船舶电力推进系统

电力推进系统
1引言
传统的船舶推进方式利用柴油机带动螺旋桨推动船舶前进，但是随着人类环保意识的进一步加强，国际海事组织（IMO）对排放（尤其是对 NOX 与 SOX 的排放）提出了严格的要求。

燃用低质燃油受到限制。

石油资源的短缺、燃油价格的上涨进一步影响了船舶营运者的利益。

船舶制造商和船舶柴油机生产商采取各种措施提高营运中的经济利益。

与此同时，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，并在多型船舶上应用。

国内在此领域内的研究则刚刚起步。

作为船舶主动力系统的电力推进系统，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护，正成为水面船舶青睐的主推进系统。

2电力推进系统组成
电力推进系统一般由电站（柴油发电机组、配电盘、变压器）、变频器、推进电机变频异步电动机（驱动螺旋桨）、一般动力负载（辅助机械需要的电动机如各种泵）、螺旋桨、
控制设备等其他负荷组成
电力系统基本结构
1．电站（柴油发电机组、配电盘、变压器）
电站由柴油发电机组和一套主配电板组成。

在电力推进的船舶上，一般配置 2~3 台航行柴油发电机组，另加一台停泊发电机组。

发电机组通常供电给一个 380V 或 690V 的低压电网，为船上的电力推进系统和其他主要设备供电。

对电力需求量较大的特种工程船舶来说，电站的用电设备多、容量大，可能采用 3.3KV 中压电网，以降低电网传输电流，减小发电机体积。

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。

交流推进电动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。

目前常用的变频器有三种：同步变频器（交-交变频器）、循环变频器（交-直 -交变频器）和脉宽调制变频器。

间接变频方式的工作原理是先将电网输入的交流电变为直流电，然后再在变流电路中将直流转变为频率可调的交流输出。

变频器具有结构简单、输出频率变化范围大、功率因数高、谐波易于消除、可应用于各种大功率设备等优点。

3.推进电机
目前应用在船舶上的推进电动机主要有异步电动机、励磁同步电动机和永磁同步电动机三种。

交流异步电动机结构简单，价格低廉，维护方便，在中小型船舶上应用较广。

但是异步电动机的低速动态性能较差，并且运行时需要无功功率，降低了功率因数。

励磁同步电动机气隙较大，能承受冲击，励磁损耗小，功率因数可以为 1，但造价较高，主要应用在中大型船舶上。

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、转矩密度高的特点，由其构成的推进系统噪声低、效率高、维护性好，因此对于船舶来说更具有发展潜力。

4．推进装置
目前，电力推进系统主要采用 3 种推进装置：轴系推进、全方位推进和吊舱式推进。

中小船舶多采用轴系推进或全方位推进。

在轴系推进种，卧式变频电动机可直接连接到螺旋桨轴上，从而使系统结构更简单牢固。

电动机也可以通过减速齿轮箱与螺旋桨轴连接，从而提高电动机的转速，减小电动机体积。

全方位推进装置是一种可以自由回转的推进器，能产生任何方向的推力，根据其齿轮传动方式，分为 Z 型和 L 型两种。

与全方位推进装置相类似，吊舱式推进装置也可以自由回转，能够产生任何方向上的推力，其主要不同之处在于后者直接将电动机和螺旋桨集成在一个封闭的吊舱中，并浸没在船体下方的水中。

3电力推进系统各部分的原理及介绍
3.1柴油发电机组：由一台或多台发电机和控制系统组成，又叫发电机组。

柴油发电机组是以柴油机作为原动机，拖动同步发电机发电的一种设备。

是一种起动迅速、操作维修方便、投资少、对环境的适应性能较强的发电装置。

柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能并供给给船舶。

在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。

柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。

各汽缸按一定顺序作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。

将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

3.2配电盘：配电盘是集中、切换、分配电能的设备。

基本原理：主配电盘把上一级发电设备的电能分配给负荷。

对负荷提供保护、监视和控制。

主要用途是：方便停电、送电，起到计量、保护的作用和功能，当发生电路故障时有利于检修。

3.3变压器：变压器主要应用电磁感应原理来工作。

具体是：当变压器一次侧施加交流电压U1，流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，即U1/U2=N1/N2,但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化。

3.4变频器：交流电力推进系统的主要特点是主回路电流为交流，因电力电子器件的局限性交流电力推进的调速主要通过改变原动机的转速来进行调节。

为了使交流电动机具备宽调速范围、高稳态精度、快速动态反应等良好性能。

采用变频器直接驱动交流推进异步电动机的方法得到广泛应用。

变频器基本原理：变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

3.5交流异步电动机：交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。

它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。

对定子绕组通往三相交流电后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。

3.6螺旋浆：螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器。

4.用以下配置设计电力推进系统
柴油发电机组：额定电压UN=400V；额定频率为fN=50HZ，额定容量SN=175KVA；两台
变频器：类型为6脉冲电压为380v；输入功率为157KVA
变频异步电动机：三相380v；0～50HZ；110KW；
一般动力负载：额定电压UN=380V；额定频率为50HZ；额定视在功率为
SN=30KVA
变压器：电压等级为400/220v；额定容量为40KVA
其他负荷：电压为220V；视在功率为72KVA
本次设计采用的变频器为AC-DC-AC结构主要由逆变器和整流器两部分，整流器为6脉波。

其电路原理图如下所示
6脉冲变频工作原理
整个系统图
5.结语
船舶推进系统的选择对船舶的可靠性和经济性起着决定性的作用。

随着电力半导体技术、交流调速理论和微机理论的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟.这使得船舶电力推进系统的应用必将越来越广泛。

电力推进比较适合某些工作船，如那些频繁地变化转速需要很好的操纵性能的军船，大扭距工作的破冰船，长期工作在低负荷下，长时间使用动力定位的铺管布线船等; 低噪音低震动的地震船、渔船和豪华游轮; 需要节省舱容的 LNG 船等。