第三章电力系统综述

第三章电力系统综述

教学目标：

1、了解电力推进系统各部分组成；

2、了解发电模块的组成及原理；

3、了解配电模块的组成及原理；

4、了解马达驱动器的原理；

5、了解推进器单元模块；

6、了解发电及配电及推进器发展的趋势；

单元一引言

船用电力系统与陆上电力系统之间的主要不同是，船用电力系统是一个独立的系统，从电能的产生到用电设备的传输距离较短；相反，陆上电力系统其电能产生到用电设备间距离长达数百千米是很正常的，中间有很长的传输电线和若干电压变换环节。船上安装的功率总量可能较高，这将给船上的电力系统带来特殊的挑战。短路级别较高时必须有安全的操作模式。陆上电力系统的控制系统被分成若干个子系统，然而，船上的电力系统要求尽可能的紧凑和协调。

在最近一段时期内，船上的电力系统，推进系统以及控制系统的设计都经历了重大的变革和改进。由于计算机性能、微处理器以及通信网络的快速发展，使这些原来独立分散的系统成为综合系统，不仅切实可行，而且正在快速发展成工业的标准。推进冗余以及二级和三级动态定位船舶增长的需要，要求系统冗余有物理的分离。船上不同系统间的交叉变得日益复杂，使船舶的设计、施工建造需要一个更综合的努力。

图3.1 给出了一电力推进船的电力系统装置的单线图。此图描述了船上电力系统的主要组成部分，分别是：发电系统、配电系统、变速驱动系统、推进/侧推系统。

图3.1 装备有吊舱式推进器的船舶电网单线图 G1-G4：发电机，SWBD：配电板，TRANSF：变压器，BT：艏侧推，AZTHR：Z型传动的侧推器，AZIPOD：吊舱式推进器

单元二发电系统

3.2.1 原动机

电源通常是一套由燃烧柴油或重油的内燃机驱动的发电机组。偶尔也能发现气体内燃机，也有燃气轮机，蒸汽轮机或联合循环轮机，特别是在更高功率级别轻型高速的船舶上，或者是燃气作为一种便宜燃料选择的船上（例如，油产品中的废气，液化天然气船上挥发出的气体，等等）。

在柴-电推进系统中，柴油机通常是中高速机，它比直接用于推进的低速机有更低的重量和成本。电站的有效性被高度关注，柴电系统中有多台柴油机在冗余的网络上；这意味着高的可靠性但复杂的诊断系统和短的维修时间。

内燃机不断的向着更高的效率和减少排放发展，目前，一个中速柴油机在最佳工作点时耗油率不多于200g/kwh，见图3.2a）。即使这被看作一个高的燃料利用因数，它仅代表这燃料中40%的能量被利用，其余的能量以热或者废气的形式散失掉。

此外，当负载低于50%的最大持续额定负载时效率下降的很快。在这种工作条件下，燃烧不充分，产生高浓度的氮氧化物和硫化物，也产生结碳增加维护成本。在柴电系统中有若干柴油机组，这是为了实现根据负载通过启动或停止发电机组，保持柴油机的负载在其最佳工作点，如图3.2b）所示，也就是为了每一台运行的柴油机的平均负载尽可能地接近其最佳负载点。

关于内燃机性能和设计的详述，见Mahon的文献【66】.

图3.2：a)中速机燃油消耗曲线实例

b)直接机械推进和四个柴油机-电力推进系统从内燃机到桨轴总的效率对比

3.2.2 发电机

大多数的新造船舶和所有的商业船舶都有交流发电站和交流配电系统。发电机是同步电机，转子上有通直流电的励磁绕组，定子上有三相绕组，当原动机带动转子旋转时，励磁电流形成的磁场在三相绕组中感应出三相正弦电压。感应电压的频率正比于转子转速n[RPM]和同步电机磁极数p：

一个两极的发电机在转速为3600RPM时，一个在四极的发电机在转速为1800RPM时，以及一个六极发电机在转速为1200RPM时等等，电压频率都是60Hz。对于两极、四极和六极的发电机在转速分别为3000RPM、1500RPM和1000RPM时，电压频率为50Hz。大型中速柴油机通常工作在720 RPM为电网供60Hz电（发电机极数为10），或者工作在750 RPM为电网供50Hz电（发电机极数为8）。

通过电刷和滑环，直流电预先通入到励磁绕组中。现在的发电机都是无刷励磁，减少维护和停机时间，见图3.3。无刷励磁机是一个同步电机（定子上有直流励磁，三相绕组在转子上）和一个旋转的整流器。之后整流电流通入励磁绕组。

