吊舱式电力推进
吊舱式电力推进系统的特点与应用
2005年07月22日
[关键词]吊舱式电力推进系统；永磁式同步电机
[摘要]对目前流行的吊舱式船舶电力推进系统的特点进行了简要的分析和对比，指出船舶电力推进广泛应用已是一个必然的趋势；随后，对船舶推进系统应用的几个问题谈了几点思考。
1概述
自20世纪80年代以来，随着电力半导体技术、交流调速理论和微机控制技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟。这也使得船舶电力推进系统在机动性、可*性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展，应用范围也在不断扩大，不仅在传统的领域，如破冰船、挖泥船、勘探测量船等占有越来越大的份额，而且在游船、班轮、穿梭油船、滚装船和近海客货船方面也显示出广泛的应用前景。可以说，电力推进使一种最能经得起考验的船舶推进系统。世界上各大船用设备生产厂家都意识到了这一点，纷纷开始在这方面开展研究开发工作。在十几年的时间里，电力推进型式从直流电力推进发展到了采用PWM技术的交流电力推进和矢量控制、直接转距控制的交流电力推进。系统中采用的电力半导体器件也经历了从半控型器件（如SCR）到全控型器件（如GTO、IGBT、IGCT）的发展历程。在系统硬件结构方面，目前先进的吊舱式电力推进系统，就是推进用电机直接和推进螺旋桨相连，制成一个独立的推进模块，并吊挂在船体底部。该推进模块可以360°水平旋转。这样，推进的方位角可以人为地进行控制和调节。其直接后果就是取消了舵机系统及相应的操纵机构。
2吊舱式推进器系统地特点
在吊舱式电力推进系统中，螺旋桨和推进电机共轴，两者之间没有任何其他环节，结构简单、紧凑，通常制成一个独立的推进模块。它可以在船舶试航前安装，甚至可以在海上进行装卸。推进电机采用同步电动机（SSP推进器系统采用永磁式同步电动机），这是因为同步电动机有以下特点：
1）电机的转速和电源的基波频率之间保持着同步关系。只要精确地控制变频器的输出频率就能精确地控制电机的转速，也就能精确地控制螺旋桨的转速，无须设立转速反馈回路。
2）同步电动机较异步电动机对转矩的扰动具有较强的承受能力，能出现较快的响应。在同步电机中，只要电动机的功角做适当变化，而转速始终维持在原来同步转速不变，转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的变化做出快速响应。
3）从转速调节范围来看，同步电动机转子有励磁，即使在很低的频率下
也能运行，调速范围比较宽：而异步电
动机的转子电流*电磁感应产生，频率很低时，转子中就难以产生必要的地流，调速范围比较低。
4）从节能方面和成本上考虑，同步电动机也是优于异步电动机的。
吊舱式电力推进系统和传统的船舶推进系统相比有如下一些特点：
（1） 推进效率高。
（2）取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，不需专门的冷却系统，从而节省了舱容，简化了安装。
（3）空间配置灵活，可以在机舱整个空间内立体布置，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容，为船体设计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵活性。从消防和安全性方面考虑，还可以把发电机分成几组（如全船共有6台发电机的情况下，可以分成3台1组）布置在不同的舱室中。
（4）模块化设计原理使得推进模块可在船舶建造基本完成、准备试航前安装，必要时，可在海上安装和拆卸推进模块。
（5）噪声低、振动小、废气排放减少。
（6）最短的应急停车时间。
（7）推进器可在360°水平范围内旋转，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。
（8）根据需要决定并入电网的发电机台数，使每台机组都能工作在比较理想的负荷下，这样不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油有好处，而且可以减少维修保养工作和降低备件费用。
