1、Marine Electric Propulsion1、Internal-combustion engine 船舶主機船舶主機2、Steam engine 3、Turbine: 4、Electric motor Power suppliesB&WMAN Suzler燃油、風能、太陽能、核能、蓄電池、燃料電池燃油、風能、太陽能、核能、蓄電池、燃料電池Steam、 GasD.C.M.A.C.M.Induction asynchtonous motor synchronous motor Permanent magnet motor Superconducting motor Shunt excit

2、ation Series excitation Compound excitation 5、combination electricship steam ship (steam-driven vessel) 船舶運動船舶運動propellerRudderbulk carrier oil tanker container dredger Semi-submerged ship passenger liner Submarine Fire vessel Salvage ship (Rescue vessel) Sea oil platform 船舶電力推進系統類型船舶電力推進系統類型直流推進直流推

3、進交流推進交流推進永磁電機推進：交流方波驅動的永磁無刷直流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交流正弦波驅動的永磁同步電動機 1970年代以前，主要采用直流電力推進系統，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。調速簡單、性能好；結構復雜、維護困難。D.C.M存在存在功率極限和轉速極限。功率極限和轉速極限。1、直流推進、直流推進2、交流推進、交流推進 交流電力推進系統的應用，已經成為船舶電力推進發展的主流。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

4、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：功率因數高、轉矩控制平滑。變頻驅動：功率因數高、轉矩控制平滑。只有潛艇，仍是直流推進占主導地位。Siemens V/F矢量控制技術：矢量控制技術：SSPABB DTC直接轉矩控制技術：直接轉矩控制技術：AZIPOD吊艙式SSP推進器 可控硅整流器可控硅整流器+直流電動機直流電動機 變距槳變距槳+交流異步電動機交流異步電動機 電流型變頻器電流型變頻器+交流同步電動機交流同步電動機 交一交變頻器交一交變頻器+交流同步電動機交流同步電動機 電壓型變頻器電壓型變頻器+交流異步電動機交流異步電動機

5、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、動態響應、轉矩波動、功率因數、功率損耗、諧波等指標。 重點和關鍵技術：重點和關鍵技術：調速 實現能量轉換和電氣傳動Siemens V/F矢量控制技術：矢量控制技術：SSPABB DTC直接轉矩控制技術：直接轉矩控制技術：AZIPOD1 可控硅整流器可控硅整流器+直流電動機直流電動機 1970年代以前，船舶電力推進系統中，直流電動機占據主導地位。1940和1950年代，推進系統采用原動機一直流發電機一原動機一直流發電機一直流電動機形式直流電動機形式，通過調節發電機勵磁電流的大小和方向，調通過調節發電機勵磁電流的大小和方向，調節電

6、動機轉速及轉向節電動機轉速及轉向。 1950年代末，大功率可控靜態電力變流元件研制成功，可控硅整流裝置出現，直流電力推進系統演變成可控整流器加直流電動機模式。晶閘管晶閘管的問世加速了這種推進技術的發展，拓展了其應用領域。至今，該種推進形式仍不失為一種高效、經濟的推進方案。 可控硅整流器可控硅整流器+直流電動機系統直流電動機系統，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。 控制晶閘管導通角控制晶閘管導通角：改變觸發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，實現電機速度的平滑調節； 可控整流電路調節勵磁電流可控整流電路調節勵磁電流，使電動機能夠在轉速一轉矩坐

7、標的任一象限運行。 可控整流電路最基本的變量是控制角 (從晶閘管承受正向電壓起到加觸發脈沖使其導通的瞬間，這段時間對應的電角度)。與各電壓、電流之間的關系決定了可控整流的基本特性。功率因數與轉速成正比，在00.96之間。 優點：優點： 控制角的控制范圍，理論上是0180；實際上一般在15150，是考慮到電網的壓降，確保電機可控，控制角確保留有換流邊界； 起動電流及起動轉矩接近于零； 動態響應一般小于100毫秒。 缺點缺點： 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，但會引起系統動態性能減弱，功率因數偏低，增加系統損耗； 直流電機驅動需要的換向器，是一個易發生故障的部件

