現(xiàn)代船舶電力推動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展PPT.ppt

1、現(xiàn)代船舶電力推動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展,引言,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已有近百年歷史，但是由于受各種因素制約，發(fā)展緩慢，且大多數(shù)只應(yīng)用在特種船舶上。 從 20 世紀(jì) 80 年代起，供電系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)和微電子及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使船舶電力推進(jìn)裝置打破了 長期徘徊局面，得到了大力的發(fā)展。電力推進(jìn)系統(tǒng)基本由機(jī)械原動(dòng)機(jī)(柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或核動(dòng)力)構(gòu)成， 用以驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)再為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)可能是直流、交流同步電動(dòng)機(jī)或交流感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)。同傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪聲、船舶操縱、布置和 安全可靠性等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、

2、拖動(dòng)、推進(jìn)、 儲(chǔ)能、監(jiān)控和電力管理，是現(xiàn)行船舶平臺(tái)的電力和動(dòng)力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合；它不是電力推進(jìn)加自動(dòng)電站 的簡單組合，而是從概念到方案、組成、配置、技術(shù)等均發(fā)生重大變化，給未來的船舶帶來一場(chǎng)革命。,船舶電力推進(jìn)裝置的組成,常用船舶電力推進(jìn)裝置一般由下述幾部分組成：原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備。如圖1,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的方案分類,永磁電機(jī)技術(shù) 超導(dǎo)電磁推進(jìn)技術(shù) 潛艇燃料電池電力推進(jìn)裝置 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng),永磁電機(jī)技術(shù),現(xiàn)代永磁電機(jī)采用稀土材料勵(lì)磁，不僅使電機(jī)尺寸大大減小，重量減輕，而且使之維護(hù)方便，運(yùn)行可靠， 效率提高。與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁電機(jī)效率提高了 413，

3、功率因子提高了 520。但 由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度受到當(dāng)前永磁材料的限制，1030 MW 額定功率的永磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)仍面臨極大的困 難。,超導(dǎo)電磁推進(jìn)技術(shù),超導(dǎo)電磁推進(jìn)技術(shù)是利用安裝在船上的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與通過海水的電流之間的作用，產(chǎn)生一個(gè)沿著 船的縱軸方向的勞倫磁力，并由向船尾運(yùn)動(dòng)的海水噴射而獲得推力。 美國于 1980 年完成了 300 kW 的電磁推進(jìn)船海上試驗(yàn)， 并制造了 2250 kW 的樣機(jī)。 日本于 1985 年成立了“超 導(dǎo)電磁推進(jìn)開發(fā)委員會(huì)”，開始從事超導(dǎo)電磁推進(jìn)船的開發(fā)工作。1992 年，世界上第一艘載人超導(dǎo)電磁推 進(jìn)船“大和一號(hào)”在日本神戶港正式試航成功，標(biāo)志著超導(dǎo)電磁推進(jìn)

4、技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。,潛艇燃料電池電力推進(jìn)裝置,潛艇燃料電池電力推進(jìn)裝置是以燃料電池為潛艇水下航行動(dòng)力源的推進(jìn)裝置。燃料電池是一種能把化學(xué)能 直接轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，電池本體加上燃料、氧化劑及它們的貯存器構(gòu)成一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：在能量轉(zhuǎn)換方式上與蓄電池相同，都是化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，因此具有安靜、效率高的優(yōu)點(diǎn)； 在構(gòu)成方式上則與柴油發(fā)電機(jī)組相似，即貯能部分(貯存燃料及氧化劑的貯存器)與能量轉(zhuǎn)換裝置部分相分 離，因此具有長時(shí)間連續(xù)工作的能力(只要燃料和氧化劑足夠)，而不像蓄電池那樣需要來回充放電。各國 曾主要研究過兩種潛艇用燃料電池：氫-氧電池和肼-過氧化氫電池。近年來，燃料電池研

5、究取得了一些重大的技術(shù)突破。例如：潛艇上液態(tài)氧貯存器采用新式殼體結(jié)構(gòu)，有些 國家研究了用氫化物制取氫的方法等。,吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng),吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)是當(dāng)今備受推崇的一種推進(jìn)方式。它是一種全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，電動(dòng)機(jī)位于吊艙內(nèi)， 直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。該系統(tǒng)的操縱性能和推進(jìn)效率非常好，而且由于不需要軸系、舵及助推器，節(jié)省了大量 的空間，減輕了自身重量，降低了噪聲和振動(dòng)，機(jī)動(dòng)性能更佳，安裝也更方便。 在民用船舶推廣電力推進(jìn)過程中，促進(jìn)了吊艙式推進(jìn)模塊的發(fā)展。這是一種特殊的推進(jìn)模塊，盡管它的體 積不大，卻能夠代替完整的傳統(tǒng)軸系。吊艙式推進(jìn)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：吊艙可以 360轉(zhuǎn)動(dòng)，向各個(gè)方向發(fā) 出推力，為艦船提供