图3.3 转子绕组的励磁左边：有刷右边：无刷励磁

励磁通过自动电压调节器（A VR）来控制，A VR检测发电机的端电压并与参考值进行比较。简单来说，这个控制器具有PID特性，其积分作用根据发电机负载给出一个电压降。电压降确保并联运行的发电机所分担的无功功率相等。根据最适用的规则，发电机终端电压的静态变化率不超过额定电压的 2.5%。而且，最大的瞬时负载变化不允许引起电压变化超过额定电压的-15%或+20%，除非在总系统设计中有详细说明和解释。为了满足这个瞬态要求，A VR通常也根据测量的定子电流加入前馈控制功能。

除了励磁绕组之外，转子也装有阻尼绕组，它有轴向的铜条穿过转子磁极的外围，在两端被铜环短路。阻尼绕组的目的就是为了在定转子间引入电磁阻尼。同步电机如果没有阻尼绕组就不能产生阻尼，会导致频率和负载变化时负载分配分配都发生大的振荡。

注：阻尼绕组的作用是什么？

答:凸极同步发电机转子设计有交直轴阻尼绕组。阻尼绕组在结构上相当于在转子励磁绕组外叠加的一个短路鼠笼环其作用也相当于一个随转子同步转动的"鼠笼异步电机"对发电机的动态稳定起调节作用。发电机正常运行时由于定转子磁场是同步旋转的因此阻尼绕组没有切割磁通因而也没有感应电流。当发电机出现扰动使转子转速低于定子磁场的转速时阻尼绕组切割定子磁通产生感应电流，感应电流在阻尼绕组上产生的力矩使转子加速二者转速差距越大则此力矩越大加速效应越强。反之当转子转速高于定子磁场转速时，此力矩方向相反是使转子减速的，因此阻尼绕组对发电机运行的动态稳定有良好的调节作用.

什么是发电机的直轴瞬变电抗Xd′ 与发电机结构有什么关系？

答:Xd′是代表发电机运行中三相突然短路初始时间(阻尼绕组的电流衰减后)的过渡电抗.直轴瞬变电抗是发电机额定转速运行时定子绕组直轴总磁链产生的电压中的交流基波分量在突变时的初始值与同时变化的直轴交流基波电流之比.它也是发电机和整个电力系统的重要参数对发电机的动态稳定极限及突然加负荷时的瞬态电压变化率有很大影响.Xd′越小动态稳定极限越大瞬态电压变化率越小;但Xd′越小定子铁芯要增大从而使发电机体积增大成本增加.Xd′的值主要由定子绕组和励磁绕组的漏抗值决定.

结构上Xd′与电负荷A极距τ有如下关系:

k为比例系数.可见要降低Xd′必须减小A或加大τ都将使发电机尺寸增大.

什么是发电机的直轴超瞬变电抗Xd〃与发电机结构有什么关系Xd〃的大小对系统有什么影响？答:Xd〃是代表发电机运行中三相突然短路最初一瞬问的过渡电抗.发电机突然短路时转子励磁绕组和阻尼绕组为保持磁链不变感应出对电枢反应磁通起去磁作用的电流将电枢反应磁通挤到励磁绕组和阻尼绕组的漏磁通的路径上。这个路径的磁阻很大即磁导很小，故其相对应的直轴电抗也很小，这个等效电抗称为直轴超瞬变电抗Xd〃，也即有阻尼绕组的发电机突然短路时定子电流的周期分量由Xd〃来限制。

结构上Xd〃主要由发电机定子绕组和阻尼绕组的漏抗值决定.

对于无阻尼绕组的发电机则Xd〃= Xd′.

由于Xd〃的大小影响电力系统突然短路时短路电流的大小故Xd〃值的大小也影响到系统中高压输变电设备特别是高压断路器的选择如动稳定电流等参数.从电气设备选择来说希望Xd〃大些这样短路电流小一些.）

从同步电机的理论可知，它有静态模型，瞬态模型和超瞬态模型。简单地说，阻尼绕组中产生的磁链被捕获并反抗由于短接产生的变化，表现出超瞬态间隔特性。这时被观测到发电机中的感应系数显著降低，在负载快速改变时它给出较硬的电器特性，而且有助于减少瞬态电压变化和由于电压变化引起负载电流谐波。这种效果仅有助于动态变化比超瞬态时间常数特性快，例如电机启动的瞬间，变压器的浪涌电流，负载电流的失真。

