(shí)間。內(nèi)燃機(jī)不斷的向著更高的效率和減少排放發(fā)展，目前，一個(gè)中速柴油機(jī)在最佳工作點(diǎn)時(shí)耗油率不多于200g/kwh,見(jiàn)圖3.2a）。即使這被看作一個(gè)高的燃料利用因數(shù)，它僅代表這燃料中40%的能量被利用，其余的能量以熱或者廢氣的形式散失掉。此外，當(dāng)負(fù)載低于50%的最大持續(xù)額定負(fù)載時(shí)效率下降的很快。在這種工作條件下，燃燒不充分，產(chǎn)生高濃度的氮氧化物和硫化物，也產(chǎn)生結(jié)碳增加維護(hù)成本。在柴電系統(tǒng)中有若干柴油機(jī)組，這是為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載通過(guò)啟動(dòng)或停止發(fā)電機(jī)組，保持柴油機(jī)的負(fù)載在其最佳工作點(diǎn)，如圖3.2b）所示，也就是為了每一臺(tái)運(yùn)行的柴油機(jī)的平均負(fù)載盡可能地接近其最佳負(fù)載點(diǎn)。關(guān)于內(nèi)燃機(jī)性能和設(shè)計(jì)的詳述，見(jiàn)Mahon的文獻(xiàn)【66】.45?25」v=^cfe圮一袞鰹pffusioE山nm45?25」v=^cfe圮一袞鰹pffusioE山nm■_1T"inKhanicdcbr/e-Dt^l-decirkp『仲u(mài)hkrikHrpnnwnirmra155060100MCR圖3.2：a）中速機(jī)燃油消耗曲線實(shí)例b）直接機(jī)械推進(jìn)和四個(gè)柴油機(jī)-電力推進(jìn)系統(tǒng)從內(nèi)燃機(jī)到槳軸總的效率對(duì)比3.2.2發(fā)電機(jī)大多數(shù)的新造船舶和所有的商業(yè)船舶都有交流發(fā)電站和交流配電系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)是同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子上有通直流電的勵(lì)磁繞組，定子上有三相繞組，當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁電流形成的磁場(chǎng)在三相繞組中感應(yīng)出三相正弦電壓。感應(yīng)電壓的頻率正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n[RPM]和同步電機(jī)磁極數(shù)p：

260一個(gè)兩極的發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為3600RPM時(shí)，一個(gè)在四極的發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1800RPM時(shí)，以及一個(gè)六極發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200RPM時(shí)等等，電壓頻率都是60Hz。對(duì)于兩極、四極和六極的發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速分別為3000RPM、1500RPM和1000RPM時(shí)，電壓頻率為50Hz。大型中速柴油機(jī)通常工作在720RPM為電網(wǎng)供60Hz電（發(fā)電機(jī)極數(shù)為10），或者工作在750RPM為電網(wǎng)供50Hz電（發(fā)電機(jī)極數(shù)為8）。圖3.3轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁左邊：有刷右邊：無(wú)刷勵(lì)磁通過(guò)電刷和滑環(huán)，直流電預(yù)先通入到勵(lì)磁繞組中?，F(xiàn)在的發(fā)電機(jī)都是無(wú)刷勵(lì)磁，減少維護(hù)和停機(jī)時(shí)間，見(jiàn)圖3.3圖3.3轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁左邊：有刷右邊：無(wú)刷勵(lì)磁勵(lì)磁通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）來(lái)控制，AVR檢測(cè)發(fā)電機(jī)的端電壓并與參考值進(jìn)行比較。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這個(gè)控制器具有PID特性，其積分作用根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)載給出一個(gè)電壓降。電壓降確保并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)所分擔(dān)的無(wú)功功率相等。根據(jù)最適用的規(guī)則，發(fā)電機(jī)終端電壓的靜態(tài)變化率不超過(guò)額定電壓的2.5%。而且，最大的瞬時(shí)負(fù)載變化不允許引起電壓變化超過(guò)額定電壓的-15%或+20%，除非在總系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有詳細(xì)說(shuō)明和解釋。為了滿(mǎn)足這個(gè)瞬態(tài)要求，AVR通常也根據(jù)測(cè)量的定子電流加入前饋控制功能。除了勵(lì)磁繞組之外，轉(zhuǎn)子也裝有阻尼繞組，它有軸向的銅條穿過(guò)轉(zhuǎn)子磁極的外圍，在兩端被銅環(huán)短路。阻尼繞組的目的就是為了在定轉(zhuǎn)子間引入電磁阻尼。同步電機(jī)如果沒(méi)有阻尼繞組就不能產(chǎn)生阻尼，會(huì)導(dǎo)致頻率和負(fù)載變化時(shí)負(fù)載分配分配都發(fā)生大的振蕩。注：阻尼繞組的作用是什么？答:凸極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)有交直軸阻尼繞組。阻尼繞組在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組外疊加的一個(gè)短路鼠籠環(huán)其作用也相當(dāng)于一個(gè)隨轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)的"鼠籠異步電機(jī)"對(duì)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定起調(diào)節(jié)作用。