船舶電力推進第二講第一頁，共57頁。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型直流推進:可控硅整流器+直流電動機交流推進變距槳+交流異步電動機電流型變頻器+交流同步電動機交一交變頻器+交流同步電動機電壓型變頻器+交流異步電動機永磁電機推進：

交流方波驅動的永磁無刷直流電動機交流正弦波驅動的永磁同步電動機第二頁，共57頁。船舶電力推進裝置選擇：價格、功率范圍、推進效率、起動電流、起動轉矩、動態(tài)響應、轉矩波動、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標。重點和關鍵技術：調速實現(xiàn)能量轉換和電氣傳動SiemensV/F矢量控制技術：SSPABBDTC直接轉矩控制技術：AZIPOD第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第三頁，共57頁。

1970年代以前，船舶電力推進系統(tǒng)中，直流電動機占據(jù)主導地位。1940和1950年代，推進系統(tǒng)采用原動機一直流發(fā)電機一直流電動機形式，通過調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小和方向，調節(jié)電動機轉速及轉向，直流電機轉速調整范圍寬廣和平滑，過載起動和制動轉矩大，逆轉運行特性好；調速簡單、性能好；結構復雜、維護困難。D.C.M存在功率極限和轉速極限。1、直流推進可控硅整流器+直流電動機

第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四頁，共57頁。1950年代末，大功率可控靜態(tài)電力變流元件研制成功，可控硅整流裝置出現(xiàn)，直流電力推進系統(tǒng)演變成可控整流器加直流電動機模式。晶閘管的問世加速了這種推進技術的發(fā)展，拓展了其應用領域。至今，該種推進形式仍不失為一種高效、經(jīng)濟的推進方案。

可控硅整流器+直流電動機系統(tǒng)，采用全橋式晶體管整流器為一個電樞電流可控的直流馬達供電。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型1、直流推進可控硅整流器+直流電動機

第五頁，共57頁。?控制晶閘管導通角：改變觸發(fā)電路輸出脈沖的相位，從而改變直流電機的電樞電壓，再由此改變電樞電流，實現(xiàn)電機速度的平滑調節(jié).第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型?可控整流電路調節(jié)勵磁電流，使電動機能夠在轉速一轉矩坐標的任一象限運行。可控整流電路最基本的變量是控制角α(從晶閘管承受正向電壓起到加觸發(fā)脈沖使其導通的瞬間，這段時間對應的電角度)。α與各電壓、電流之間的關系決定了可控整流的基本特性。功率因數(shù)與轉速成正比，在0～0.96之間。1、直流推進可控硅整流器+直流電動機

第六頁，共57頁。優(yōu)點：

控制角α的控制范圍，理論上是0～180°；實際上一般在15～150°，是考慮到電網(wǎng)的壓降，確保電機可控，控制角α確保留有換流邊界；

起動電流及起動轉矩接近于零；

動態(tài)響應一般小于100毫秒。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型1、直流推進可控硅整流器+直流電動機

第七頁，共57頁。

缺點：

轉矩控制不夠精確，若要得到精確平滑的轉矩控制，必須提高電樞感應系數(shù)，但會引起系統(tǒng)動態(tài)性能減弱，功率因數(shù)偏低，增加系統(tǒng)損耗；直流電機驅動需要的換向器，是一個易發(fā)生故障的部件；會對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染，因為采用了大功率電力電子器件；直流電動機固有的結構復雜、成本高、體積大、維護困難、效率低等缺點，阻礙了它在船舶電力推進領域的廣泛應用。目前，船舶推進所應用的直流推進電機的容量，在2～3MW之間。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型1、直流推進可控硅整流器+直流電動機

第八頁，共57頁。2、交流推進

交流電力推進系統(tǒng)的應用，已經(jīng)成為船舶電力推進發(fā)展的主流。交流電動機具有輸出功率大、極限轉速高、結構簡單、成本低、體積小、運行可靠等優(yōu)點。船舶交流電力推進占主導地位，交流電機包括交流異步電機、交流同步電機、永磁同步電機等。PWM變頻驅動：功率因數(shù)高、轉矩控制平滑。只有潛艇，仍是直流推進占主導地位。SiemensV/F矢量控制技術：SSPABBDTC直接轉矩控制技術：AZIPOD第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第九頁，共57頁。