发电机经常连接在推进柴油机的轴上，如轴带发电机。轴带发电机在有些应用中为双向功率流向，即可作为电动机运行。这种原理可以被称为PTI-PTO概念（输入功率-输出功率）。如果发电机的输出要保持恒定频率，轴带发电机就有强迫主推进器运行在固定转速的缺点。在低负载场合，这将减少推进器的效率。对于变速情况，可安装静止的变频器来保持固定的频率。

单元三配电系统

3.3.1 配电板

主配电板（或发电机配电板）通常是分布式的，被分成两部分，三部分或四部分，这是为了符合船舶的冗余要求。根据电力推进系统的规范和规则，船舶应该承受某一部分出现故障的结果，例如，由于短路造成的结果。根据最严格的冗余要求，船舶也应该承受由于火灾或进水引起的故障，即防水和防火的隔离开关必须用来分开这些部分。

在一个分为两部分的结构中，两边均分发电机的容量和负载，最大的单一故障将会导致失去50%的发电机容量和负载。为了避免高的安装成本，系统将会被分成三部分或四部分，这就减少了必须的额外安装。另外，转换开关确保发电机或负载能被连接在两个配电板部分，这具有相似的减少成本的效果，如图3.1中的方位角推进器。

在推进模式中，配电板通常被连接在一起，这使得这个发电系统装置可以灵活布置。负载瞬态变化均分给在网的几套的柴油发电机组，还可以确定工作发电机组的最佳数量。

另一种可能性就是在航行中用独立的配电板部分给两个或更多的独立电网供电。在这种情况下，船舶经常被假定在实际上是可以预防全船失电的，它在拥挤的水道中更具有吸引力。在这种运行模式下，如果某一配电板部分出现故障，与其连接的电网包括被它连接的推进单元失去作用，然而，其它的电网仍然保持运行。实际上，为了获得这样的独立，也有其他的因素被考虑，特别是所有的辅助系统，像滑油系统，冷却系统，以及通风系统必须是独立的。此外，系统当中某一部分推进或位置保持的功率损失时，将通过控制系统作用在正常部分上，使总的功率和推进趋势保持相同，如动态定位。

为了承受某一部分故障，在动态定位船上，正规的做法是把电网分开，特别是3级动态定位的船舶。然而，现在规范和准则允许的操作是使用联络开关，设计保护电路来检测和分离故障部分，使正常运行部分不跳闸。挪威海事理事会规范有比这些规范更严格的规定，在3级动态定位的船上它通常不允许用联络开关连接。

随着船上配置功率的增长，正常的负载电流以及短路电流都会增大。由于配电板上热应力和机械应力处理以及开关设备的开关容量的物理限制，提高系统的电压来降低电流等级是有利的或必要的。在许多应用当中，要满足功率不断增长的要求，中压电已经变成一种必要。使用国际电工委员会的电压等级，对主配电系统下面的选项是最普通的选择，应用方针出自NORSOK[64]：

11kV：中压电的产生和分配。当安装的发电机总容量超过20MW时应该被采用。对于电动机，在总功率在400kW及以上时被采用。

6.6kV：中压电的产生和分配。当安装的发电机总容量在4-20MW之间时应该被采用。对于电动机，在总功率在300kW及以上时被采用。

690V：低压电的产生和分配。当安装的发电机总容量在4MW以下时应该被采用。在用电设备总功率在400kW及以下和作为钻进电机变频器原边电压时被采用。

对实用配电系统有更低的电压被采用，如400/230V。

对于这些指导方针，一些注释是必需的；

在负载的主要部分有变速驱动组成而不会影响短路电流等级的地方，对于较高的发电机容量，使用任何电压等级都不会有问题。要使装置最优化，应该计算每一种情况的负载和故障电流，并选择正确的解决方案。

在船上，低压（690V）电动机通常用在比300kW更高的功率等级。对于每一情况，

必须考虑负载电流，驱动单元的启动特性，包括启动方法在内，一起进行比较考虑总成本。

440V配电在船上是十分普遍的。许多船用设备只能使用440V电，这就意味着在船上要避免这个电压等级是困难的。

在美国，或美国国家标准学会的适用标准中，有一些其它的电压等级被认可，例如在[24]中：120V, 208V, 230V, 240V, 380V, 450V, 480V, 600V, 690V, 2400V, 3300V, 4160V, 6600V, 11000V, 13800V。3300V电压在国际电工委员会中也是一个被普遍应用的电压，即使没列在文献[64]中。