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)由于定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是同步旋轉(zhuǎn)的因此阻尼繞組沒(méi)有切割磁通因而也沒(méi)有感應(yīng)電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)阻尼繞組切割定子磁通產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在阻尼繞組上產(chǎn)生的力矩使轉(zhuǎn)子加速二者轉(zhuǎn)速差距越大則此力矩越大加速效應(yīng)越強(qiáng)。反之當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，此力矩方向相反是使轉(zhuǎn)子減速的，因此阻尼繞組對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定有良好的調(diào)節(jié)作用.什么是發(fā)電機(jī)的直軸瞬變電抗Xd'與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？答:Xd，是代表發(fā)電機(jī)運(yùn)行中三相突然短路初始時(shí)間（阻尼繞組的電流衰減后）的過(guò)渡電抗?直軸瞬變電抗是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)定子繞組直軸總磁鏈產(chǎn)生的電壓中的交流基波分量在突變時(shí)的初始值與同時(shí)變化的直軸交流基波電流之比?它也是發(fā)電機(jī)和整個(gè)電力系統(tǒng)的重要參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限及突然加負(fù)荷時(shí)的瞬態(tài)電壓變化率有很大影響.Xd，越小動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限越大瞬態(tài)電壓變化率越小;但Xd，越小定子鐵芯要增大從而使發(fā)電機(jī)體積增大成本增加.Xd，的值主要由定子繞組和勵(lì)磁繞組的漏抗值決定.結(jié)構(gòu)上Xd，與電負(fù)荷A極距T有如下關(guān)系：k為比例系數(shù)?可見(jiàn)要降低Xd，必須減小A或加大T都將使發(fā)電機(jī)尺寸增大.什么是發(fā)電機(jī)的直軸超瞬變電抗Xd〃與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系Xd〃的大小對(duì)系統(tǒng)有什么影響？答:Xd〃是代表發(fā)電機(jī)運(yùn)行中三相突然短路最初一瞬問(wèn)的過(guò)渡電抗?發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變感應(yīng)出對(duì)電樞反應(yīng)磁通起去磁作用的電流將電樞反應(yīng)磁通擠到勵(lì)磁繞組和阻尼繞組的漏磁通的路徑上。這個(gè)路徑的磁阻很大即磁導(dǎo)很小，故其相對(duì)應(yīng)的直軸電抗也很小，這個(gè)等效電抗稱(chēng)為直軸超瞬變電抗Xd〃，也即有阻尼繞組的發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)定子電流的周期分量由Xd〃來(lái)限制。結(jié)構(gòu)上Xd〃主要由發(fā)電機(jī)定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定.對(duì)于無(wú)阻尼繞組的發(fā)電機(jī)則Xd〃=Xd，.由于Xd〃的大小影響電力系統(tǒng)突然短路時(shí)短路電流的大小故Xd〃值的大小也影響到系統(tǒng)中高壓輸變電設(shè)備特別是高壓斷路器的選擇如動(dòng)穩(wěn)定電流等參數(shù)?從電氣設(shè)備選擇來(lái)說(shuō)希望Xd〃大些這樣短路電流小一些?）從同步電機(jī)的理論可知，它有靜態(tài)模型，瞬態(tài)模型和超瞬態(tài)模型。簡(jiǎn)單地說(shuō)，阻尼繞組中產(chǎn)生的磁鏈被捕獲并反抗由于短接產(chǎn)生的變化，表現(xiàn)出超瞬態(tài)間隔特性。這時(shí)被觀測(cè)到發(fā)電機(jī)中的感應(yīng)系數(shù)顯著降低，在負(fù)載快速改變時(shí)它給出較硬的電器特性，而且有助于減少瞬態(tài)電壓變化和由于電壓變化引起負(fù)載電流諧波。這種效果僅有助于動(dòng)態(tài)變化比超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)特性快，例如電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，變壓器的浪涌電流，負(fù)載電流的失真。發(fā)電機(jī)經(jīng)常連接在推進(jìn)柴油機(jī)的軸上，如軸帶發(fā)電機(jī)。軸帶發(fā)電機(jī)在有些應(yīng)用中為雙向功率流向，即可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。這種原理可以被稱(chēng)為PTI-PTO概念（輸入功率-輸出功率）。如果發(fā)電機(jī)的輸出要保持恒定頻率，軸帶發(fā)電機(jī)就有強(qiáng)迫主推進(jìn)器運(yùn)行在固定轉(zhuǎn)速的缺點(diǎn)。在低負(fù)載場(chǎng)合，這將減少推進(jìn)器的效率。對(duì)于變速情況，可安裝靜止的變頻器來(lái)保持固定的頻率。單元三配電系統(tǒng)3.3.1配電板主配電板（或發(fā)電機(jī)配電板）通常是分布式的，被分成兩部分，三部分或四部分，這是為了符合船舶的冗余要求。根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)的規(guī)范和規(guī)則，船舶應(yīng)該承受某一部分出現(xiàn)故障的結(jié)果，例如，由于短路造成的結(jié)果。根據(jù)最嚴(yán)格的冗余要求，船舶也應(yīng)該承受由于火災(zāi)或進(jìn)水引起的故障，即防水和防火的隔離開(kāi)關(guān)必須用來(lái)分開(kāi)這些部分。在一個(gè)分為兩部分的結(jié)構(gòu)中，兩邊均分發(fā)電機(jī)的容量和負(fù)載，最大的單一故障將會(huì)導(dǎo)致失去50%的發(fā)電機(jī)容量和負(fù)載。