船舶电力推动系统的现状及发展前景

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我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚，但在原动机、发电机、 配电、变频调速等关键技术方 面有一定的工业基础。目前我国在船用大功率 永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等设计与 制造方面与发达 国家还有很大差距。我国应进一步加强相关技术的研究和开发应用，积极参 与这一领域的 国际竞争，力争在市场上占有一席之地。
超导电磁推进技术
• 超导电磁推进技术是利用安装在船上的超导线圈产生的磁 场与通过海水的电流之间的作用，产生一个沿着 船的纵 轴方向的劳伦磁力，并由向船尾运动的海水喷射而获得推 力。
• 美国于 1980 年完成了 300 kW 的电磁推进船海上试验， 并制造了 2250 kW 的样机。 日本于 1985 年成立了“超 导电磁推进开发委员会”，开始从事超导电磁推进船的开 发工作。1992 年，世界上第一艘载人超导电磁推 进船 “大和一号”在日本神户港正式试航成功，标志着超导电 磁推进技术进入实用阶段。
•Hale Waihona Puke Baidu
船舶电力推进技术的兴起是现代电力电子技术进步的必然结果。尽管目前电 力推进需较高的初投资，维护 管理难度大，但能通过船舶营运后节能、增加 舱容和赢利来弥补。随着电力电子器件的改进，电机控制技 术和谐波抑制技 术的发展，推进器和推进电机技术的成熟，必将进一步降低电力推进的初投 资。可以预见，科技的进步必将为电力推进技术提供更加广阔的市场，也将 成为船舶推进装置的主要发展方向 。
(2)推进电机技术研究。推进电机是电力推进系统的重要组成部分。电力推进的一个主要研究内容就 是推进 电机交流化，其核心是电力变换器与交流推进电机的技术组合。未来电力船舶对推进电机单 机容量的需求 日益增大，直流推进电机因受极限功率的限制，已不能满足要求。随着电力电子技术、 现代控制理论技术 的发展，研发新型高功率的推进电机技术也是刻不容缓。
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电力推进系统的优点
• • • • • 空间配置灵活。 节省燃油，提高经济性。 提高了船舶的操纵性。 振动小，噪音低。 提高了船舶的安全性。
普及电力推进系统需要研发的关键技术
1)全船电力系统总体技术研究。由于电力推进系统的设计是当今先进的电力电子技术、交流调速技 术、电 机制造技术、永磁材料技术、计算机控制技术、原动机技术等的综合运用，技术含量高。许 多不同专业的 各个设备的研制需要相互协调，功能相当且接口一致。综合电力系统各个模块是否运 行良好并相互协调以 发挥系统最佳效能，是事关整个系统优劣和良好运行的关键。需要开展构成综 合电力系统的各个模块，以 及各模块集成的技术研究，主要包括：发电模块关键技术研究，包括全 船环形电网关键技术的研究；配电 模块关键技术研究，主要包括区域配电模式研究等；电力变换模 块关键技术研究，主要包括大容量电能变 换技术研究，中、高压电网的安全性研究等；电力控制模 块关键技术研究，主要包括电力系统智能化综合 监控与管理技术研究等；能量储存模块关键技术研 究等等。在船舶电力推进系统中，电力的产生、维护、 管理就成为船舶的生命线，船舶综合电力系 统总体技术的研究必须取得突破。
船舶电力推动系统的现状及发展前景
