1.1船舶電力推進系統(tǒng)的組成課件講解

船舶電力推進系統(tǒng)第二講船舶電力推進系統(tǒng)的組成1.1船舶電力推進系統(tǒng)的組成一、系統(tǒng)組成

早先的常規(guī)潛水艇電力推進方案如下圖1-1所示，螺旋槳一般用電動機帶動，潛艇在水面航行時也可由發(fā)動機通過離合器來帶動，這時不用蓄電池供電。目前潛艇水面水下都傾向電力推進。原動機帶動發(fā)電機運行，發(fā)電機給蓄電池充電或直接給電動機供電來驅動螺旋槳運轉，其結構如圖1-2所示，其中粗線表示機械連接，細線表示電氣連接，發(fā)動機E帶動發(fā)電機G將機械能轉化為電能，再通過充電器／驅動器C/D向蓄電池B供電或直接向電動機M供電，電動機M驅動螺旋槳旋轉從而推進船舶。由于螺旋槳所需的功率很大（一般為幾百kW至幾千kW)，推進電動機不能由一般船舶電網供電，必須設置單獨發(fā)電機或其他大功率的電源；另一方面，由于功率相差懸殊，船舶一般電能用戶（如輔機、照明等）的輔助電站和主推進電站要分開設置。隨著電子技術的進步，發(fā)電機的性能越來越好，電壓等級也越來越高，輔助電站可以不用單獨使用輔助發(fā)電機組，可以從主電站中分出一路來，經變壓器降壓后獲得電源。發(fā)電HV配電LV配電變電變頻驅動5

現(xiàn)代船舶電力推進系統(tǒng)結構如圖1-3所示，圖中DG表示柴油發(fā)電機組，Q（從Q到Q16）為高壓真空斷路器，圖示供電電壓6600V，發(fā)電機通過真空斷路器Qi至Q分別將電送到兩段母排HSBA和HSBB；該兩段母排可通過Q5和Q6連接在一起，可通過真空斷路器Q11至Q16向負載供電。其中Q11和Q16向輔助設備（低壓設備）供電的變壓器供電，用兩個可以互為冗余，確保安全；Q12和Q15分別向兩個側推裝置供電；Q13和Q14則通過多相移相變壓器向各自的主動力回路﹣﹣交流變頻器供電，然后由該變頻器向主電機PM，和PM2供電，從而驅動兩個螺旋槳旋轉，實現(xiàn)船舶推進。圖中輔助的部分還有兩路輔助電網供電的低壓變頻器驅動全回轉機構電機M,和M2，由應急發(fā)電機EG配電的應急配電網絡給兩個變頻器供電，來實現(xiàn)各自全回轉的應急供電，驅動各自的應急全回轉電機M1和M2；圖中BR是制動控制單元和制動電阻，用于消耗變頻電機停止過程中的慣性能量。電力推進系統(tǒng)中的主要組件電站組件配電板組件變壓器組件諧波抑制器變頻器組件監(jiān)測組件電動機組件螺旋槳（1）發(fā)電系統(tǒng)-原動機

電力推進用的原動機可以采用柴油機、蒸汽輪機或燃氣輪機。目前一般采用中速或高速柴油機。與直接機械推進系統(tǒng)中使用的低速發(fā)動機相比，柴油電力推進系統(tǒng)中的中、高速柴油發(fā)動機的重量更輕，成本更低。對于電力推進系統(tǒng)來說，電站的可用性至關重要。

在柴油電力推進系統(tǒng)中，一般由多臺柴油機共同組成一個冗余驅動網絡，這不僅意味著系統(tǒng)具有很高的可靠性，而且還具有先進的故障診斷特性和故障快速修復特性。在個別情況下，特別是大功率輕型高速船舶或者是在燃氣價格較低的場合（例如利用石油生產中的排放物和LNG運輸船中的氣化物等），發(fā)電機組也可采用燃氣發(fā)動機、燃氣輪機、蒸汽輪機或蒸汽﹣燃氣聯(lián)合循環(huán)氣輪機驅動。（2）發(fā)電系統(tǒng)-發(fā)電機勵磁機端蓋軸承橋堆保護罩轉子磁極變壓器線路終端軸定子鐵芯風扇定子繞組中性點地腳空氣過濾轉子繞組