由于负载电流和故障电流限制了设备的等级，对于每一系统电压实际的功率限制可以偏离这些建议。尤其是负载的主要部分是变频器并不影响短路功率的系统。因为不影响配电系统的短路电流，对于各个电压等级经常允许增加功率限制。

当船厂和船东把低压电改为高压电时，安全是一个被关心的问题，经常导致误解，以保持电压尽可能的低。在安全事项里面，中压配电板应被设计成防止人员接触导体，甚至在维修接电装置时。正常电流和故障电流同样较小，使导体和电缆的应力较小。虽然配电板里面的短路情况非常少，但也有灭弧设计（IEC 60298-3），如果最糟糕的情况发，会防止人员受到伤害和限制设备受到破坏。

断路器用来接通和断开发电机或负载与配电板之间的连接，或者是配电板的不同部分。各种断路器技术被应用。空气断路器是传统的解决方案，但今天除了低压电等级外很少被使用。普遍使用SF6（六氟化硫）气体断路器和真空断路器技术，电流切断发生在封闭空间内，SF6气体断路器的封闭空间内充有SF6气体，他比空气有更高的绝缘性，真空断路

器则被抽成真空。对于中压电，这种设计比较紧凑而且长期可靠。应该考虑的是，当切断感di dt，真空断路器切断电流时会引起过电压尖峰，这就要求安装过电压性负载时有较高的

限制器。

对于较小功率系统，装有保险丝的电流接触器与断路器（SF6绝缘和真空绝缘型）相比在费用和空间上都是一个有利的选择，而且在空气中（低压）是可用的。装有保险丝的电

di dt）。

流接触器的开关电压尖峰是比较低的，因为电流切断是比较软的（较低的

3.3.2 变压器

变压器的目的是把配电系统的不同部分分离成若干部分，通常是为了得到不同的电压等级，有时也为了移相。移相变压器可用来给变频器供电，例如，变速推进装置，是为了通过消除主要谐波电流来减少注入电网的谐波电流。这减少了发电机和其它用电设备的电压失真。变压器对导体发出的高频噪音有阻尼作用，特别是在变压器的原边和副边装有接地铜罩。

有许多不同的变压器设计方案使用，最普遍的类型是：空气绝缘干式变压器，树脂绝缘变压器，或油/液体绝缘变压器。法规，周围环境，使用者，船厂，供货者的参数选择共同决定变压器的类型，材料以及设计方案。

实际上，变压器通常被造成三相的，有围绕一个共同铁心的三相原边绕组和三相副边绕

组组成。铁心为磁通组成一个封闭的路径，通常有三个垂直的柱和两个水平的轭（一个在顶部，一个在底部）。里面的绕组组成低压绕组（副边绕组），外面绕组是高压绕组（原边绕组）。原边与副边的匝数比给出了变压器的变比。绕组可被连接成Y型连接或?连接（也叫D连接）。原边和副边的连接可以是不同的，在这样的变压器当中，不仅原副边电压幅值会改变，而且相位也会发生改变。移相也可以通过使用Z型连接的绕组来调整，通常在原边，可以由Z型绕组各段的变比来精确的决定所移相角。也有若干副边绕组的三相或四相变压器被使用，如多相驱动应用场合。

原边连接成?，副边连接成Y型的变压器叫Dy型变压器。第一个大写字母描述原边绕组，第二个小写字母描述副边绕组。如果Y型连接中中性点接地，则用字母n来表示，如Dyn或Ynyn。

可根据国际电工委员会标准设计变压器。对于变频器用变压器的设计，解决由于谐波电流的高次成分引起的热损失是必要的。对于这样的应用国际电工委员会也给出了设计准则和指导方针。