為了避免高的安裝成本，系統(tǒng)將會(huì)被分成三部分或四部分，這就減少了必須的額外安裝。另外，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)確保發(fā)電機(jī)或負(fù)載能被連接在兩個(gè)配電板部分，這具有相似的減少成本的效果，如圖3.1中的方位角推進(jìn)器。在推進(jìn)模式中，配電板通常被連接在一起，這使得這個(gè)發(fā)電系統(tǒng)裝置可以靈活布置。負(fù)載瞬態(tài)變化均分給在網(wǎng)的幾套的柴油發(fā)電機(jī)組，還可以確定工作發(fā)電機(jī)組的最佳數(shù)量。另一種可能性就是在航行中用獨(dú)立的配電板部分給兩個(gè)或更多的獨(dú)立電網(wǎng)供電。在這種情況下，船舶經(jīng)常被假定在實(shí)際上是可以預(yù)防全船失電的,它在擁擠的水道中更具有吸引力。在這種運(yùn)行模式下，如果某一配電板部分出現(xiàn)故障，與其連接的電網(wǎng)包括被它連接的推進(jìn)單元失去作用，然而，其它的電網(wǎng)仍然保持運(yùn)行。實(shí)際上，為了獲得這樣的獨(dú)立，也有其他的因素被考慮，特別是所有的輔助系統(tǒng)，像滑油系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，以及通風(fēng)系統(tǒng)必須是獨(dú)立的。此外,系統(tǒng)當(dāng)中某一部分推進(jìn)或位置保持的功率損失時(shí)，將通過(guò)控制系統(tǒng)作用在正常部分上，使總的功率和推進(jìn)趨勢(shì)保持相同，如動(dòng)態(tài)定位。為了承受某一部分故障，在動(dòng)態(tài)定位船上，正規(guī)的做法是把電網(wǎng)分開(kāi)，特別是3級(jí)動(dòng)態(tài)定位的船舶。然而，現(xiàn)在規(guī)范和準(zhǔn)則允許的操作是使用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)保護(hù)電路來(lái)檢測(cè)和分離故障部分，使正常運(yùn)行部分不跳閘。挪威海事理事會(huì)規(guī)范有比這些規(guī)范更嚴(yán)格的規(guī)定，在3級(jí)動(dòng)態(tài)定位的船上它通常不允許用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)連接。隨著船上配置功率的增長(zhǎng)，正常的負(fù)載電流以及短路電流都會(huì)增大。由于配電板上熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力處理以及開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)關(guān)容量的物理限制，提高系統(tǒng)的電壓來(lái)降低電流等級(jí)是有利的或必要的。在許多應(yīng)用當(dāng)中，要滿(mǎn)足功率不斷增長(zhǎng)的要求，中壓電已經(jīng)變成一種必要。使用國(guó)際電工委員會(huì)的電壓等級(jí)，對(duì)主配電系統(tǒng)下面的選項(xiàng)是最普通的選擇，應(yīng)用方針出自NORSOK[64]：11kV:中壓電的產(chǎn)生和分配。當(dāng)安裝的發(fā)電機(jī)總?cè)萘砍^(guò)20MW時(shí)應(yīng)該被采用。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，在總功率在400kW及以上時(shí)被采用。6.6kV:中壓電的產(chǎn)生和分配。當(dāng)安裝的發(fā)電機(jī)總?cè)萘吭?-20MW之間時(shí)應(yīng)該被采用。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，在總功率在300kW及以上時(shí)被采用。690V：低壓電的產(chǎn)生和分配。當(dāng)安裝的發(fā)電機(jī)總?cè)萘吭?MW以下時(shí)應(yīng)該被采用。在用電設(shè)備總功率在400kW及以下和作為鉆進(jìn)電機(jī)變頻器原邊電壓時(shí)被采用。對(duì)實(shí)用配電系統(tǒng)有更低的電壓被采用，如400/230V。對(duì)于這些指導(dǎo)方針，一些注釋是必需的；在負(fù)載的主要部分有變速驅(qū)動(dòng)組成而不會(huì)影響短路電流等級(jí)的地方,對(duì)于較高的發(fā)電機(jī)容量，使用任何電壓等級(jí)都不會(huì)有問(wèn)題。要使裝置最優(yōu)化，應(yīng)該計(jì)算每一種情況的負(fù)載和故障電流，并選擇正確的解決方案。在船上，低壓（690V）電動(dòng)機(jī)通常用在比300kW更高的功率等級(jí)。對(duì)于每一情況，必須考慮負(fù)載電流，驅(qū)動(dòng)單元的啟動(dòng)特性，包括啟動(dòng)方法在內(nèi)，一起進(jìn)行比較考慮總成本。440V配電在船上是十分普遍的。許多船用設(shè)備只能使用440V電，這就意味著在船上要避免這個(gè)電壓等級(jí)是困難的。在美國(guó)，或美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)的適用標(biāo)準(zhǔn)中，有一些其它的電壓等級(jí)被認(rèn)可，例如在［24］中：120V,208V,230V240V,380V,450V,480V,600V,690V,2400V3300V,4160V,6600V,11000V,13800V。3300V電壓在國(guó)際電工委員會(huì)中也是一個(gè)被普遍應(yīng)用的電壓，即使沒(méi)列在文獻(xiàn)［64］中。由于負(fù)載電流和故障電流限制了設(shè)備的等級(jí),對(duì)于每一系統(tǒng)電壓實(shí)際的功率限制可以偏離這些建議。尤其是負(fù)載的主要部分是變頻器并不影響短路功率的系統(tǒng)。因?yàn)椴挥绊懪潆娤到y(tǒng)的短路電流，對(duì)于各個(gè)電壓等級(jí)經(jīng)常允許增加功率限制。當(dāng)船廠和船東把低壓電改為高壓電時(shí)，安全是一個(gè)被關(guān)心的問(wèn)題，經(jīng)常導(dǎo)致誤解，以保持電壓盡可能的低。在安全事項(xiàng)里面，中壓配電板應(yīng)被設(shè)計(jì)成防止人員接觸導(dǎo)體，甚至在維修接電裝置時(shí)。