發(fā)電機可以采用直流他激、差復激發(fā)電機或交流同步發(fā)電機。

大部分新造船舶和所有商用船舶都配備帶有交流配電功能的交流電站，所用發(fā)電機均為無刷同步發(fā)電機，其轉子上的磁化繞組攜帶直流電流，當原動機驅動轉子轉動時，三相定子繞組會在轉子電流所產生磁場的作用下，感應生成三相交流正弦電壓。發(fā)電機類型同步發(fā)電機

現(xiàn)代船舶電力推進系統(tǒng)由電動機直接驅動螺旋槳，電動機的轉速控制是由變頻器來實現(xiàn)的。目前，采用的變頻器從結構上看，可分為交﹣直﹣交變頻器和交﹣交變頻器。

交﹣直﹣交變頻方式是先將電網輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，然后再在變流電路中將直流轉變?yōu)轭l率可調的交流輸出功率。由于交﹣直﹣交變頻器具有結構簡單、頻率調節(jié)范圍寬、功率因數(shù)高、電動機匹配無要求等優(yōu)點，因此在電力推進系統(tǒng)中使用較多。

在交﹣直﹣交變頻器中，按中間儲能環(huán)節(jié)所用的是電容還是電感，又分為電壓型和電流型變頻器。電壓型采用大電容濾波，電流型采用大電感濾波。目前，在大中小功率的船舶電力推進系統(tǒng)中，普遍采用的是電壓型的交﹣直﹣交變頻器。采用的控制方法主要有PWM（脈寬調制）方式和多電平控制方式。而PWM方式又可以分為等脈寬PWM方式、SPWM（正弦波PWM）方式、磁鏈追蹤型PWM方式和電流跟蹤型PWM方式四類。其中，SPWM方式在技術上已經相當成熟，廣泛應用于各種船舶電力推進系統(tǒng)中。（3）變電系統(tǒng)-變頻器變頻器類型交-直-交變頻

交﹣交變頻器也稱循環(huán)變頻器，是一種直接式變頻器，中間沒有直流鏈。通過選擇電源電壓的相位區(qū)段（對逆向平衡可控硅橋進行控制）可得到電動機的交流電壓。常用的一種12脈沖配置的循環(huán)變頻器，可減小線路諧波。循環(huán)變頻器也可以采用6脈沖配置，在6脈沖配置中，如果電源電壓和變頻器電壓相互匹配，則可用電抗器來代替供電變壓器。采用循環(huán)變頻器，電動機的電壓可以調節(jié)，頻率可調至電源頻率的三分之一（約20Hz)，因此這種變頻器最適合用于不帶齒輪傳動的直接傳動中。

目前，這種變頻器已經在船舶主推進系統(tǒng)（包括吊艙式推進系統(tǒng)）中得到應用。與交﹣直﹣交變頻器相比，循環(huán)變頻器低頻工作電壓中所含的諧波成分比較少，電動機的功率因數(shù)可維持在較高水平（同步電動機變頻器中為恒定值）。電源功率因素的大小取決于電動機電壓的高低，在勵磁衰減區(qū)域，功率數(shù)值大約為0.76。

循環(huán)變頻器主要用于低速操作和性能要求較高的場合，尤其適合用于破冰船或冰區(qū)作業(yè)船舶中，但也適合用于低速／機動性能要求較高的動力定位船和客輪中。該變頻器驅動的電動機的功率范圍是2~22MW。交--交變頻（4）電機的種類及驅動方式

