1.1船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成課件講解

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)第二講船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成1.1船舶電力推進(jìn)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(jìn)方案如下圖1-1所示，螺旋槳一般用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，潛艇在水面航行時(shí)也可由發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器來帶動(dòng)，這時(shí)不用蓄電池供電。目前潛艇水面水下都傾向電力推進(jìn)。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)給蓄電池充電或直接給電動(dòng)機(jī)供電來驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，其中粗線表示機(jī)械連接，細(xì)線表示電氣連接，發(fā)動(dòng)機(jī)E帶動(dòng)發(fā)電機(jī)G將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過充電器／驅(qū)動(dòng)器C/D向蓄電池B供電或直接向電動(dòng)機(jī)M供電，電動(dòng)機(jī)M驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)從而推進(jìn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)不能由一般船舶電網(wǎng)供電，必須設(shè)置單獨(dú)發(fā)電機(jī)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(jī)、照明等）的輔助電站和主推進(jìn)電站要分開設(shè)置。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)電機(jī)的性能越來越好，電壓等級(jí)也越來越高，輔助電站可以不用單獨(dú)使用輔助發(fā)電機(jī)組，可以從主電站中分出一路來，經(jīng)變壓器降壓后獲得電源。發(fā)電HV配電LV配電變電變頻驅(qū)動(dòng)5

現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，圖中DG表示柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(fù)載供電。其中Q11和Q16向輔助設(shè)備（低壓設(shè)備）供電的變壓器供電，用兩個(gè)可以互為冗余，確保安全；Q12和Q15分別向兩個(gè)側(cè)推裝置供電；Q13和Q14則通過多相移相變壓器向各自的主動(dòng)力回路﹣﹣交流變頻器供電，然后由該變頻器向主電機(jī)PM，和PM2供電，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)。圖中輔助的部分還有兩路輔助電網(wǎng)供電的低壓變頻器驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)M,和M2，由應(yīng)急發(fā)電機(jī)EG配電的應(yīng)急配電網(wǎng)絡(luò)給兩個(gè)變頻器供電，來實(shí)現(xiàn)各自全回轉(zhuǎn)的應(yīng)急供電，驅(qū)動(dòng)各自的應(yīng)急全回轉(zhuǎn)電機(jī)M1和M2；圖中BR是制動(dòng)控制單元和制動(dòng)電阻，用于消耗變頻電機(jī)停止過程中的慣性能量。電力推進(jìn)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(dòng)機(jī)組件螺旋槳（1）發(fā)電系統(tǒng)-原動(dòng)機(jī)

電力推進(jìn)用的原動(dòng)機(jī)可以采用柴油機(jī)、蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。目前一般采用中速或高速柴油機(jī)。與直接機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)中使用的低速發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油電力推進(jìn)系統(tǒng)中的中、高速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重量更輕，成本更低。對(duì)于電力推進(jìn)系統(tǒng)來說，電站的可用性至關(guān)重要。

在柴油電力推進(jìn)系統(tǒng)中，一般由多臺(tái)柴油機(jī)共同組成一個(gè)冗余驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這不僅意味著系統(tǒng)具有很高的可靠性，而且還具有先進(jìn)的故障診斷特性和故障快速修復(fù)特性。在個(gè)別情況下，特別是大功率輕型高速船舶或者是在燃?xì)鈨r(jià)格較低的場合（例如利用石油生產(chǎn)中的排放物和LNG運(yùn)輸船中的氣化物等），發(fā)電機(jī)組也可采用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)或蒸汽﹣燃?xì)饴?lián)合循環(huán)氣輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。（2）發(fā)電系統(tǒng)-發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)端蓋軸承橋堆保護(hù)罩轉(zhuǎn)子磁極變壓器線路終端軸定子鐵芯風(fēng)扇定子繞組中性點(diǎn)地腳空氣過濾轉(zhuǎn)子繞組

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

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(jī)均為無刷同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子上的磁化繞組攜帶直流電流，當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三相定子繞組會(huì)在轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生磁場的作用下，感應(yīng)生成三相交流正弦電壓。發(fā)電機(jī)類型同步發(fā)電機(jī)

現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是由變頻器來實(shí)現(xiàn)的。目前，采用的變頻器從結(jié)構(gòu)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(wǎng)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，然后再在變流電路中將直流轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出功率。由于交﹣直﹣交變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率調(diào)節(jié)范圍寬、功率因數(shù)高、電動(dòng)機(jī)匹配無要求等優(yōu)點(diǎn)，因此在電力推進(jìn)系統(tǒng)中使用較多。

在交﹣直﹣交變頻器中，按中間儲(chǔ)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(jìn)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(diào)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(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于各種船舶電力推進(jìn)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(duì)逆向平衡可控硅橋進(jìn)行控制）可得到電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電壓可以調(diào)節(jié)，頻率可調(diào)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(dòng)的直接傳動(dòng)中。

目前，這種變頻器已經(jīng)在船舶主推進(jìn)系統(tǒng)（包括吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)）中得到應(yīng)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可維持在較高水平（同步電動(dòng)機(jī)變頻器中為恒定值）。電源功率因素的大小取決于電動(dòng)機(jī)電壓的高低，在勵(lì)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(jī)動(dòng)性能要求較高的動(dòng)力定位船和客輪中。該變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率范圍是2~22MW。交--交變頻（4）電機(jī)的種類及驅(qū)動(dòng)方式