单元四推进电机驱动方式

3.4.1 引言

电动机是把电能转化机械能的最普通的设备，它被用于电力推进，侧推或位置保持，以及其它的甲板负载，像起货机，泵，风机等。船上设备中80%-90%的负载都是电动机。

在这一节中，给出了船上各种电动机的简短概述及其应用，关于电动机的设计和性能的详细描述，请参考其他书籍。

使用的电动机有：

-直流电动机

直流电动机必须使用直流电，但由于发电和配电系统通常是三相交流电，这

意味着直流电动机必须由整流器供电。这也给出了电机速度控制方法。关于

直流电动机的各种不同结构的详细描述，见Fitzgerald [68]。

-异步电动机（感应电动机）

异步电动机（感应电动机）是工业的动力源。它粗糙简单的设计确保它在大

多场合使用寿命长，故障和维护都最小化。异步电动机应用在任何场合，既

可作为恒速电机直接连接在电网上，又可作为由静止变频器供电的调速电机

使用。Fitzgerald [68]给出了关于异步电动机设计和运行性能方面的详细解释。

-同步电动机

除了大型推进装置，同步电机在船上通常不作为电动机使用，具有代表性的

是，当其功率大于5MW时直接与螺旋桨轴相连接，或者功率大于8-10MW

时使用齿轮箱连接。在比这些功率更小的范围时，用同步电机通常不划算，

异步电动机在成本上更具有竞争力。同步电动机的设计跟同步发电机相似。

在船上，如果没有变频器供电的调速控制系统，通常不使用同步电动机。其

设计和运行特性见Fitzgerald [68]。

-永磁同步电动机

永磁同步电动机在工业上被用于一些小功率驱动场合，也用于直接驱动的场

合。近年来，它也被应用于大功率场合，若干MW的推进装置，首先应用于

海军装备，但是现在也应用在吊舱推进上。这种设计的优点是体积小，效率

高，特别适用于吊舱推进，使吊舱尺寸尽可能的小，直接用水冷却，消除了

用空气冷却吊舱电动机的需要，且结构简单，便于安装。其设计和性能见[65]。

-其它电动机

还有一系列的其它电动机被应用于商业或实验领域。它们占有很少的市场份

额，特别是船用市场。根据电动机设计的高效率，小尺寸，或者是一定场合

的专门设计，在不久的将来一些变速驱动的新概念可能会出现。它们很有可

能是基于上述原理的或者是由这些原理派生出来的。

3.4.2 直接跟电网相连的恒速电动机

电动机可以直接连在电网上，像这样直接相连（DOL）的电动机通常是三相异步电动机，或感应电动机。异步电动机的设计简单，粗糙，三相定子绕组与发电机的定子绕组相似。转子是由铁心叠片和跟同步电机阻尼绕组相似的短路绕组组成的圆柱。在空载状况下，电压作用在定子绕组上，在电动机中形成磁场，磁场穿过气隙并以电压频率旋转，这个旋转的频率叫同步频率

f，则对应的同步转速为：

s

当轴上加上负载时，转子的转速将会下降，由于这个速度与定子旋转磁场的同步转速有相对旋转速度，这在转子绕组中会感应出电流。定义电机转子速度与同步速度

n相对落

s

后的程度为转差率s：

所以转差率的变化范围为0（空载）到1（堵转）。大多数电机的设计转差率在额定负载时通常低于5%，大型电机甚至低于2%-3%。

从异步电动机的电机模型，可以推导出定转子电流，轴扭矩，功率都是关于转差率的函数数学公式。一个复杂的因素就是参数，尤其是转子参数，这些参数十分依赖于转差率，也就是转子电流的频率，这些对频率的依赖性必须考虑在内以获得更精确的结果。

图3.4给出了被连接在恒频电网的异步电动机的定子电流和轴扭矩，它们都是转子转速或转差率的函数。它也给出了变距桨侧推器在零桨距和全桨距时的负载曲线。启动侧推电

动机时应该使变距桨桨距为零，确保足够的扭矩裕量用于安全启动，并使启动时间最短。

在稳定条件下，电动机的转速接近同步转速，转子的感应电流几乎与转差率成正比，轴扭矩亦是如此。从3.16所示的电气模型，可得到定子电流有效值s

I 的简单表达式为：

m I 是流过磁化电抗m L 的磁化电流，忽略通过铁心等效电阻的电流分量。r I 是折算到定子侧

的转子电流，T 是扭矩。下标N 表示是额定状况下的量，如果忽略定转子的漏感，可简单表示为：

当转差率接近峰值扭矩甚至更高时，假设就不再有效，因为忽略的漏感影响变得很大，负载定子电流将遵循图3.4所示的平滑特性曲线，这个幅值（堵转电流）约为额定电流的5倍。

图 3.4 直联异步电动机配可调螺距桨的负载特性曲线

由于异步电动机的起动电流比较高，经常有必要安装软启动设备。软启动器可把启动电流从5倍的额定电流减小到2-3倍的额定电流，而且也可减少电压降。软启动器必须总是适合电机的负载特性，它们的原理都是根据减小启动时的电机电压，从而减小电机的扭矩。它们最普通的用法是：

