幾種典型的電力推進系統(tǒng)的比較

1、船舶電力推進幾種典型方式的比較 內(nèi)容提要：此文介紹目前市場上五種類型電力推進系統(tǒng)，并分析比較它們的工作原理和特點。 0 前言 船舶電力推進，有直流推進和交流推進兩大類。 1970年代以前，主要采用直流電力推進系統(tǒng)，因為直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬廣和平滑，過載起動和制動轉(zhuǎn)矩大，逆轉(zhuǎn)運行特性好；而交流電動機盡管具有輸出功率大、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、運行可靠等優(yōu)點，但限于當(dāng)時的技術(shù)限制，調(diào)速困難，應(yīng)用較少。 隨現(xiàn)代控制理論和數(shù)字控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美1。交流電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)成為船舶電力推進發(fā)展的主流，呈現(xiàn)出

2、蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。水面船只，交流電力推進占主導(dǎo)地位，所選用的交流電動機，交流異步電機、交流同步電機、永磁同步電機等并存。只有潛艇，仍是直流推進占主導(dǎo)地位。 世界著名的電氣集團，如SIEMENS，ABB，以及ALSTOM等，都研制出船舶交流電力推進的成套裝置，功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，其中以吊艙式推進器最具代表性。例如ABB公司的AZIPOD推進系統(tǒng)，功率已達(dá)40MW，性能可靠，傳動效率高，節(jié)省空間，已成功地應(yīng)用在油輪、破冰船、郵輪、化學(xué)品船、半潛船等多種船型，并在近期新造船舶市場獲得良好評價。 目前，船舶采用的電力推進系統(tǒng)，型式多種多樣，但歸納起來基本可分為以下五類24： 可控硅整流器+直流電動

3、機 變距槳+交流異步電動機 電流型變頻器+交流同步電動機 交一交變頻器+交流同步電動機 電壓型變頻器+交流異步電動機 選擇電力推進裝置時，主要關(guān)注價格、功率范圍、推進效率、起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標(biāo)。本文從以上五類電力推進裝置的工作原理出發(fā)，分析其工作特性，并比較關(guān)鍵指標(biāo)。 1 可控硅整流器+直流電動機 1970年代以前，船舶電力推進系統(tǒng)中，直流電動機占據(jù)主導(dǎo)地位。1940和1950年代，推進系統(tǒng)采用原動機一直流發(fā)電機一直流電動機形式，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小和方向，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。 1950年代末，大功率可控靜態(tài)電力變流元件研制成功，可控

4、硅整流裝置出現(xiàn)，直流電力推進系統(tǒng)演變成可控整流器加直流電動機模式。晶閘管的問世加速了這種推進技術(shù)的發(fā)展，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。至今，該種推進形式仍不失為一種高效、經(jīng)濟的推進方案。 可控硅整流器+直流電動機系統(tǒng)，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(dá)供電，原理如圖1。 其基本工作原理是：圖1 “可控硅整流器+直流電動機”原理圖 通過控制晶閘管導(dǎo)通角，改變觸發(fā)電路輸出脈沖的相位，從而改變直流電機的電樞電壓Ud，再由此改變電樞電流，實現(xiàn)電機速度的平滑調(diào)節(jié)； 利用可控整流電路調(diào)節(jié)勵磁電流，使電動機能夠在轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩坐標(biāo)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

5、加觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通的瞬間，這段時間對應(yīng)的電角度)。與各電壓、電流之間的關(guān)系決定了可控整流的基本特性。功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速成正比，在00.96之間。 這種推進方式的優(yōu)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(wǎng)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(zhuǎn)矩接近于零； 扭矩波動平滑； 動態(tài)響應(yīng)一般小于100毫秒。 缺點是： 轉(zhuǎn)矩控制不夠精確，若要得到精確平滑的轉(zhuǎn)矩控制，必須提高電樞感應(yīng)系數(shù)，但會引起系統(tǒng)動態(tài)性能減弱，功率因數(shù)偏低，增加系統(tǒng)損耗； 直流電機驅(qū)動需要的換向器，是一個易發(fā)生故障的部件； 會對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染，因為采用了大功率電力電

6、子器件； 直流電動機固有的結(jié)構(gòu)復(fù)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(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 目前，船舶推進所應(yīng)用的直流推進電機的容量，在23MW之間。 2 交流異步電動機+可調(diào)螺距螺旋槳 交流異步電動機+可調(diào)螺距螺旋槳模式，也稱為DOL(Direct on line)模式，多采用鼠籠式感應(yīng)恒速電機驅(qū)動變距槳實現(xiàn)，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(shù)轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)電機速度控制。 這種推進方式的優(yōu)點是： 幾乎沒有影響電網(wǎng)的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件； 電動機轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定沒有脈動； 在設(shè)計點運行時效率很高。 但缺點也不少，例如： 交流異步感應(yīng)電機起動