正常電流和故障電流同樣較小，使導(dǎo)體和電纜的應(yīng)力較小。雖然配電板里面的短路情況非常少，但也有滅弧設(shè)計(jì)（IEC60298-3），如果最糟糕的情況發(fā)，會(huì)防止人員受到傷害和限制設(shè)備受到破壞。斷路器用來(lái)接通和斷開(kāi)發(fā)電機(jī)或負(fù)載與配電板之間的連接，或者是配電板的不同部分。各種斷路器技術(shù)被應(yīng)用。空氣斷路器是傳統(tǒng)的解決方案，但今天除了低壓電等級(jí)外很少被使用。普遍使用SF6（六氟化硫）氣體斷路器和真空斷路器技術(shù)，電流切斷發(fā)生在封閉空間內(nèi)，SF6氣體斷路器的封閉空間內(nèi)充有SF6氣體，他比空氣有更高的絕緣性，真空斷路器則被抽成真空。對(duì)于中壓電，這種設(shè)計(jì)比較緊湊而且長(zhǎng)期可靠。應(yīng)該考慮的是，當(dāng)切斷感性負(fù)載時(shí)有較高的dlidt，真空斷路器切斷電流時(shí)會(huì)引起過(guò)電壓尖峰，這就要求安裝過(guò)電壓限制器。對(duì)于較小功率系統(tǒng)，裝有保險(xiǎn)絲的電流接觸器與斷路器CSF6絕緣和真空絕緣型）相比在費(fèi)用和空間上都是一個(gè)有利的選擇，而且在空氣中（低壓）是可用的。裝有保險(xiǎn)絲的電流接觸器的開(kāi)關(guān)電壓尖峰是比較低的，因?yàn)殡娏髑袛嗍潜容^軟的（較低的刃；力）。3.3.2變壓器變壓器的目的是把配電系統(tǒng)的不同部分分離成若干部分，通常是為了得到不同的電壓等級(jí)，有時(shí)也為了移相。移相變壓器可用來(lái)給變頻器供電，例如，變速推進(jìn)裝置，是為了通過(guò)消除主要諧波電流來(lái)減少注入電網(wǎng)的諧波電流。這減少了發(fā)電機(jī)和其它用電設(shè)備的電壓失真。變壓器對(duì)導(dǎo)體發(fā)出的高頻噪音有阻尼作用，特別是在變壓器的原邊和副邊裝有接地銅罩。有許多不同的變壓器設(shè)計(jì)方案使用，最普遍的類(lèi)型是：空氣絕緣干式變壓器，樹(shù)脂絕緣變壓器，或油/液體絕緣變壓器。法規(guī)，周?chē)h(huán)境，使用者，船廠，供貨者的參數(shù)選擇共同決定變壓器的類(lèi)型，材料以及設(shè)計(jì)方案。實(shí)際上，變壓器通常被造成三相的，有圍繞一個(gè)共同鐵心的三相原邊繞組和三相副邊繞組組成。鐵心為磁通組成一個(gè)封閉的路徑，通常有三個(gè)垂直的柱和兩個(gè)水平的軛（一個(gè)在頂部，一個(gè)在底部）。里面的繞組組成低壓繞組（副邊繞組），外面繞組是高壓繞組（原邊繞組）。原邊與副邊的匝數(shù)比給出了變壓器的變比。繞組可被連接成Y型連接或人連接（也叫D連接）。原邊和副邊的連接可以是不同的，在這樣的變壓器當(dāng)中，不僅原副邊電壓幅值會(huì)改變，而且相位也會(huì)發(fā)生改變。移相也可以通過(guò)使用Z型連接的繞組來(lái)調(diào)整，通常在原邊，可以由Z型繞組各段的變比來(lái)精確的決定所移相角。也有若干副邊繞組的三相或四相變壓器被使用，如多相驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合。原邊連接成人，副邊連接成Y型的變壓器叫Dy型變壓器。第一個(gè)大寫(xiě)字母描述原邊繞組，第二個(gè)小寫(xiě)字母描述副邊繞組。如果Y型連接中中性點(diǎn)接地，則用字母n來(lái)表示，如Dyn或Ynyn?？筛鶕?jù)國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)變壓器。對(duì)于變頻器用變壓器的設(shè)計(jì)，解決由于諧波電流的高次成分引起的熱損失是必要的。對(duì)于這樣的應(yīng)用國(guó)際電工委員會(huì)也給出了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和指導(dǎo)方針。單元四推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式3.4.1引言電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能的最普通的設(shè)備，它被用于電力推進(jìn)，側(cè)推或位置保持，以及其它的甲板負(fù)載，像起貨機(jī)，泵，風(fēng)機(jī)等。船上設(shè)備中80%-90%的負(fù)載都是電動(dòng)機(jī)。在這一節(jié)中，給出了船上各種電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)短概述及其應(yīng)用，關(guān)于電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能的詳細(xì)描述，請(qǐng)參考其他書(shū)籍。使用的電動(dòng)機(jī)有：直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)必須使用直流電，但由于發(fā)電和配電系統(tǒng)通常是三相交流電，這意味著直流電動(dòng)機(jī)必須由整流器供電。這也給出了電機(jī)速度控制方法。關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)的各種不同結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述，見(jiàn)Fitzgerald[68]。異步電動(dòng)機(jī)（感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）異步電動(dòng)機(jī)（感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）是工業(yè)的動(dòng)力源。它粗糙簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)確保它在大多場(chǎng)合使用壽命長(zhǎng)，故障和維護(hù)都最小化。異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在任何場(chǎng)合，既可作為恒速電機(jī)直接連接在電網(wǎng)上，又可作為由靜止變頻器供電的調(diào)速電機(jī)使用。Fitzgerald[68]給出了關(guān)于異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能方面的詳細(xì)解釋。