启动和运行：闭合开关A

应用于电动机额定功率跟运行发电机容量相比较小的场

合，启动瞬时电气指标和扭矩都在允许值内。

星型-三角形（Y-Δ）启动：

启动：A和C开关闭合，B断开。运行：A和B开关闭

合，C断开。此时起动电流为直接起动时的1/3，启动扭

矩也有类似的减少。此方法可使启动瞬时值在允许的范

围内。启动负载扭矩必须较低以确保合适的加速。

自耦降压启动：

启动：闭合B、C，断开A

运行：闭合A，断开B、C

减小起动电流，这依赖于自耦变压器的变比。由于自耦

变压器的变比，电网电流比电机电流小。启动扭矩必须

被减小以确保负载的允许加速。

半导体（晶闸管）软启动：

启动：闭合B，软启动器用来控制电动机电压

运行：通常用一个旁通开关A，以减少损耗

用来减小瞬间启动电流。这种可控软启动器可以利用程

序给出各种大小的加速度，以尽可能适应负载的限制。

由于电动机的启动扭矩以电压平方的形式减小，必须小

心地调节启动特性以确保合适的加速。在启动时，软启

动器使电压产生六脉整流的特征谐波。

3.4.3 调速电机驱动装置和控制策略

直接起动的电动机的转速直接由电网频率决定。对于主推，侧推，泵，起货机等，通过减少运行时的空载损耗以节约能源或燃油损耗具有重大意义。此外，通过控制电动机的转速将会大幅度的提高所驱动负载的可控性。其缺点首先是在经济上，因为增加了额外投资成本和需要维护的其他设备。如果投资合理，那么较少的损耗或增加的收入可以偿还那部分额外的投资。船上每产生1千瓦时的电所需要的花费（包括燃油，维护，税等费用）为1克朗（挪威货币），平均每年减少1MW的功率损失，会节约876万克朗，大约为1100万美元。

最常见的电动机驱动装置为：

-驱动交流电动机的电压源型变频器，交流电动机指异步电动机，同步电动机和永磁同步电动机。

-驱动交流电动机的电流源型变频器，交流电动机通常为同步电动机。

-驱动交流电动机的循环变流器，交流电动机通常为同步电动机。

-驱动直流电动机的直流变流器或可控硅整流器。

-在船上，大多数的调速传动使用交流电动机，多数的驱动器，除了循环变流

器外，都有整流器和逆变器组成，整流器把线电压整流成直流供逆变器使用，

逆变器提供调频调压的电源供给电动机。后面部分将详细讲述这些概念。

电动机的控制器包括速度控制环节和电流控制环节，电流控制是通过整流器和逆变器的开关设备实现的。控制器通常需要一个接口和优先级控制系统、船舶管理系统、机动控制、动态定位控制系统交换信息。电动机的控制器获得从电动机传感器来的测量信号和反馈信号。测量参数包括电动机的电流，转速，有时还有温度和电压。控制框图如图3.5所示：

图3.5变速驱动器结构，展示了有直流环节的变频器结构，适用于VSI（电压源型）和CSI

（电流源型）变流器

电力电子器件分为不可控的（二极管）或可控的（晶闸管，IGBT，IGCT）。图3.6给出了一个低压IGBT模块，它是一个包含所有开关设备的690V逆变器模块，和一个被拆开的3300V中压逆变器中使用的IGCT。

电力电子学被看作一独立的科学领域，对于进一步的学习，可参考文献[67]和[69]。

图 3.6 a）IGBT b）IGCT

如果设计允许，电动机可以双向运转，即电动状态或制动发电状态。为了区分电动机被设计

运行在何种状况下，经常采用象限的概念来区分。象限参照速度-扭矩的四象限图，如图3.7所示。电动机运行在电动状态，即电动机吸收功率驱动轴上负载，运行在I 、III象限。相反，电动机运行在制动状态，即轴上负载的机械功率驱动电动机，运行在II 、IV象限。

图 3.7 扭矩-速度四象限图

电动机的驱动装置通常有一个速度控制功能，这个功能的输出被当作扭矩指令或参考值，之后在输入到电动机的控制算法中去。这些算法运用先进的电动机模型通过开通或关断整流器（如果可控）和逆变器的开关设备控制电动机的电压和电流。

控制器通常由一个控制原理框图，如图3.8所示。扭矩控制通过消除速度控制环完成，给出的扭矩命令直接输入到电动机的驱动装置，如图3.8中的虚线。电动机转速通常通过测量的方法得到，但是新型的电动机控制器安装有速度估计器，对大多船用电动机而言，取消了专门的速度传感器。