7、瞬間電流較大，通常是正常電流的57倍，系統(tǒng)電網(wǎng)壓降大； 起動瞬間機械軸承受的轉(zhuǎn)矩大，約為額定轉(zhuǎn)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(shù)低，滿負(fù)荷時也只能達(dá)到0.85； 功率及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)慢，一般35秒才能完成，因為采用液壓機構(gòu)完成螺距的變換； 反轉(zhuǎn)慢，制動距離長； 變距槳的液壓控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，并工作在水下，故障維修時需進塢； 變距槳結(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)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(guī)定啟動大電機需要的最小臺數(shù)運行機組，以及電機采用Y一啟動、

8、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(cè)推裝置，因為微軟起動器目前還只有中、小功率的低壓產(chǎn)品。 3 電流型變頻器+交流同步電動機 電流型變頻器+交流同步電機驅(qū)動方式(CSI+Synchronous motor)原理圖如圖2。圖2 “電流型變頻器+交流同步電動機”原理圖 (1)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(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進電動機。 電流型變頻器的直流中間環(huán)節(jié)，采用大電感濾波，直流電流波形平直，對

9、電動機來講，基本上是一個電流源。 改變整流電路的觸發(fā)角，就改變了中間直流環(huán)節(jié)的電壓，相當(dāng)于直流電動機的調(diào)壓調(diào)速；而改變逆變電路觸發(fā)脈沖的順序，即可改變推進電動機的轉(zhuǎn)矩方向，控制推進電動機轉(zhuǎn)向，從而使控制電路大大簡化。 (2)SYNCHRO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(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)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變流裝置的輸出頻率，受同步電機轉(zhuǎn)子所處角度控制： 每當(dāng)電機轉(zhuǎn)過一對磁極，變流裝置的交流電輸出相應(yīng)地交變一個周期，保證變頻器的輸出頻率和電機的轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會出現(xiàn)失步和振蕩。 系統(tǒng)功率因數(shù)根據(jù)電機速度，

10、從額定速度時的0.9到低速的0之間變化。 SYNCHRO電力推進系統(tǒng)主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結(jié)構(gòu)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(tǒng)，如果在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網(wǎng)質(zhì)量可以滿足船級社的規(guī)定，故12脈波的SYNCHRO電力推進系統(tǒng)應(yīng)用較多。 SYNCHRO電力推進系統(tǒng)的缺點是： 低速運行時，電流型變頻器將電流控制在零附近脈動，轉(zhuǎn)矩輸出也存在脈動，給軸系帶來振動； 時間常數(shù)較大(由于直流電同感性負(fù)載相連)，所以系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差； 電流型逆變電路中的直流輸入

11、電感數(shù)值很大才能夠構(gòu)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。 而其優(yōu)點，是： 起動電流接近等于零，起動轉(zhuǎn)矩最高可達(dá)50額定轉(zhuǎn)矩； 價格上有一定的優(yōu)勢； 控制方便，操作靈活； 能匹配特大功率電機，目前已達(dá)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 交一交變頻器+交流同步電機 CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交一交變頻器或循環(huán)變頻器。該變頻器廣泛應(yīng)用于大功率、低速范圍內(nèi)的交流調(diào)速，其調(diào)速上限不超過基頻的40。 交一交變頻器+交流同步電

12、機(Cyclo converter+Synchronous motor)驅(qū)動方式，采用CYCLO變頻器，通過控制一個可控的橋式反并聯(lián)晶閘管，選擇交流電源的不同相位區(qū)間向交流同步電機提供交流電。 圖3所示為典型的6脈波交一交變頻器+交流同步電機驅(qū)動方式。圖3 “6脈波交一交變頻器+交流同步電機”原理圖 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(lián)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(gòu)成這種交一交變頻裝置的三相橋式電路，在一個輸出周期中三相電流

13、有六次過零，帶來六次轉(zhuǎn)矩波動，所以這種交一交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻裝置，是最基本的類型，應(yīng)用廣泛。 與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、諧波含量少、損耗降低、轉(zhuǎn)矩脈動低等優(yōu)點。其缺點是所需電子元件數(shù)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。 采用交一交變頻推進的特點是： 起動平穩(wěn)，起動電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大； 轉(zhuǎn)矩脈動平滑； 功率及轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，一般小于100毫秒； 電力系統(tǒng)內(nèi)諧波高低取決于電機速度； 系統(tǒng)功率因數(shù)由電機電壓決定，通?？蛇_(dá)0.