8、； 會對船舶電網產生較大的諧波污染，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23MW之間。 2 交流異步電動機交流異步電動機+可調螺距螺旋槳可調螺距螺旋槳 交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Direct on line)模式，多采用鼠籠式感應恒速電機驅動變距槳實現，船速的控制靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數轉換開關實現電機速度控制。 優點優點 幾乎沒有影響電網的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件；電動機轉矩穩定沒有脈動；

9、在設計點運行時效率很高。 缺點缺點 交流異步感應電機起動瞬間電流較大，通常是正常電流的57倍，系統電網壓降大； 起動瞬間機械軸承受的轉矩大，約為額定轉矩的23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4555； 功率因數低，滿負荷時也只能達到0.85； 功率及轉矩的動態響應慢，一般35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。 為了防止起動時電流和扭矩過大等不利影響，以及滿足規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定

10、啟動大電機需要的最小臺數運行機組，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、小功率的低壓產品。 3 電流型變頻器電流型變頻器+交流同步電動機交流同步電動機 (CSI+Synchronous motor) (1)電流型變頻器電流型變頻器CSI(Current Source Inverter) 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來的交流電轉換成直流電；再經三相橋式逆變電路轉變為頻率可調的交流電，供給推進電動機。 電流型變頻器的直流中間環節，采用大電感濾波，直流電流波形平直，

11、對電動機來講，基本上是一個電流源。改變整流電路的觸發角，就改變了中間直流環節的電壓，相當于直流電動機的調壓調速； 改變逆變電路觸發脈沖的順序，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。 (2)SYNCHRO電力推進電力推進 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，不會出現失步和振蕩。 系統功率因數根據電機速度，從

12、額定速度時的0.9到低速的0之間變化。 SYNCHRO電力推進系統主要有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，如果在電網側并聯有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網產生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網質量可以滿足船級社的規定，故12脈波的SYNCHRO電力推進系統應用較多。 SYNCHRO電力推進系統缺點電力推進系統缺點 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； 時間常數較大(由于直流電同感性負載相連)，所以系統動態響應較差； 電流型逆變電路中

13、的直流輸入電感數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。 優點優點起動電流接近等于零，起動轉矩最高可達50額定轉矩； 價格上有一定的優勢； 控制方便，操作靈活； 能匹配特大功率電機，目前已達4060MW。 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。 4 交交-交變頻器交變頻器+交流同步電機交流同步電機 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。

14、 交-交變頻器+交流同步電機(Cyclo converter+Synchronous motor)驅動方式，采用CYCLO變頻器，通過控制一個可控的橋式反并聯晶閘管，選擇交流電源的不同相位區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。 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

15、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響應速度快、諧波含量少、損耗降低、轉矩脈動低等優點優點。其缺點缺點是所需電子元件數量大，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。 交交-交變頻推進的特點交變頻推進的特點 起動平穩，起動電流(轉矩)可從零起逐漸加大； 轉矩脈動平滑； 功率及轉矩動態響應快，一般小于100毫秒； 電力系統內諧波高低取決于電機速度； 系統功率因數由電機電壓決定，通常可達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

16、接驅動螺旋槳。 這種驅動方式，性價比高，應用比較廣泛。 根據國外經驗，交-交循環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的功率范圍在230MW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 5 電壓型變頻器電壓型變頻器+交流異步電動機交流異步電動機 電壓型變頻器VSI(Voltage Source Inverter)，與電流型變頻器CSI(Current Source Inverter)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來的交流電轉換成直流電；再經三相

17、橋式逆變電路轉變為頻率可調的交流電，供給推進電動機。 電壓型變頻器的中問環節采用大電容，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展，電壓型變頻器發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，熱穩定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數產品為此類型，并有低壓及中壓規格。 IGBT特點：特點： 線路簡單、功率因數高、諧波少、調速范圍寬和響應快。線路簡單、功率因數高、諧波少、調速范圍寬和響應快。 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

18、向電機提供電壓和頻率均可調節的交流電。 采用二極管整流器，可保持電力系統能在任何電機速度的時候功率因數接近0.95。 相比CSI和CYCLO驅動，PWM驅動的系統諧波含量最少，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特性。 通過PWM型變頻器控制后： 系統電源輸出的頻率范圍較寬； 功率及轉矩的動態響應快(小于10毫秒)； 與高速鼠籠式感應式電機(9001200rmin)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