3吊舱式推进器系统的对比分析
目前世界上吊舱式电力推进器系统主要有Azipod,SSP Propulsor,Mermaid和Dolphin4种。其中，Azipod使ABB公司早在十几年前首次推出的，目前占据着吊舱式电力推进器市场的最大份额，其产品也经过了实船的考验。但十几年来，系统在机械结构方面改进不大，尚有有待完善的地方。而SSP Propulsor，Mermaid和Dolphin这3种吊舱式推进器都是在看到Azipod的成功后，陆续推出的。
值得指出的是，Azipod,SSP Propulsor和Mermaid都有世界最大的生产电力系统和驱动设备跨国公司的背景。我们知道，吊舱式电力推进系统的发展主要取决于推进电机、半导体器件和大功率变频装置的发展。在陆地上，由于对大功率交流驱动的巨大市场需要，使得这些跨国公司投入了大量的人力和物力从事驱动电机、半导体器件和大功率变频装置等方面的研发工作，其成果主要应用于陆地。吊舱式电力推进系统受益于这些研发工作的最新成果，如SSP Propulsor采用的永磁式电动机、绝缘栅双极晶体管（IGBT）实现的周波变换器（Cycloconverter），Azipod系统采用的集成门换流晶闸管（IGCT）电路和直接转距控制方法，Mermaid系统采
用的PWM IGBT多电平变换器等。这样，尽管在吊舱式电力推进方面的研发工作投入不
多，但成果却是巨大的。同时我们还可以看到，先进的控制和通信技术也在吊舱式电力推进系统中得到了应用。如采用PLC或可编程快速控制器进行控制，数据传送则采用了局域网（LAN）和现场总线技术和设备。可以说，船舶电力推进的发展直接反映了大功率电力变频技术、先进的微机控制和通信技术、电力电子器件等领域的最新科研成果，而这几个方面都是目前投入最多、发展最快的研发领域。
4结束语
综上所述，我们没有理由对船舶电力推进的发展不抱有极大的希望和不予以足够的重视。回顾十几年来吊舱式电力推进系统在技术方面的发展和完善，已经充分说明了这一点
现在我们所面临的问题是如何选择吊舱式推进系统，其次是如何维护管理以及如何培养出能够胜任工作的轮管人员。
在选择吊舱式推进系统时，首先应该考虑的是可*性、经济性（包括设备费用、运行费用、维护费用）和便于维护性。对于可*性，要认识到几种吊舱式电力推进系统各有自己的特点，它们直接反映了相应的跨国公司的最新科研成果和技术。尽管有的实船使用时间不长，但它们采用的设备和技术绝大多数都是成熟的。如SSP推进器系统采用的永磁式推进电机是Siemens公司生产的PERMASYN电动机，它是系列化产品，自1987年第1台1 100kw的PERMASYN电动机应用于多用途船以来，现在这种电动机的额定功率可达20MW。首先，其可*性也是经过了20多年实船考验的：其次，永磁式推进电机以其优越的性能也证明了在未来的吊舱式电力推进系统将取代传统的同步及电机而处于主导地位。
在电力推进船舶上，轮机管理很大程度上就是船舶电站的管理。这里的船舶电站不仅包括以往船舶电站的全部内容，还增加了为船舶推进提供动力所必须的中低压变压器、高压大功率变频器和高次谐波抑制装置等。船上柴油机的存在不是作为主推进装置，而是作为发电的原动机来带动电机发电。它们通常是几台型号相同、输出功率相同的四冲程中速柴油机。机械方面的维修工作大幅度减少，备件也相应地减少。电力推进系统的维护管理更多地依*专家系统和故障诊断程序等计算机软件完成。
“驾机合一”已经是一个讨论多年的话题，有些国家在实践上也进行了积极的探索。但从安全性的角度考虑，使用柴油机单机推进的船舶，一旦柴油主机的重要部件或舵机及传动轴系出现故障往往导致船舶瘫痪，而电力推进使用多台原动机，个别机
组的故障可能对船速造成影响，不会导致瘫船；同时我们应该看到，目前的电力推进船舶取消了舵机系统，并且往往采用
两套以上推进系统，它们在保证船舶推进总功率的前提下，还可互为备用，这样就基本消除了船舶在两个港口之间故障瘫船的可能性，从安全性的角度看，船舶电力推进为“驾机合一”的广泛应用也铺平了道路。