交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Directonline)模式，多采用鼠籠式感應恒速電機驅動變距槳實現(xiàn)，船速的控制靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數(shù)轉換開關實現(xiàn)電機速度控制。優(yōu)點?幾乎沒有影響電網(wǎng)的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件；?電動機轉矩穩(wěn)定沒有脈動；?在設計點運行時效率很高。交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型2、交流推進第十頁，共57頁。

缺點

交流異步感應電機起動瞬間電流較大，通常是正常電流的5～7倍，系統(tǒng)電網(wǎng)壓降大；

起動瞬間機械軸承受的轉矩大，約為額定轉矩的2～3倍；

極低航速，螺距近似為0時，仍要消耗額定功率的15％，電流約為正常值的45～55％；

功率因數(shù)低，滿負荷時也只能達到0.85；

功率及轉矩的動態(tài)響應慢，一般3～5秒才能完成，因為采用液壓機構完成螺距的變換；

反轉慢，制動距離長；

變距槳的液壓控制系統(tǒng)十分復雜，并工作在水下，故障維修時需進塢；

變距槳結構復雜，可靠性差，價格貴。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式2、交流推進第十一頁，共57頁。

為了防止起動時電流和扭矩過大等不利影響，以及滿足規(guī)范對船舶電站壓降的要求，這種電力推進方式啟動時必須采用船舶電站規(guī)定啟動大電機需要的最小臺數(shù)運行機組，以及電機采用Y一△啟動、軟啟動器啟動等方式。這種推進方式只適合于中、小功率船舶，或1000kW以下的側推裝置，因為微軟起動器目前還只有中、小功率的低壓產(chǎn)品。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式2、交流推進第十二頁，共57頁。

電流型變頻器+交流同步電動機(CSI+Synchronousmotor)(1)電流型變頻器CSI(CurrentSourceInverter)

由整流器、濾波器、逆變器等三部分組成。

工作原理是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉變?yōu)轭l率可調的交流電，供給推進電動機。

電流型變頻器的直流中間環(huán)節(jié)，采用大電感濾波，直流電流波形平直，對電動機來講，基本上是一個電流源。改變整流電路的觸發(fā)角，就改變了中間直流環(huán)節(jié)的電壓，相當于直流電動機的調壓調速；改變逆變電路觸發(fā)脈沖的順序，即可改變推進電動機的轉矩方向，控制推進電動機轉向，從而使控制電路大大簡化。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型2、交流推進第十三頁，共57頁。(2)SYNCHRO電力推進交流電通過三相橋式全控整流電路以及平波電抗器，再經(jīng)過逆變器轉換后向交流同步電機供電，此種推進方式通常被稱為SYNCHRO電力推進。

SYNCHRO輸出頻率，受同步電機轉子所處角度控制：

每當電機轉過一對磁極，變流裝置的交流電輸出相應地交變一個周期，保證變頻器的輸出頻率和電機的轉速始終保持同步，不會出現(xiàn)失步和振蕩。

系統(tǒng)功率因數(shù)根據(jù)電機速度，從額定速度時的0.9到低速的0之間變化。

SYNCHRO電力推進系統(tǒng)主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結構形式，諧波成分比較固定，消除比較容易。

12脈波SYNCHRO電力推進系統(tǒng)，如果在電網(wǎng)側并聯(lián)有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網(wǎng)質量可以滿足船級社的規(guī)定，故12脈波的SYNCHRO電力推進系統(tǒng)應用較多。

電流型變頻器+交流同步電動機(CSI+Synchronousmotor)第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第十四頁，共57頁。SYNCHRO電力推進系統(tǒng)缺點