图 3.8 电机驱动器的控制模块

由于许多实际原因，电动机传动的速度控制环被看作一个PI（或PID）的闭环控制，内部带有扭矩闭环控制，根据控制意图扭矩控制可被看作一阶滞后环节。对最高控制环节的仿真和综合，应该应用图3.9中的简单框图。

图 3.9 越控系统中适用于仿真和综合的简化控制模块

单元五推进单元

3.5.1 引言

本节介绍了电力推进船舶推进单元最基础的工作原理。这个概述并不完整，因为也有其它的选择，例如，喷水推进器的应用，然而这仅有专门的和特殊的应用场合。

3.5.2 轴向推进器

在柴电推进系统中，螺旋桨通常由调速电动机驱动。水平放置的电动机直接的连在螺旋桨轴上，简单且机械强度高，或通过齿轮箱连接，增大电动机转速并使其结构更加紧凑。其缺点是增加了机械复杂性和功率损失。

在柴电推进的船舶上，轴向推进器被应用在比方位角推进功率高的场合，用于产生横向推力的场合，例如，位置保持，机动航行并不需要这样的推进器，而是由造价便宜的管隧推进器产生横向推力。使用轴向推进器的船舶包括穿梭油轮，科考船，大型起锚船，电缆铺设船等。

轴向推进总是跟舵结合在一起，每个螺旋桨有一个舵。通过使用悬挂的舵，轴向推进器也可以用来提供一定的横向推力。如果机动航行或位置保持需要更多的横向推力，通常也在船尾安装额外的管隧推进器来完成。

螺旋桨通常是速度可控的定距桨FPP，使螺旋桨设计简单且强度大。在一些应用场合，螺旋桨是调距桨，甚至速度可控。在一定程度上，速度和桨距可以最优化，以使其比只控制一个参量效率更高，响应更快。为了获得速度和桨距的结合，通常不需要额外的投资来达到。

图3.10给出了轴向推进系统的一些传统结构。这些结构可被安装在单桨或双桨船上。

图 3.10 轴系驱动配置案例

3.5.3 方位角推进器

方位角推进器是可以旋转的推进器，以产生任何方向的推力。这种推进器是可控的，既有恒速电动机配调距桨的设计，调速电动机配定距桨的设计，也有很少速度和桨距都可控的设计。调速电动机配定距桨的设计与恒速电动机配调距桨的设计相比，不仅水下结构简单，且低速推进损失少。

在船上，推进器空间的高度有严格的限制，电动机通常会水平放置，方位角推进器将形成Z型齿轮传动。当推进器空间高度允许时，因为垂直安装电动机会形成L型齿轮传动，使结构简单，且传动损失少，所以此时通常垂直安装电动机。

因为方位角推进器被设计并最优化为单向推进，所以方位角推进器的局限性是在桨距或转速为负时产生推力的能力将被限制。如果有一定程度的负推力能力，当方位角不能继续旋转时，应该利用这个负推力以保持动态推力。

传统的方位角推进器初期被用于位置保持和机动航行，但是近来在电力推进船上也被用于主推装置。对于主推装置，为了提高其水动力性和操舵能力，方位角推进器的形状采用像机械吊舱那样的型式。方位角推进器就是从船上获得电能，驱动水平放置的电动机产生机

械能，之后传给Z型齿轮传动的螺旋桨。水下形体被优化为在船舶高速航行时水动力阻力低，以得到更高的推进效率。

有些制造商提供双桨的推进器，两个螺旋桨或在同一桨轴上，或是对转的螺旋桨。对转的螺旋桨利用另一螺旋桨喷射水流的旋转能量增加了水动力效率，并产生推力。

现在（2002年）使用的传统方位角推进器额定功率达6-7MW。

Z型传动的方位角推进器

3.5.4 吊舱推进器

像传统的方位角推进器一样，吊舱推进器也可以自由旋转产生任一方向的推力。它们的主要不同之处是，电动机直接与螺旋桨的轴相连接，被密封悬挂在船底的吊舱内，吊舱淹没在水中。

高功率吊舱的示意图，如3.11所示，调速电动机置于密封紧凑的吊舱内。定距桨直接安装在电动机轴上。由于避免了机械齿轮传动，传动效率比方位角推进器高。电能通过挠性电缆或可o

360回转操作的滑环传输给电动机。因为螺旋桨是定距桨，且没有齿轮传动，所以机械结构比较简单。

图 3.11 吊舱

吊舱可被设计成拉式的或推式的。特别是拉式的吊舱，改善了螺旋桨的工作状况并使流场均匀，它增加了螺旋桨的水动力效率，减少了气蚀危险，也减小了噪声和振动。如果推力轴承允许，吊舱则既可以向前旋转，也可以向后旋转。螺旋桨通常在主推方向上效率最高，负推能力较小，但它没有推进器的机械限制。