6、了更快、更安全的機(jī)動(dòng)性能。艦船可以在各種氣候和緊急條件下實(shí)施機(jī)動(dòng)，大約可減 少 20的反應(yīng)時(shí)間，艦船制動(dòng)的距離更短。節(jié)省燃料，極大減少廢氣排放。降低了振動(dòng)和噪聲。維 修工作量小。推進(jìn)裝置可在艦船建造后期進(jìn)行安裝，不會(huì)與其他建造工序發(fā)生沖突?？刹捎脤?duì)轉(zhuǎn)螺旋 槳等推進(jìn)技術(shù)，改善空泡性能和提高效率。因此，吊艙式電力推進(jìn)對(duì)艦船技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，它將 是未來艦船的主要推進(jìn)方式之一。近年來，由于一些大型船舶的需要，吊艙式電力推進(jìn)裝置的功率已經(jīng)達(dá) 到幾萬千瓦，技術(shù)也日趨成熟。,電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),空間配置靈活。大型船舶的柴油機(jī)幾乎是毫無例外安裝在船尾的下部空間，同時(shí)需要一根較長的傳動(dòng)軸 系連接螺旋槳。

7、而電力推進(jìn)的電動(dòng)機(jī)通常和螺旋槳靠得很近，省去了傳動(dòng)軸系，相應(yīng)的節(jié)省了空間；發(fā)電 設(shè)備可以根據(jù)全船的配置合理安排，不受推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的限制?？梢栽跈C(jī)艙整個(gè)空間內(nèi)立體布置， 既方便靈活，又充分利用了機(jī)艙艙容。如果從消防和安全性方面考慮，還可以把發(fā)電機(jī)分成幾組(如全船共有 6 臺(tái)發(fā)電機(jī)的情況下，可以 3 臺(tái)一組)布置在不同的艙室中。,電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),節(jié)省燃油，提高經(jīng)濟(jì)性。柴油機(jī)的推進(jìn)特性是：轉(zhuǎn)速升高，機(jī)械效率逐步增加，指示油耗率先是逐步降 低，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到較高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于機(jī)械效率增加很少，有效油耗率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而降低。一般情況， 柴油機(jī)運(yùn)行于 8090標(biāo)定轉(zhuǎn)速作為長期運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即所謂的降

8、速運(yùn)行。當(dāng)柴油機(jī)處于低速低負(fù)荷或高 速高負(fù)荷，尤其是低速低負(fù)荷工況下，由于機(jī)械效率低，燃油效率高，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重降低。,電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),提高了船舶的操縱性。柴油機(jī)推進(jìn)的船舶操縱通過改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以改變船舶速度，改變舵角以改變航 向。電力推進(jìn)的螺旋槳轉(zhuǎn)速通過驅(qū)動(dòng)控制器改變推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，吊艙單元在動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制下， 可以繞豎直軸作 360的轉(zhuǎn)動(dòng)，吊艙單元的方向決定了螺旋槳的推進(jìn)方向，船舶倒航只需讓吊艙旋轉(zhuǎn) 180即 可。相比而言，螺旋槳轉(zhuǎn)速的改變更迅速，船舶轉(zhuǎn)向過程中不但只由裝船力矩作用，取消了最大舵角的限 制，船舶的航速與船舶的航向都得到了更好的控制，船舶的操縱性能得到提高。,電