低速運行時，電流型變頻器將電流控制在零附近脈動，轉矩輸出也存在脈動，給軸系帶來振動；

時間常數(shù)較大(由于直流電同感性負載相連)，所以系統(tǒng)動態(tài)響應較差；

電流型逆變電路中的直流輸入電感數(shù)值很大才能夠構成一個電流源，使直流回路電流恒定，所以電感重量、體積都很大，使得電流型逆變器使用受到一定限制。

電流型變頻器+交流同步電動機(CSI+Synchronousmotor)第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第十五頁，共57頁。SYNCHRO電力推進系統(tǒng)?起動電流接近等于零，起動轉矩最高可達50％額定轉矩；?價格上有一定的優(yōu)勢；?控制方便，操作靈活；?能匹配特大功率電機，目前已達40～60MW。10MW以上容量的電力推進裝置，ALSTOM公司和STNATLAS公司傾向于選擇SYNCHRO電力推進。

電流型變頻器+交流同步電動機(CSI+Synchronousmotor)第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第十六頁，共57頁。4交-交變頻器+交流同步電機CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交-交變頻器或循環(huán)變頻器。該變頻器廣泛應用于大功率、低速范圍內的交流調速，其調速上限不超過基頻的40％。

交-交變頻器+交流同步電機(Cycloconverter+Synchronousmotor)驅動方式，采用CYCLO變頻器，通過控制一個可控的橋式反并聯(lián)晶閘管，選擇交流電源的不同相位區(qū)間向交流同步電機提供交流電。雙繞組電動機，就是電動機定子裝有2套同功率但空間相位差30°的繞組，分別由一套6脈波三相輸出交一交變頻裝置供電。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第十七頁，共57頁。

變頻裝置輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路：一組晶閘管整流電路提供正向輸出電流，另一組提供反向輸出電流。構成這種交-交變頻裝置的三相橋式電路，在一個輸出周期中三相電流有六次過零，帶來六次轉矩波動，所以這種交-交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻裝置，是最基本的類型，應用廣泛。

與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有系統(tǒng)響應速度快、諧波含量少、損耗降低、轉矩脈動低等優(yōu)點。其缺點是所需電子元件數(shù)量大，對于6脈沖電路需要36個晶閘管，而12脈沖電路需要72個晶閘管，因而增加了成本。

SIEMENS公司，針對雙繞組同步電動機提供了12脈波交一交變頻裝置。4交-交變頻器+交流同步電機第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第十八頁，共57頁。

交-交變頻推進的特點起動平穩(wěn)，起動電流(轉矩)可從零起逐漸加大；轉矩脈動平滑；

功率及轉矩動態(tài)響應快，一般小于100毫秒；電力系統(tǒng)內諧波高低取決于電機速度；

系統(tǒng)功率因數(shù)由電機電壓決定，通?？蛇_0.76；

滿負荷時效率高；

變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅動螺旋槳。這種驅動方式，性價比高，應用比較廣泛。根據(jù)國外經(jīng)驗，交-交循環(huán)變流器主要用于速度極低、轉矩極高的場合，典型的例子就是破冰船。目前單個電力驅動系統(tǒng)的功率范圍在2～30MW之間。針對特大功率低轉速推進船舶，ABB和SIEMENS公司傾向于采用CYCLO電力推進方式4交-交變頻器+交流同步電機第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第十九頁，共57頁。電壓型變頻器+交流異步電動機

電壓型變頻器VSI(VoltageSourceInverter)，與電流型變頻器CSI(CurrentSourceInverter)同屬于交-直-交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流電路將電網(wǎng)來的交流電轉換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉變?yōu)轭l率可調的交流電，供給推進電動機。

電壓型變頻器的中問環(huán)節(jié)采用大電容，對電動機來講，基本上是一個電壓源。隨著電力電子器件的發(fā)展，電壓型變頻器發(fā)展成新型的脈寬調制型(PWM)，整流器用二極管組成，逆變器用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)組成。

IGBT是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數(shù)產(chǎn)品為此類型，并有低壓及中壓規(guī)格。IGBT特點：線路簡單、功率因數(shù)高、諧波少、調速范圍寬和響應快。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十頁，共57頁。

