船舶电力推进系统组成及应用

伍赛特

1 船舶电力推进系统

船舶电力推进是利用推进电机驱动螺旋桨转动，从而推动船舶前进的一种推进方式。与电力推进相适应的推进装置主要有常规推进器和吊舱推进器两种形式。船舶实现发电、配电与电力推进用电及其他设备用电统一调度和集中控制的系统称为船舶综合电力推进系统。

船舶电力推进自应用电池至今已有160余年的历史，故电力推进也算得上是一种古老的推进方式了。

20世纪的前期，汽轮机初次在舰船上应用，由于大功率机械减速装置在制造工艺上尚有一定的困难，所以从护卫舰到航空母舰等许多军用舰船、油船、客货船以及许多大型民用船舶等都采用了电力推进，并发展了各种形式的电力推进装置。第二次世界大战后，随着科学技术的进步，已可批量生产能满足舰船动力要求的齿轮减速装置，而当时技术条件下的电力推进装置又由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故舰船又大量采用柴油机、汽轮机或燃气轮机的直接传动推进。但是，由于电力推进的特殊优点——无比优越的灵活性，常规潜艇、工程船、破冰船等一些要求良好操纵性、转矩特性和响应特性的特殊用途舰船仍然广泛采用电力推进。

20世纪70年代以后，电子技术向大功率方向高速发展，以开关技术为基础的功率电子技术不但不断地提高开关的频率，而且朝着智能化、模块化的方向发展。具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用，然后又逐步发展到舰船上。功率电子技术不仅彻底改变了舰船能量变换的面貌，而且使原先船舶电力推进存在的一些缺点发生根本性的转化，其优点和长处得到进一步发扬。

20世纪80年代以来，高新技术有了很大发展。例如，进入实用阶段的永磁电机可以给舰船电力推进设备带来更小的体积和质量；超导技术和燃料电池的研究已在某些技术领域有了一定的进展。这些技术一旦有所突破将会给电力推进带来更深刻的变化，使电力推进对原动机直接传动推进形成压倒性优势。

电力推进作为船舶的新型推进动力，世界各国都在进行深入的研究。国外已经开发了多种类型的电力推进系统，并在多种类型船舶上应用。国内在此领域的研究则刚刚起步。作为船船主动力系统的电力推进系统，正成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。目前，发达国家新造船舶的30%已采用电力推进系统。

2 船舶电力推进系统的组成

电力推进系统由电站、配电板、变压器、谐波抑制器、变频器、推进电机、监控系统、螺旋桨等组成。

2.1 电站

电站由柴油发电机组和一套主配电板组成，柴油发电机组通常供电给一个6.6 kV的中压电网，为船上的电力推进系统和其他主要设备供电。对电力需求量大的船来说，系统中柴油机有被其他原动机取代的可能。在某些情况下可以换成更大功率、更紧凑的燃气轮机发电机组。在这种情况下，涡轮机的排气热量还可由废热发电装置回收。该装置由一套蒸汽发生器和汽轮发电机组成。中压配电板确保电力的分配。大多数综合电力推进系统有一个6.6 kV的电网，其频率是50 Hz或者60 Hz。

2.2 变频器

交流推进电机的控制或变速驱动依赖于变压变频技术。交流推进电机的调速主要采用变频调速，这就要求向交流电机供电的电源能够同时改变电压和频率。目前常用的三种变频器有同步变频器（交一交变频器）、循环变频器（交一直一交变频器）和脉宽调制变频器。从谐波来说，交一交变频器最多，脉宽调制变频器最少，但功率正好倒过来，所以大型船舶（通常5 MW以上）大都采用交一交变频器。

2.3 推进电机

2.3.1 交流电机

用于电力推进的交流电机可以是异步电机和同步电机。异步电机结构简单，不需要电刷装置。同步电机气隙较大，能承受冲击，励磁损耗小，功率因数可以为1。

2.3.2 永磁电机

随着永磁电机控制技术的发展，在船舶电力推进系统中趋于采用永磁同步电机，已有多种不同结构的永磁同步电机，其功率范围从几百瓦到应用于船舶推进的几兆瓦。永磁电机与常规电机相比具有功率密度高、效率高、维护性好等优点，因此对于船舶来说更具有发展潜力。

2.3.3 超导电机

目前的超导同步电机仍然是一种半超导电机，将超导磁体安装在转子上，用铜线绕制的主回路绕组放在定子上。作为推进用的超导电机具有体积小、效率高等优点，是一种最理想的船舶推进装置。

2.4 推进电动机与螺旋桨的连接方式

推进电动机与螺旋桨的连接方式有：

（1）低速电动机通过尾轴直接连接螺旋桨；

（2）中速电动机通过减速齿轮箱及尾轴连接螺旋桨；

（3）中速电动机通过Z型驱动带动螺旋桨一全回转；

（4）中速电动机通过Z型驱动带动对转螺旋桨一全回转；

（5）低速电动机在吊舱内直接带动螺旋桨一全回转。

3 电站管理及监控系统

3.1 电站管理系统

综合电力推进装置的电站管理系统设计采用同步运作方式取代常规的柴油发电机组降速耦合方式，保证了船舶电网频率的稳定性，从而满足高标准电源的要求，这种运作方式可以通过相互连接的计算机化的数字同步和负荷控制器来实现。这些控制器和可编程控制器相连，PLC处理上层功率管理任务、启动柴油机、发电机合闸、自动离闸、停机等。另外，在主开关柜的控制板上还提供后备操作模式。