9、力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),振動(dòng)小，噪音低。省去了舵和傳動(dòng)軸系，機(jī)械設(shè)備的總重量比同等功率柴油主機(jī)的船舶減少約 30，相 應(yīng)的節(jié)省了船舶的艙容。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于客船是十分重要的，對(duì)大型豪華客船更是如此。這也是電力推進(jìn)在 客船中獲得越來越大的市場(chǎng)份額的主要原因。,電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),提高了船舶的安全性。 用柴油機(jī)單機(jī)推進(jìn)的船舶， 一旦柴油主機(jī)的重要部件或舵機(jī)及傳動(dòng)軸系出現(xiàn)故障， 往往導(dǎo)致癱船。而電力推進(jìn)使用多臺(tái)原動(dòng)機(jī)，個(gè)別機(jī)組的故障只對(duì)船速造成影響，不會(huì)導(dǎo)致癱船。同時(shí)應(yīng) 該看到，目前的電力推進(jìn)船舶往往采用兩套以上推進(jìn)系統(tǒng)，它們?cè)诒ＷC全船的總功率的前提下，還可互為 備用。其次，船舶上可以裝備風(fēng)力發(fā)電機(jī)，利用外界

10、的阻力為船舶服務(wù)，配備一定數(shù)量的可充電蓄電池作 為備用能源以提供不時(shí)之需，船舶的可靠性和安全性將進(jìn)一步提高。,普及電力推進(jìn)系統(tǒng)需要研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯，是當(dāng)今船舶動(dòng)力發(fā)展歷程的一次飛躍；但實(shí)現(xiàn)起來并非坦途，還有大量的關(guān)鍵 技術(shù)需要解決。 推進(jìn)電機(jī)技術(shù)研究。推進(jìn)電機(jī)是電力推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。電力推進(jìn)的一個(gè)主要研究內(nèi)容就是推進(jìn) 電機(jī)交流化，其核心是電力變換器與交流推進(jìn)電機(jī)的技術(shù)組合。未來電力船舶對(duì)推進(jìn)電機(jī)單機(jī)容量的需求 日益增大，直流推進(jìn)電機(jī)因受極限功率的限制，已不能滿足要求。隨著電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論技術(shù) 的發(fā)展，研發(fā)新型高功率的推進(jìn)電機(jī)技術(shù)也是刻不容緩。,普及電力推進(jìn)

11、系統(tǒng)需要研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),全船電力系統(tǒng)總體技術(shù)研究。由于電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)今先進(jìn)的電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)、電 機(jī)制造技術(shù)、永磁材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、原動(dòng)機(jī)技術(shù)等的綜合運(yùn)用，技術(shù)含量高。許多不同專業(yè)的 各個(gè)設(shè)備的研制需要相互協(xié)調(diào)，功能相當(dāng)且接口一致。綜合電力系統(tǒng)各個(gè)模塊是否運(yùn)行良好并相互協(xié)調(diào)以 發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能，是事關(guān)整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣和良好運(yùn)行的關(guān)鍵。需要開展構(gòu)成綜合電力系統(tǒng)的各個(gè)模塊，以 及各模塊集成的技術(shù)研究，主要包括：發(fā)電模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，包括全船環(huán)形電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究；配電 模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括區(qū)域配電模式研究等；電力變換模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括大容量電能變 換技術(shù)研究，中

12、、高壓電網(wǎng)的安全性研究等；電力控制模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括電力系統(tǒng)智能化綜合 監(jiān)控與管理技術(shù)研究等；能量儲(chǔ)存模塊關(guān)鍵技術(shù)研究等等。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，電力的產(chǎn)生、維護(hù)、 管理就成為船舶的生命線，船舶綜合電力系統(tǒng)總體技術(shù)的研究必須取得突破。,普及電力推進(jìn)系統(tǒng)需要研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),船舶電力系統(tǒng)適裝性技術(shù)研究。電力推進(jìn)系統(tǒng)裝備船舶，不僅需要研究其與船舶總體的關(guān)系，還應(yīng)考慮 其與船上其他系統(tǒng)、設(shè)備的關(guān)系。需主要開展以下方面的研究：系統(tǒng)裝備于船舶的適裝性問題，并研究與 此相關(guān)的對(duì)船舶安全性、可靠性等的影響，以及系統(tǒng)對(duì)船舶海洋環(huán)境的適裝性問題等；解決系統(tǒng)內(nèi)部及與 其他船用電子設(shè)備之間的電磁兼容性問題。,結(jié)束語,船舶電力推進(jìn)技術(shù)的興起是現(xiàn)代電力電子技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。盡管目前電力推進(jìn)需較高的初投資，維護(hù) 管理難度大，但能通過船舶營運(yùn)后節(jié)能、增加艙容和贏利來彌補(bǔ)。隨著電力電子器件的改進(jìn)，電機(jī)控制技 術(shù)和諧波抑制技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)器和推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的成熟，必將進(jìn)一步降低電力推進(jìn)的初投資?？梢灶A(yù)見， 科技的進(jìn)步必