同步電動(dòng)機(jī)除了大型推進(jìn)裝置，同步電機(jī)在船上通常不作為電動(dòng)機(jī)使用，具有代表性的是，當(dāng)其功率大于5MW時(shí)直接與螺旋槳軸相連接，或者功率大于8-10MW時(shí)使用齒輪箱連接。在比這些功率更小的范圍時(shí)，用同步電機(jī)通常不劃算，異步電動(dòng)機(jī)在成本上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)跟同步發(fā)電機(jī)相似。在船上，如果沒(méi)有變頻器供電的調(diào)速控制系統(tǒng)，通常不使用同步電動(dòng)機(jī)。其設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性見(jiàn)Fitzgerald［68］。永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)上被用于一些小功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，也用于直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。近年來(lái)，它也被應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，若干MW的推進(jìn)裝置，首先應(yīng)用于海軍裝備，但是現(xiàn)在也應(yīng)用在吊艙推進(jìn)上。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，效率高，特別適用于吊艙推進(jìn)，使吊艙尺寸盡可能的小，直接用水冷卻，消除了用空氣冷卻吊艙電動(dòng)機(jī)的需要，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝。其設(shè)計(jì)和性能見(jiàn)［65］。其它電動(dòng)機(jī)還有一系列的其它電動(dòng)機(jī)被應(yīng)用于商業(yè)或?qū)嶒?yàn)領(lǐng)域。它們占有很少的市場(chǎng)份額，特別是船用市場(chǎng)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的高效率，小尺寸，或者是一定場(chǎng)合的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，在不久的將來(lái)一些變速驅(qū)動(dòng)的新概念可能會(huì)出現(xiàn)。它們很有可能是基于上述原理的或者是由這些原理派生出來(lái)的。3.4.2直接跟電網(wǎng)相連的恒速電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)可以直接連在電網(wǎng)上，像這樣直接相連（DOL）的電動(dòng)機(jī)通常是三相異步電動(dòng)機(jī),或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，粗糙，三相定子繞組與發(fā)電機(jī)的定子繞組相似。轉(zhuǎn)子是由鐵心疊片和跟同步電機(jī)阻尼繞組相似的短路繞組組成的圓柱。在空載狀況下，電壓作用在定子繞組上，在電動(dòng)機(jī)中形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)氣隙并以電壓頻率旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的頻率叫同步頻率f,則對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為：s當(dāng)軸上加上負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將會(huì)下降，由于這個(gè)速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速有相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度，這在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)感應(yīng)出電流。定義電機(jī)轉(zhuǎn)子速度與同步速度n相對(duì)落s后的程度為轉(zhuǎn)差率s:”一門(mén)占=込所以轉(zhuǎn)差率的變化范圍為0（空載）到1（堵轉(zhuǎn)）。大多數(shù)電機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)差率在額定負(fù)載時(shí)通常低于5%,大型電機(jī)甚至低于2%-3%。從異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)模型，可以推導(dǎo)出定轉(zhuǎn)子電流，軸扭矩，功率都是關(guān)于轉(zhuǎn)差率的函數(shù)數(shù)學(xué)公式。一個(gè)復(fù)雜的因素就是參數(shù)，尤其是轉(zhuǎn)子參數(shù)，這些參數(shù)十分依賴(lài)于轉(zhuǎn)差率，也就是轉(zhuǎn)子電流的頻率，這些對(duì)頻率的依賴(lài)性必須考慮在內(nèi)以獲得更精確的結(jié)果。圖3.4給出了被連接在恒頻電網(wǎng)的異步電動(dòng)機(jī)的定子電流和軸扭矩，它們都是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率的函數(shù)。它也給出了變距槳側(cè)推器在零槳距和全槳距時(shí)的負(fù)載曲線。啟動(dòng)側(cè)推電