3.2 电力推进监控系统

船舶电力推进的控制系统要求比较高，一般采用现场总线网络监控系统。监控系统由推进控制中心、推进操纵单元、舵角控制单元、报警以及监视单元组成。目前，部分电力推进监控系统采用光纤总线传输各种信号，其特点是传输的信息量大、速度快及抗干扰能力强。

3.2.1 推进操纵单元

推进操纵单元主要功能：启动、停止推进装置；控制推进装置的转速；控制舵角。

3.2.2 推进控制中心

推进控制中心主要由推进控制系统、功率和转速控制单元、扭矩控制单元组成。推进控制系统的主要功能：

（1）接受来自操纵单元的转速设定信号，处理后传送到功率和转速控制单元；控制操纵部位的转换；对推进系统的辅助装置（如冷却单元、变压器、风扇、液压装置等）进行监控；对系统总线进行监控；温度监测；提供操纵及显示接口。

（2）功率和转速控制单元则将推进控制系统传送过来的转速信号转变为电流（扭矩）信号，并传送到扭矩控制单元，而扭矩控制单元则根据收到的电流信号控制直接变频器内可控硅的触发脉冲，使得变频器输出电源频率发生变化，从而控制推进电机的转速。

3.2.3 舵角控制单元

舵角控制单元接到操纵单元传来的舵角指示后，通过高频连接装置向吊舱推进装置的方位舱发出控制信号，驱动液压马达使吊舱轴旋转，从而改变舵角及航向。

3.2.4 报警、监视单元

报警、监视单元可以监视推进系统的运行状态，并在系统发生故障时提供报警。

4 电力推进与柴油机推进的比较

以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶动力装置，曾对船舶及航运的发展作出了重要贡献，然而这类动力装置也因一些固有的缺陷阻碍了其进一步发展。例如：占据空间过大，以柴油机和汽轮机为主机的船舶，其机舱空间都被体积庞大的发动机、机械传动装置、减速器和轴系等占据，舱室空间利用率大大降低，有效载荷减小；工作环境差，以柴油机和汽轮机为主机的机舱内，不仅振动大、噪声高，而且油污多，废气排放影响空气质量，卫生条件差；主机大而高，系统复杂，增加维护难度，加重维护工作量。

船舶采用电力推进系统后，则上述柴油机推进系统的缺陷将被克服或改观，并具有下列优点：

（1）提高效率在一艘船上多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机运行台数，使机组始终运行于高效工作区，实现非设计工况最大的经济性。

（2）优化机舱采用电力推进系统后，机械噪声大幅度下降，振动减少，工作区整洁，减少废气排放，机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。

（3）维护减轻实现自动化监控，能很快发现问题，排除故障，可进行有针对性的适情和适时维护，既提高了适航性又减轻了工作量。原编制人员可减少50%～75%。

（4）性能提升采用电力推进系统后，操纵控制方便，启动加速性能好，过滤过程延时短，制动快，正反车速度切换快，可极大地提升船舶的操纵性，发挥出最佳的使用技术性能或战术技术性能。

（5）实现自控船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动控制，全面提升船舶信息化、智能化和自动化水准。

（6）提升战斗力大中型水面舰艇采用电力推进系统后，以高性能换来高机动性；以低噪声换来声学隐身效果；以单一的平台替代传统的动力与电力两大系统，为发展高能武器创造条件；以最少的人员编制达到常规舰船的满员效果；以最小的机舱换来更大的武器舱，增强战斗力。

5 电力推进系统在船舶动力装置领域的应用

电力推进也有其缺点：由于能量的多次转换，使其所需设备增多、总重量增加、初投资增大；能量损耗增加，设计工况经济性差。

对某些船舶来说，电力推进的优点是主要的，缺点是次要的，所以这些船舶就采用电力推进。如破冰船的螺旋桨被冰块挡住时，原动机就应限制输出转矩，甚至堵转，这只有电力推进可以做到。耙吸式挖泥船在耙泥作业时，航速约为2～3 kn，而当吸泥泵处于全负荷工作时，则将主机的全部功率转移到泥泵上；满载泥浆后，需全速航行到抛泥地点，此时泥泵停止工作，而将全部主机功率转移到主推进装置上。动力定位是一种可以不用锚系而自动保持海上浮动装置的定位方法。采用动力定位的海上浮动装置，在海上钻探作业时不需要抛锚，这不仅减少了复杂的抛锚工序，而且工作的水深亦不受锚系长度的限制，甚至可以在水深大于1000 m以上的深度进行工作。电力推进是最好的动力定位装置。

适合电力推进的不同种类船舶如豪华游轮、半潜式平台、渡轮、化学品船、科考船、布缆铺管船、渔船、浮式生产储卸船、穿梭油船、军用水面舰船、潜艇、平台供应船、调查船、救捞船等。

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