電機(jī)的種類電動(dòng)機(jī)可以采用直流他激電動(dòng)機(jī)或交流異步變頻電機(jī)、交流同步變頻電機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等。M直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)無論是在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能上還是在轉(zhuǎn)矩的控制性能上都比較理想。但是，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，直流電動(dòng)機(jī)存在著一些缺點(diǎn)：如電動(dòng)機(jī)的機(jī)械式換相器在運(yùn)行中產(chǎn)生的火花易磨損電刷，單機(jī)容量和轉(zhuǎn)速受到限制，造價(jià)高等。這阻礙了直流電動(dòng)機(jī)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)已被大多數(shù)現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)采用。

交流電動(dòng)機(jī)可分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩類。同步電動(dòng)機(jī)承受抗動(dòng)能力強(qiáng)，調(diào)速范圍寬，可以和螺旋槳直接相連；傳統(tǒng)的異步變頻電動(dòng)機(jī)調(diào)速中易出現(xiàn)步進(jìn)現(xiàn)象，和蝶旋槳之間需經(jīng)減速器連接。現(xiàn)代較小功率（1MW以下）的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)多采用異步變頻訓(xùn)速，而較大功率的電力推進(jìn)則多采用同步電動(dòng)機(jī)。

永磁電動(dòng)機(jī)最早在20世紀(jì)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(dòng)機(jī)相似的徑向磁場結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不利于電動(dòng)機(jī)體積及重量的減少，近年來，出現(xiàn)廠軸向磁揚(yáng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研究，這種結(jié)構(gòu)使得電動(dòng)機(jī)的體積更小，重量更輕。另外，有的甚至進(jìn)行了橫向磁通電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究工作，這種新型永磁電動(dòng)機(jī)的性能比軸向水磁電動(dòng)機(jī)又有進(jìn)一步的改進(jìn)，使之更適合于低功率船舶推進(jìn)的需要，目前，永磁電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在電力推進(jìn)系統(tǒng)中被廣泛采用。交流電動(dòng)機(jī)永磁電動(dòng)機(jī)

在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求或者性能要求，采用的推進(jìn)器也有所不同，主要有軸槳推進(jìn)、管道式推進(jìn)、方位角推進(jìn)、吊艙式推進(jìn)、噴水推進(jìn)和磁流體推進(jìn)等。

軸槳推進(jìn)一般應(yīng)用在穿梭油輪等船舶中，采用水平的變速電機(jī)+齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

管道式推進(jìn)結(jié)構(gòu)一般有兩種，即電機(jī)垂直安裝并通過L型齒輪傳動(dòng)和電機(jī)水平安裝并通過Z型齒輪傳動(dòng)。管道式推進(jìn)的推進(jìn)方式分為變速定螺距槳推進(jìn)和恒速變螺距槳推進(jìn)。

方位角推進(jìn)則是利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在任何方向上產(chǎn)生推進(jìn)輸出。在方位角推進(jìn)系統(tǒng)中，電機(jī)一般也是垂直安裝來驅(qū)動(dòng)L形齒輪傳動(dòng)，通常采用變速電機(jī)來驅(qū)動(dòng)固定螺距螺旋槳。

目前，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的推進(jìn)器是吊艙式推進(jìn)器。吊艙式電力推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)是將電機(jī)放在一個(gè)吊艙內(nèi)，定距螺旋槳直接連接在電機(jī)軸上，可360旋轉(zhuǎn)，在任何方向上產(chǎn)生推力，不需要舵。整個(gè)吊艙位于船體外側(cè)浸泡在海水中直接向外散熱，從而整個(gè)推進(jìn)器不需要額外冷卻。這種設(shè)計(jì)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(dòng)，使得機(jī)動(dòng)性能更加良好，同時(shí)，還為推進(jìn)器的制造、維護(hù)和檢修提供了方便。目前，吊艙式推進(jìn)裝置的推進(jìn)功率在1~20MW之間。（5）推進(jìn)器

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)可以根據(jù)所使用的原動(dòng)機(jī)、主電路電流、動(dòng)力回路變換、推進(jìn)電機(jī)以及推進(jìn)器來分類。

按照原動(dòng)機(jī)可將電力推進(jìn)系統(tǒng)分為柴油機(jī)、汽輪機(jī)、蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。

按照主回路電流制式可將推進(jìn)系統(tǒng)分為直流推進(jìn)和交流推進(jìn)系統(tǒng)。在交流推進(jìn)系統(tǒng)中，又可進(jìn)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(dòng)力回路變換，即電動(dòng)機(jī)變頻器中最常用的變頻器依次為：AC異步電動(dòng)機(jī)用電壓源型（VSI）變頻器，AC同步電動(dòng)機(jī)用循環(huán)變頻器，AC同步電動(dòng)機(jī)用電壓源型（VSI）變頻器，DC變換器，即DC電動(dòng)機(jī)調(diào)速用的直流調(diào)速器。其中交流調(diào)速方案為電力推進(jìn)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(jìn)電機(jī)分類可以將電力推進(jìn)系統(tǒng)分為直流他