動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)該使變距槳槳距為零，確保足夠的扭矩裕量用于安全啟動(dòng)，并使啟動(dòng)時(shí)間最短。在穩(wěn)定條件下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流幾乎與轉(zhuǎn)差率成正比,軸扭矩亦是如此。從3.16所示的電氣模型，可得到定子電流有效值I的簡(jiǎn)單表達(dá)式為:sI是流過(guò)磁化電抗L的磁化電流，忽略通過(guò)鐵心等效電阻的電流分量。I是折算到定子側(cè)mmr的轉(zhuǎn)子電流，T是扭矩。下標(biāo)N表示是額定狀況下的量，如果忽略定轉(zhuǎn)子的漏感，可簡(jiǎn)單表示為：Ai.v=2r.v=當(dāng)轉(zhuǎn)差率接近峰值扭矩甚至更高時(shí)，假設(shè)就不再有效，因?yàn)楹雎缘穆└杏绊懽兊煤艽?，?fù)載定子電流將遵循圖3.4所示的平滑特性曲線，這個(gè)幅值（堵轉(zhuǎn)電流）約為額定電流的5倍。10.9D.S0.70.610.9D.S0.10Slip圖3.4直聯(lián)異步電動(dòng)機(jī)配可調(diào)螺距槳的負(fù)載特性曲線由于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比較高，經(jīng)常有必要安裝軟啟動(dòng)設(shè)備。軟啟動(dòng)器可把啟動(dòng)電流從5倍的額定電流減小到2-3倍的額定電流，而且也可減少電壓降。軟啟動(dòng)器必須總是適合電機(jī)的負(fù)載特性，它們的原理都是根據(jù)減小啟動(dòng)時(shí)的電機(jī)電壓，從而減小電機(jī)的扭矩。它們最普通的用法是：

1Xrrr直接起動(dòng)：1Xrrr啟動(dòng)和運(yùn)行：閉合開(kāi)關(guān)A應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)額定功率跟運(yùn)行發(fā)電機(jī)容量相比較小的場(chǎng)合，啟動(dòng)瞬時(shí)電氣指標(biāo)和扭矩都在允許值內(nèi)。星型-三角形（Y-A）啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)：A和C開(kāi)關(guān)閉合，B斷開(kāi)。運(yùn)行：A和B開(kāi)關(guān)閉合，C斷開(kāi)。此時(shí)起動(dòng)電流為直接起動(dòng)時(shí)的1/3,啟動(dòng)扭矩也有類(lèi)似的減少。此方法可使啟動(dòng)瞬時(shí)值在允許的范圍內(nèi)。啟動(dòng)負(fù)載扭矩必須較低以確保合適的加速。自耦降壓?jiǎn)?dòng)：?jiǎn)?dòng)：閉合B、C,斷開(kāi)A運(yùn)行：閉合A,斷開(kāi)B、C減小起動(dòng)電流，這依賴(lài)于自耦變壓器的變比。由于自耦變壓器的變比，電網(wǎng)電流比電機(jī)電流小。啟動(dòng)扭矩必須被減小以確保負(fù)載的允許加速。半導(dǎo)體（晶閘管）軟啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)：閉合B,軟啟動(dòng)器用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電壓運(yùn)行：通常用一個(gè)旁通開(kāi)關(guān)A,以減少損耗用來(lái)減小瞬間啟動(dòng)電流。這種可控軟啟動(dòng)器可以利用程序給出各種大小的加速度，以盡可能適應(yīng)負(fù)載的限制。由于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)扭矩以電壓平方的形式減小，必須小心地調(diào)節(jié)啟動(dòng)特性以確保合適的加速。在啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器使電壓產(chǎn)生六脈整流的特征諧波。i_i_r.-■3.4.3調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和控制策略直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速直接由電網(wǎng)頻率決定。對(duì)于主推，側(cè)推，泵，起貨機(jī)等，通過(guò)減少運(yùn)行時(shí)的空載損耗以節(jié)約能源或燃油損耗具有重大意義。此外，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)大幅度的提高所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的可控性。其缺點(diǎn)首先是在經(jīng)濟(jì)上，因?yàn)樵黾恿祟~外投資成本和需要維護(hù)的其他設(shè)備。如果投資合理，那么較少的損耗或增加的收入可以?xún)斶€那部分額外的投資。船上每產(chǎn)生1千瓦時(shí)的電所需要的花費(fèi)（包括燃油，維護(hù)，稅等費(fèi)用）為1克朗（挪威貨幣），平均每年減少1MW的功率損失，會(huì)節(jié)約876萬(wàn)克朗，大約為1100萬(wàn)美丿元。最常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置為：驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的電壓源型變頻器，交流電動(dòng)機(jī)指異步電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的電流源型變頻器，交流電動(dòng)機(jī)通常為同步電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的循環(huán)變流器，交流電動(dòng)機(jī)通常為同步電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的直流變流器或可控硅整流器。在船上，大多數(shù)的調(diào)速傳動(dòng)使用交流電動(dòng)機(jī)，多數(shù)的驅(qū)動(dòng)器，除了循環(huán)變流器外，都有整流器和逆變器組成，整流器把線電壓整流成直流供逆變器使用，

逆變器提供調(diào)頻調(diào)壓的電源供給電動(dòng)機(jī)。后面部分將詳細(xì)講述這些概念。電動(dòng)機(jī)的控制器包括速度控制環(huán)節(jié)和電流控制環(huán)節(jié)，電流控制是通過(guò)整流器和逆變器的開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的?？刂破魍ǔＰ枰粋€(gè)接口和優(yōu)先級(jí)控制系統(tǒng)、船舶管理系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)定位控制系統(tǒng)交換信息。電動(dòng)機(jī)的控制器獲得從電動(dòng)機(jī)傳感器來(lái)的測(cè)量信號(hào)和反饋信號(hào)。測(cè)量參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)的電流，轉(zhuǎn)速，有時(shí)還有溫度和電壓?？刂瓶驁D如圖3.5所示：Netv；orkDCLinkMotorsupplyNetv；orkDCLinkMotorsupply圖3.5變速驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，展示了有直流環(huán)節(jié)的變頻器結(jié)構(gòu)，適用于VSI（電壓源型）和CSI