這種驅動方式采用二極管將交流電整流后，再通過PWM變頻直流電斬波后向電機提供電壓和頻率均可調節(jié)的交流電。采用二極管整流器，可保持電力系統(tǒng)能在任何電機速度的時候功率因數(shù)接近0.95。相比CSI和CYCLO驅動，PWM驅動的系統(tǒng)諧波含量最少，用三芯變壓器為變頻器提供12半周的電源還可進一步減少諧波含量。

PWM電壓型變頻器中，西門子采用IGBT器件進行矢量控制，ABB采用IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉矩控制。從控制原理來說，兩者都是用數(shù)字技術，通過計算機將電動機電流分解成轉矩分量和磁通分量分別進行控制，以達到類似于直流電機的動態(tài)特性。電壓型變頻器+交流異步電動機第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十一頁，共57頁。

通過PWM型變頻器控制后：

系統(tǒng)電源輸出的頻率范圍較寬；

功率及轉矩的動態(tài)響應快(小于10毫秒)；

與高速鼠籠式感應式電機(900～1200r／min)匹配，在任何速度都能保持轉矩平滑輸出；

若采用矢量控制器，在零速度的時候仍能保持轉矩穩(wěn)定輸出；

起動平穩(wěn)，起動電流(轉矩)可從零起逐漸加大；

在任何負載狀況下均有很高的功率因數(shù)(約為0.95)：

低速時功率損耗小；

推進效率高。

目前應用PWM驅動的單機功率可達8MW(3300V)，價格偏貴。

在中小功率范圍，包括部分大功率的電壓型變頻器中，以規(guī)模及市場占有率來看，應以SIEMENS和ABB兩家為主，而ALSTOM和STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO變頻器。電壓型變頻器+交流異步電動機第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十二頁，共57頁。3.根據(jù)推進和供電方式分類獨立電力推進(單一電力推進)柴油發(fā)電機組-推進電動機第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十三頁，共57頁。機械電力聯(lián)合推進

電力推進低速航行、柴油機推進中速航行、主機和電機聯(lián)合推進高速航行、主機推進和軸帶發(fā)電方式第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十四頁，共57頁。電力負載兼顧的電力推進第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十五頁，共57頁。傳統(tǒng)蓄電池+柴油發(fā)電機的特殊電力推進柴油機兼顧機械推進和發(fā)電，電機兼顧發(fā)電機和電動機第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十六頁，共57頁。現(xiàn)代蓄電池+熱力發(fā)電機組的電力推進