吊舱推进器在巡航舰，破冰船，供给船以及油轮上用了10年有余。目前，新建造的现场供给船，见图3.12，以及半潜式钻井平台也使用吊舱推进器来动态定位和运输和推进。现在吊舱系统可用的功率范围为从大约1MW到25MW。大型的吊舱提供了直接进入吊舱进行检查的通道。

图 3.12 采用电力推进的现场支持船

单元六新的动向和观点

3.6.1 电能的产生

建立在旋转的原动机和发电机基础上的发电技术是一项成熟的技术。但是一直在评估其他替代方法来代替传统的同步发电机发电。燃料电池技术是现在人们最感兴趣也是研究力度较大的领域，主要是在汽车工业领域。

燃料电池是一个电化学装置，它通过混合燃料如氢气和空气中的氧气以产生电能、热能和水。燃料电池的运作过程没有燃烧，如图3.13；因此，一个氢燃料电池实际上是无污染的。由于燃料被直接转换为电能，燃料电池可以比内燃机的效率高很多，相同量的燃料可以产生更多的电能。燃料电池本身没有运动部件，故是一种安静而可靠的能源。燃料电池由以下几部分组成：一个阳极（一个可以发射电子的负极），中央的一层电解液薄膜，一个阴极（一个可以吸收电子的正极）。

还有一些在研究的形式，例如：磷酸、固体聚合物质子交换膜、熔融的二氧化碳、固态氧、碱、甲醇燃料电池、锌氧燃料电池和陶瓷纳米燃料电池。

当前这些技术的共同点就是需要昂贵的生产和维护费用，即电价高。容量仍需扩展，因为装置的低功率密度致使现在的实际应用中还局限于小容量的装置。据报道一些船舶的实验性设计采用了燃料电池装置，并一致认为和期望未来某一时间燃料电池可以商业化，但不是在最近的未来。

燃料电池产生直流电压，而且可以有两种输送方式：

? 直流输送和直流负载—推进用变频装置的主要转换原理是在变频之前先把交流电进行整流。由于高压直流电的中断干预是个难题，所以主要的问题就在于开关和配电系统的保护。不同电压等级和不同的用电器的直交流转换将会变得很昂贵。直流配电装置基本上已评估过，且在一定程度上已经应用，如军用设备。

? 直流—交流的转换。用这种方法，电压变化和输送的问题会减少，但是对于更高的能量等级这种方法仍然很昂贵。

图3.13：氢氧燃料电池的原理图

直流配电也可以使用紧凑轻便的高速永磁式发电机。由于旋转的发电机的功率密度随着额定转速的升高而升高，如果转速能从一般的500～900R PM提高到15000RPM，发电机的重量和体积将会显著地变小。缺点是不可控变压的高频输出将会需要大型的能量转换装置。

燃料电池和电子能源的发展将会给应用技术带来巨大的变革。应用至今的电能产生，输送和推进技术落后于当代的工业和自动装置的研究和应用，但是这些技术会像其他新技术一样不断发展。

3.6.2 电能的配送

交流电能配送技术不太可能会发生显著的改变。新的可编程且能现场通信的保护型继电器已经被引进并将继续发展。这意味着由于可变性的增大，项目的成本会降低。

电能转换装置正在研究与发展中，静止的能量转换器用电子装置来变换电压。高频变压器可以做到高度绝缘，这将减小装置的尺寸和重量，并消除变压器内的浪涌电流问题。在能量转换装置商业化应用前还有未完成的工作，但这是实现未来直流配电系统的关键部分。

3.6.3 推进

吊舱式推进系统是近年来推进单元向前迈出的一大步。这种思想还没充分地应用到所有市场和动力设备中，还在不断的发展进步。它将对船舶设计产生巨大的影响而且适用于许多领域的新概念船。

在对置旋转螺旋桨的思想里，吊舱推进装置与传统轴线传动螺旋桨相结合，如图3.14。分离的吊舱有一定的方位角并由一可变速的电动马达控制，轴线方向的螺旋桨可以由电动机控制转速，也可以是一个传统的柴油机直接驱动的变螺距螺旋桨。对置旋转的螺旋桨的思想很大程度上提高了推进装置的效率，同时使得几种型式的船增强了冗余，提高了推进能力。

图3.14：对置旋转螺旋桨思想