電機的種類電動機可以采用直流他激電動機或交流異步變頻電機、交流同步變頻電機、永磁同步電動機等。M直流電動機

直流電動機無論是在轉速的調節(jié)性能上還是在轉矩的控制性能上都比較理想。但是，由于其自身的結構特點，直流電動機存在著一些缺點：如電動機的機械式換相器在運行中產生的火花易磨損電刷，單機容量和轉速受到限制，造價高等。這阻礙了直流電動機在船舶電力推進系統(tǒng)中的廣泛應用。同時，隨著交流調速技術的發(fā)展，交流電動機已被大多數(shù)現(xiàn)代船舶電力推進系統(tǒng)采用。

交流電動機可分為同步電動機和異步電動機兩類。同步電動機承受抗動能力強，調速范圍寬，可以和螺旋槳直接相連；傳統(tǒng)的異步變頻電動機調速中易出現(xiàn)步進現(xiàn)象，和蝶旋槳之間需經減速器連接?，F(xiàn)代較小功率（1MW以下）的船舶電力推進系統(tǒng)多采用異步變頻訓速，而較大功率的電力推進則多采用同步電動機。

永磁電動機最早在20世紀80年代中期開始研制，最初都采用與常規(guī)的交流同步電動機相似的徑向磁場結構，這種結構不利于電動機體積及重量的減少，近年來，出現(xiàn)廠軸向磁揚結構永磁同步電動機的設計和研究，這種結構使得電動機的體積更小，重量更輕。另外，有的甚至進行了橫向磁通電動機的設計研究工作，這種新型永磁電動機的性能比軸向水磁電動機又有進一步的改進，使之更適合于低功率船舶推進的需要，目前，永磁電動機已經在電力推進系統(tǒng)中被廣泛采用。交流電動機永磁電動機

在船舶電力推進系統(tǒng)中，根據不同的設計需求或者性能要求，采用的推進器也有所不同，主要有軸槳推進、管道式推進、方位角推進、吊艙式推進、噴水推進和磁流體推進等。

軸槳推進一般應用在穿梭油輪等船舶中，采用水平的變速電機+齒輪箱直接驅動螺旋槳。

管道式推進結構一般有兩種，即電機垂直安裝并通過L型齒輪傳動和電機水平安裝并通過Z型齒輪傳動。管道式推進的推進方式分為變速定螺距槳推進和恒速變螺距槳推進。

方位角推進則是利用旋轉機構在任何方向上產生推進輸出。在方位角推進系統(tǒng)中，電機一般也是垂直安裝來驅動L形齒輪傳動，通常采用變速電機來驅動固定螺距螺旋槳。

目前，在船舶電力推進系統(tǒng)中，應用最為廣泛的推進器是吊艙式推進器。吊艙式電力推進裝置的結構是將電機放在一個吊艙內，定距螺旋槳直接連接在電機軸上，可360旋轉，在任何方向上產生推力，不需要舵。整個吊艙位于船體外側浸泡在海水中直接向外散熱，從而整個推進器不需要額外冷卻。這種設計有利于減輕船體自身重量、節(jié)省空間，并且能夠降低噪聲和振動，使得機動性能更加良好，同時，還為推進器的制造、維護和檢修提供了方便。目前，吊艙式推進裝置的推進功率在1~20MW之間。（5）推進器

船舶電力推進系統(tǒng)可以根據所使用的原動機、主電路電流、動力回路變換、推進電機以及推進器來分類。

按照原動機可將電力推進系統(tǒng)分為柴油機、汽輪機、蒸汽輪機或燃氣輪機。

按照主回路電流制式可將推進系統(tǒng)分為直流推進和交流推進系統(tǒng)。在交流推進系統(tǒng)中，又可進一步分為低壓、中壓和高壓系統(tǒng)。在現(xiàn)代高功率要求的情況下，中高壓的選擇比較常見，如6600V制式。

按照動力回路變換，即電動機變頻器中最常用的變頻器依次為：AC異步電動機用電壓源型（VSI）變頻器，AC同步電動機用循環(huán)變頻器，AC同步電動機用電壓源型（VSI）變頻器，DC變換器，即DC電動機調速用的直流調速器。其中交流調速方案為電力推進的主流方向，高壓大功率低速控制采用循環(huán)變換器為多。

按照推進電機分類可以將電力推進系統(tǒng)分為直流他