電油雙混合充電的交-直-直、交-直-交模式渦輪發(fā)電機組或柴油發(fā)電機組供電與岸電充電相結合第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十七頁，共57頁?，F(xiàn)代交流發(fā)電機、電動機交-交電力推進交-交變頻調速，大量船舶所采取的方法第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十八頁，共57頁?，F(xiàn)代蓄電池岸電充電的直-直、直-交模式電力推進交-交變頻調速，大量船舶所采取的方法第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第二十九頁，共57頁?，F(xiàn)代蓄電池加風光電充電的直-直、直-交模式電力推進第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第三十頁，共57頁?，F(xiàn)代蓄電池加風、光、電、油、氣綜合能源充電的交-直-直、交-直-交模式電力推進第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第三十一頁，共57頁。船舶電力推進系統(tǒng)組成第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第三十二頁，共57頁。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第三十三頁，共57頁。第三十四頁，共57頁。第三十五頁，共57頁。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第三十六頁，共57頁。第三十七頁，共57頁。第三十八頁，共57頁。第三十九頁，共57頁。5船舶吊艙式電力推進的基本原理5.1吊艙推進器簡介吊艙式推進器的設計概念源自破冰船，由芬蘭KcaemcrMasa-Yard和ABB公司在1989率先提出，此后各國先后進行了比較深入的研究，逐步形成了這種將電機置于槳轂中間直接驅動螺旋槳的吊艙式推進系統(tǒng)的方案。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十頁，共57頁。（1）ABB公司的Azipod推進器（2）Mermaid推進器（3）SSP推進器（4）Dolphin推進器第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十一頁，共57頁。吊艙式SSP推進器第四十二頁，共57頁。吊艙式SSP推進器第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十三頁，共57頁。5.2吊艙電力推進系統(tǒng)傳統(tǒng)的柴油機—發(fā)電機組電力推進系統(tǒng)一般包括柴油機、主發(fā)電機、高低壓配電盤、變壓器、變頻器、電動機、螺旋槳、船用變壓器、諧波濾波器、控制系統(tǒng)等，仍采用傳統(tǒng)的推進裝置，即電動機通過傳動軸系與螺旋槳相連。吊艙電力推進則是將推進電機置于船外的吊艙中，發(fā)電機和電動機的能量通過電纜傳輸，省去了舵和軸系。全船采用統(tǒng)一電站提供能量，進行全船平衡，極大的提高了船舶設計的靈活性，減少了總裝機功率。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十四頁，共57頁。9.1.2吊艙電力推進系統(tǒng)第四十五頁，共57頁。5.3吊艙電力推進的關鍵技術（1）推進電機技術（2）變頻調速技術（3）吊艙密封技術第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十六頁，共57頁。5.4船舶吊艙式電力推進的性能和特點軸式推進器與吊艙推進器結構形式對比第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十七頁，共57頁。吊艙推進器優(yōu)點：（1）采用體積小、重量輕的中高速柴油發(fā)電機組有利于艙室布置。（2）根據(jù)不同負載的情況，燃料利用率得以提高。（3）重新設計的船尾結構具有很好的水動力特性。（4）推進電機本身噪聲小；原動機恒速運行，結構噪聲小。（5）吊艙單元可以360°轉動，起到舵的作用，轉向更為靈活。（6）集成化、微型化、數(shù)字化。（7）可以省去冷卻系統(tǒng)或冷卻空氣管道和冷卻風扇,從而節(jié)省空間。（8）提高了船舶的安全性，操作簡便（9）對于雙槳船而言，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)推進器相比，對動力的需求有所降低第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十八頁，共57頁。

從軍事意義上來講，吊艙電力推進還有以下特性：（1）對于雙槳船而言，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)推進器相比，對動力的需求有所降低。（2）艦艇的整體性能取決于其攻擊力和全船設備的兼容性。（3）艦艇的隱身性能也取決于其噪聲大小。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第四十九頁，共57頁。

作為吊艙電力推進系統(tǒng)動力核心的推進電機一般采用同步電動機（SSP推進器系統(tǒng)采用永磁式同步電動機），這是因為同步電動機有以下特點：（1）電機的轉速和電源的基波頻率之間保持著同步關系。（2）同步電動機較異步電動機對轉矩的擾動具有較強的承受能力，能出現(xiàn)較快的響應。（3）從轉速調節(jié)范圍來看，同步電動機轉子有勵磁，即使在很低的頻率下也能運行，調速范圍比較寬。（4）從節(jié)能方面和成本上考慮，同步電動機也優(yōu)于異步電動機。第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第五十頁，共57頁。5.5吊艙式對轉螺旋槳（CRP）系統(tǒng)的結構原理和特點在螺旋槳推進軸線上的兩根同心軸上，一前一后布置有兩個螺旋槳，前后螺旋槳分別安裝在同一軸線上的內外兩根軸上，后螺旋槳安裝在內軸上，通過推力軸承和主機相連，類似于單螺旋槳系統(tǒng)的結構；前螺旋槳則是安裝在外軸上，通過反轉齒輪機構使其轉動方向和后螺旋槳的轉動方向相反，柴油主機的輸出功率按比例分配給前后螺旋槳。結構原理如圖：第二講：船舶電力推進系統(tǒng)類型第五十一頁，共57頁。

在對轉螺旋槳推進系統(tǒng)中，由于前后槳的轉動方向相反，使得尾流的旋轉損失減少，前螺旋槳產(chǎn)生大的未被有效利用的渦動能量在后一螺旋槳上得到了利用，轉化為有效的推進力，故而效率較普通螺旋槳為高。優(yōu)點有：負荷降低有利