（電流源型）變流器電力電子器件分為不可控的（二極管）或可控的（晶閘管，IGBT,IGCT）。圖3.6給出了一個(gè)低壓IGBT模塊，它是一個(gè)包含所有開(kāi)關(guān)設(shè)備的690V逆變器模塊，和一個(gè)被拆開(kāi)的3300V中壓逆變器中使用的IGCT。電力電子學(xué)被看作一獨(dú)立的科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，可參考文獻(xiàn)［67］和［69］。帕帕圖3.6a）IGBTb）IGCT如果設(shè)計(jì)允許，電動(dòng)機(jī)可以雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，即電動(dòng)狀態(tài)或制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)。為了區(qū)分電動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)

運(yùn)行在何種狀況下，經(jīng)常采用象限的概念來(lái)區(qū)分。象限參照速度扭矩的四象限圖，如圖3.7所示。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)吸收功率驅(qū)動(dòng)軸上負(fù)載，運(yùn)行在I、III象限。相反，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)，即軸上負(fù)載的機(jī)械功率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行在II、IV象限。TorqueQuadrantIIBrakingSnead-!0.T&raue旳Quadrant1MotoringSDeed>0,Toi■口>0QuadrantIIIMotoringS[need<0?Toraue<0QuadrantIVBrakingSpeed^O.ToiraLje<0圖3.7扭矩-速度四象限圖電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置通常有一個(gè)速度控制功能，這個(gè)功能的輸出被當(dāng)作扭矩指令或參考值，之后在輸入到電動(dòng)機(jī)的控制算法中去。這些算法運(yùn)用先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)模型通過(guò)開(kāi)通或關(guān)斷整流器（如果可控）和逆變器的開(kāi)關(guān)設(shè)備控制電動(dòng)機(jī)的電壓和電流?？刂破魍ǔＳ梢粋€(gè)控制原理框圖，如圖3.8所示。扭矩控制通過(guò)消除速度控制環(huán)完成，給出的扭矩命令直接輸入到電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，如圖3.8中的虛線。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通常通過(guò)測(cè)量的方法得到，但是新型的電動(dòng)機(jī)控制器安裝有速度估計(jì)器，對(duì)大多船用電動(dòng)機(jī)而言，取消了專(zhuān)門(mén)的速度傳感器。

Torquereferente圖3.8電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制模塊由于許多實(shí)際原因，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的速度控制環(huán)被看作一個(gè)PI（或PID）的閉環(huán)控制，內(nèi)部帶有扭矩閉環(huán)控制，根據(jù)控制意圖扭矩控制可被看作一階滯后環(huán)節(jié)。對(duì)最高控制環(huán)節(jié)的仿真和綜合，應(yīng)該應(yīng)用圖3.9中的簡(jiǎn)單框圖。TorqueireF?renc：e圖3.9越控系統(tǒng)中適用于仿真和綜合的簡(jiǎn)化控制模塊單元五推進(jìn)單元3.5.1引言本節(jié)介紹了電力推進(jìn)船舶推進(jìn)單元最基礎(chǔ)的工作原理。這個(gè)概述并不完整，因?yàn)橐灿衅渌倪x擇，例如，噴水推進(jìn)器的應(yīng)用，然而這僅有專(zhuān)門(mén)的和特殊的應(yīng)用場(chǎng)合。3.5.2軸向推進(jìn)器在柴電推進(jìn)系統(tǒng)中，螺旋槳通常由調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。水平放置的電動(dòng)機(jī)直接的連在螺旋槳軸上，簡(jiǎn)單且機(jī)械強(qiáng)度高，或通過(guò)齒輪箱連接，增大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并使其結(jié)構(gòu)更加緊湊。其缺點(diǎn)是增加了機(jī)械復(fù)雜性和功率損失。在柴電推進(jìn)的船舶上，軸向推進(jìn)器被應(yīng)用在比方位角推進(jìn)功率高的場(chǎng)合，用于產(chǎn)生橫向推力的場(chǎng)合，例如，位置保持，機(jī)動(dòng)航行并不需要這樣的推進(jìn)器，而是由造價(jià)便宜的管隧推進(jìn)器產(chǎn)生橫向推力。使用軸向推進(jìn)器的船舶包括穿梭油輪，科考船，大型起錨船，電纜鋪設(shè)船等。軸向推進(jìn)總是跟舵結(jié)合在一起，每個(gè)螺旋槳有一個(gè)舵。通過(guò)使用懸掛的舵，軸向推進(jìn)器也可以用來(lái)提供一定的橫向推力。如果機(jī)動(dòng)航行或位置保持需要更多的橫向推力，通常也在船尾安裝額外的管隧推進(jìn)器來(lái)完成。螺旋槳通常是速度可控的定距槳FPP,使螺旋槳設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且強(qiáng)度大。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，螺旋槳是調(diào)距槳，甚至速度可控。