• 船舶电力推进系统已有近百年历史，但是由于受各种因素 制约，发展缓慢，且大多数只应用在特种船舶上。 从 20 世纪 80 年代起，供电系统、推进电机和微电子及信息技 术的迅猛发展，使船舶电力推进装置打破了 长期徘徊局 面，得到了大力的发展。电力推进系统基本由机械原动机 (柴油机、燃气轮机或核动力)构成， 用以驱动交流发电机， 发电机再为推进电动机提供动力。电动机可能是直流、交 流同步电动机或交流感应 电动机。同传统的机械推进方 式相比，采用电力推进系统的船舶在经济性、振动噪声、 船舶操纵、布置和 安全可靠性等方面具有明显优点。船 舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、 拖动、推进、 储能、监控和电力管理，是现行船舶平台 的电力和动力两大系统发展的综合；它不是电力推进加自 动电站 的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置、 技术等均发生重大变化，给未来的船舶带来一场革命。
潜艇燃料电池电力推进装置
• 艇燃料电池电力推进装置是以燃料电池为潜艇水下航行动 力源的推进装置。燃料电池是一种能把化学能 直接转换 成电能的能量转换装置，电池本体加上燃料、氧化剂及它 们的贮存器构成一个完整的燃料电池系统。其特点是：在 能量转换方式上与蓄电池相同，都是化学能转换成电能， 因此具有安静、效率高的优点； 在构成方式上则与柴油 发电机组相似，即贮能部分(贮存燃料及氧化剂的贮存器) 与能量转换装置部分相分 离，因此具有长时间连续工作 的能力(只要燃料和氧化剂足够)，而不像蓄电池那样需要 来回充放电。各国 曾主要研究过两种潜艇用燃料电池： 氢-氧电池和肼-过氧化氢电池。近年来，燃料电池研究取 得了一些重大的技术突破。例如：潜艇上液态氧贮存器采 用新式壳体结构，有些 国家研究了用氢化物制取氢的方 法等。
吊舱式电力推进系统
• 吊舱式电力推进系统是当今备受推崇的一种推进方式。它是一种全方 位转动的装置，电动机位于吊舱内， 直接驱动螺旋桨。该系统的操纵 性能和推进效率非常好，而且由于不需要轴系、舵及助推器，节省了 大量 的空间，减轻了自身重量，降低了噪声和振动，机动性能更佳， 安装也更方便。在民用船舶推广电力推进过程中，促进了吊舱式推进 模块的发展。这是一种特殊的推进模块，尽管它的体 积不大，却能够 代替完整的传统轴系。 • 吊舱式推进的主要优点如下：①吊舱可以 360°转动，向各个方向发 出推力，为舰船提供了更快、更安全的机动性能。舰船可以在各种气 候和紧急条件下实施机动，大约可减 少 20％的反应时间，舰船制动 的距离更短。②节省燃料，极大减少废气排放。③降低了振动和噪声。 ④维 修工作量小。⑤推进装置可在舰船建造后期进行安装，不会与其 他建造工序发生冲突。⑥可采用对转螺旋 桨等推进技术，改善空泡性 能和提高效率。因此，吊舱式电力推进对舰船技术的发展具有重要意 义，它将 是未来舰船的主要推进方式之一。近年来，由于一些大型船 舶的需要，吊舱式电力推进装置的功率已经达 到几万千瓦，技术也日 趋成熟。
(3)船舶电力系统适装性技术研究。电力推进系统装备船舶，不仅需要研究其与船舶总体的关系，还 应考虑 其与船上其他系统、设备的关系。需主要开展以下方面的研究：系统装备于船舶的适装性问 题，并研究与 此相关的对船舶安全性、可靠性等的影响，以及系统对船舶海洋环境的适装性问题等； 解决系统内部及与 其他船用电子设备之间的电磁兼容性问题。
船舶电力推进装置
• 常用船舶电力推进装置一般由下述几部分 组成：原动机、发电机、电动机、螺旋桨 以及控制调节设备。 • 船舶电力推进系统的方案分类:永磁电机技 术、超导电磁推进技术、潜艇燃料电池电 力推进装置、吊舱式电力推进系统
永磁电机技术
• 现代永磁电机采用稀土材料励磁，不仅使 电机尺寸大大减小，重量减轻，而且使之 维护方便，运行可靠， 效率提高。与同容 量的异步电动机相比，永磁电机效率提高 了 4％～13％，功率因子提高了 5％～20％。 但 由于转子磁场强度受到当前永磁材料的 限制，10～30 MW 额定功率的永磁电动机 的设计仍面临极大的困 难。