在一定程度上，速度和槳距可以最優(yōu)化，以使其比只控制一個(gè)參量效率更高，響應(yīng)更快。為了獲得速度和槳距的結(jié)合，通常不需要額外的投資來(lái)達(dá)到。圖3.10給出了軸向推進(jìn)系統(tǒng)的一些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可被安裝在單槳或雙槳船上。jn^rnrv/irliSinglemoral'drivt圖3.10給出了軸向推進(jìn)系統(tǒng)的一些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可被安裝在單槳或雙槳船上。jn^rnrv/irliSinglemoral'drivtconverters仃口畑7dualsliaftplT7pll]'.tOtlTandetiinHorwithlcrhitidaiitLCiiivcrci-s圖3.10軸系驅(qū)動(dòng)配置案例3.5.3方位角推進(jìn)器方位角推進(jìn)器是可以旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器，以產(chǎn)生任何方向的推力。這種推進(jìn)器是可控的,既有恒速電動(dòng)機(jī)配調(diào)距槳的設(shè)計(jì)，調(diào)速電動(dòng)機(jī)配定距槳的設(shè)計(jì)，也有很少速度和槳距都可控的設(shè)計(jì)。調(diào)速電動(dòng)機(jī)配定距槳的設(shè)計(jì)與恒速電動(dòng)機(jī)配調(diào)距槳的設(shè)計(jì)相比,不僅水下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且低速推進(jìn)損失少。在船上，推進(jìn)器空間的高度有嚴(yán)格的限制，電動(dòng)機(jī)通常會(huì)水平放置，方位角推進(jìn)器將形成Z型齒輪傳動(dòng)。當(dāng)推進(jìn)器空間高度允許時(shí)，因?yàn)榇怪卑惭b電動(dòng)機(jī)會(huì)形成L型齒輪傳動(dòng)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且傳動(dòng)損失少，所以此時(shí)通常垂直安裝電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榉轿唤峭七M(jìn)器被設(shè)計(jì)并最優(yōu)化為單向推進(jìn)，所以方位角推進(jìn)器的局限性是在槳距或轉(zhuǎn)速為負(fù)時(shí)產(chǎn)生推力的能力將被限制。如果有一定程度的負(fù)推力能力，當(dāng)方位角不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)該利用這個(gè)負(fù)推力以保持動(dòng)態(tài)推力。傳統(tǒng)的方位角推進(jìn)器初期被用于位置保持和機(jī)動(dòng)航行，但是近來(lái)在電力推進(jìn)船上也被用于主推裝置。對(duì)于主推裝置，為了提高其水動(dòng)力性和操舵能力，方位角推進(jìn)器的形狀采用像機(jī)械吊艙那樣的型式。方位角推進(jìn)器就是從船上獲得電能，驅(qū)動(dòng)水平放置的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械能，之后傳給Z型齒輪傳動(dòng)的螺旋槳。水下形體被優(yōu)化為在船舶高速航行時(shí)水動(dòng)力阻力低，以得到更高的推進(jìn)效率。有些制造商提供雙槳的推進(jìn)器，兩個(gè)螺旋槳或在同一槳軸上，或是對(duì)轉(zhuǎn)的螺旋槳。對(duì)轉(zhuǎn)的螺旋槳利用另一螺旋槳噴射水流的旋轉(zhuǎn)能量增加了水動(dòng)力效率，并產(chǎn)生推力?，F(xiàn)在（2002年）使用的傳統(tǒng)方位角推進(jìn)器額定功率達(dá)6-7MW。Z型傳動(dòng)的方位角推進(jìn)器3.5.4吊艙推進(jìn)器像傳統(tǒng)的方位角推進(jìn)器一樣，吊艙推進(jìn)器也可以自由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生任一方向的推力。它們的主要不同之處是，電動(dòng)機(jī)直接與螺旋槳的軸相連接，被密封懸掛在船底的吊艙內(nèi)，吊艙淹沒(méi)在水中。高功率吊艙的示意圖，如3.11所示，調(diào)速電動(dòng)機(jī)置于密封緊湊的吊艙內(nèi)。定距槳直接安裝在電動(dòng)機(jī)軸上。由于避免了機(jī)械齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)效率比方位角推進(jìn)器高。電能通過(guò)撓性電纜或可360?；剞D(zhuǎn)操作的滑環(huán)傳輸給電動(dòng)機(jī)。因?yàn)槁菪龢嵌ň鄻?，且沒(méi)有齒輪傳動(dòng)，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

HydraulrcStcpriingUriiiSlipringUnitHydraulrcStcpriingUriiiSlipringUnit(Pawer/DataTran-snii^^ion圖3.11吊艙吊艙可被設(shè)計(jì)成拉式的或推式的。特別是拉式的吊艙，改善了螺旋槳的工作狀況并使流場(chǎng)均勻，它增加了螺旋槳的水動(dòng)力效率，減少了氣蝕危險(xiǎn)，也減小了噪聲和振動(dòng)。如果推力軸承允許，吊艙則既可以向前旋轉(zhuǎn)，也可以向后旋轉(zhuǎn)。螺旋槳通常在主推方向上效率最高，負(fù)推能力較小，但它沒(méi)有推進(jìn)器的機(jī)械限制。吊艙推進(jìn)器在巡航艦，破冰船，供給船以及油輪上用了10年有余。目前，新建造的現(xiàn)場(chǎng)供給船，見(jiàn)圖3.12，以及半潛式鉆井平臺(tái)也使用吊艙推進(jìn)器來(lái)動(dòng)態(tài)定位和運(yùn)輸和推進(jìn)?，F(xiàn)在吊艙系統(tǒng)可用的功率范圍為從大約1MW到25MW。大型的吊艙提供了直接進(jìn)入吊艙進(jìn)行檢查的通道。圖3.12采用電力推進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)支持船單元六新的動(dòng)向和觀點(diǎn)3.6.1電能的產(chǎn)生建立在旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上的發(fā)電