14、76； 滿負(fù)荷時效率高； 變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅(qū)動螺旋槳。 這種驅(qū)動方式，性價比高，應(yīng)用比較廣泛。 根據(jù)國外經(jīng)驗，交一交循環(huán)變流器主要用于速度極低、轉(zhuǎn)矩極高的場合，典型的例子就是破冰船。 目前單個電力驅(qū)動系統(tǒng)的功率范圍在230MW之間。針對特大功率低轉(zhuǎn)速推進船舶，ABB和SIEMENS公司傾向于采用CYCLO電力推進方式5。 5 電壓型變頻器+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)同屬于交一直一交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流

15、電路將電網(wǎng)來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；再經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給推進電動機。 電壓型變頻器的中問環(huán)節(jié)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(fā)展，電壓型變頻器發(fā)展成新型的脈寬調(diào)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(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數(shù)產(chǎn)品為此類型，并有低壓及中壓規(guī)格。 IGBT的特點是： 線路簡單； 功率因數(shù)高； 諧波少； 調(diào)速范圍寬和響應(yīng)快。 圖4為PWM型變頻器+交流異步電動機(VSI+Asynchronous

16、 motor)的系統(tǒng)原理圖。圖4 “電壓型變頻器+交流異步電動機”原理圖 這種驅(qū)動方式采用二極管將交流電整流后，再通過PWM變頻直流電斬波后向電機提供電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的交流電。 采用二極管整流器，可保持電力系統(tǒng)能在任何電機速度的時候功率因數(shù)接近0.95。 相比CSI和CYCLO驅(qū)動，PWM驅(qū)動的系統(tǒng)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6。 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(zhuǎn)矩控制。從控制原理來說，兩者都是用數(shù)字技術(shù)，通過計算機將電動機電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量分別進行控制，以

17、達(dá)到類似于直流電機的動態(tài)特性。 通過PWM型變頻器控制后： 系統(tǒng)電源輸出的頻率范圍較寬； 功率及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)快(小于10毫秒)； 與高速鼠籠式感應(yīng)式電機(9001200rmin)匹配，在任何速度都能保持轉(zhuǎn)矩平滑輸出； 若采用矢量控制器，在零速度的時候仍能保持轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出； 起動平穩(wěn)，起動電流(轉(zhuǎn)矩)可從零起逐漸加大； 在任何負(fù)載狀況下均有很高的功率因數(shù)(約為0.95)： 低速時功率損耗?。?推進效率高。 目前應(yīng)用PWM驅(qū)動的單機功率可達(dá)8MW(3300V)，價格偏貴。 在中小功率范圍，包括部分大功率的電壓型變頻器中，以規(guī)模及市場占有率來看，應(yīng)以SIEMENS和ABB兩家為主，而ALSTOM和

18、STNATLASZEZE注重CSI及CYCLO變頻器。 6 總結(jié) 就目前情況看，因為船舶推進裝置功率大，轉(zhuǎn)速低，應(yīng)用最多的是CYCLO推進系統(tǒng)。 未來，隨著電力電子器件和技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，IGBT及IGCT高壓大容量方面技術(shù)的突破和成本的下降，以及矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的成熟與推廣，電壓型變頻器匹配交流異步電動機的驅(qū)動型式將會有更大的市場份額。 參考文獻 1 張翔船舶電力推進的應(yīng)用研究廣東造船，2003(2)：2730 2 聶延生，黃鵬程，李偉光，汪涌泉船舶電力推進系統(tǒng)控制方法航海技術(shù)，2002(6)：3840 3 林春熙船舶電力推進應(yīng)用新模式和教學(xué)培訓(xùn)半仿真模型方案廣州航海高等?？茖W(xué)

19、校學(xué)報，2003(12)：58 4 方萌，史濤，吳裴文電力推進系統(tǒng)技術(shù)分析與評價方法船舶，2002(6)：5254 5 李志，于飛，曹彥國外大功率船用推進變頻器的發(fā)展?fàn)顩r船電技術(shù)，2004(4)：13 6 Alf Kare Adnanes ABB AS MarineMaritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion 2003電力推進系統(tǒng)優(yōu)勢多多出處：國際船舶網(wǎng)編輯：國際船舶網(wǎng)發(fā)布時間：2010-8-308:35（全國首艘電力推進甲板船“遠(yuǎn)景”號） 隨著國際海事組織在船舶排放方面制定越來越嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，加上石油資源逐漸耗

20、盡，內(nèi)燃機將逐步退出歷史舞臺，綠色環(huán)保的電力推進系統(tǒng)將成為未來船舶動力發(fā)展的方向。國外已經(jīng)開發(fā)了多種類型電力推進系統(tǒng)，并在多型船舶上應(yīng)用。我國在此領(lǐng)域的研究則剛剛起步，應(yīng)加速對相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用，積極參與到這一領(lǐng)域的國際競爭，在市場上占有一席之地。 “與傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)相比，電力推進系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動力大、易于正反轉(zhuǎn)、體積小、布局靈活、安裝方便、便于維修、振動和噪音小等優(yōu)點。電力推進作為船舶的新型推進動力，世界各國都在進行深入的研究” 中國工程院院土、中國船舶輪機專家聞雪友表示，作為船舶主動力系統(tǒng)的電力推進系統(tǒng)，由于其高效率、高可靠性、高自動化以及低維護，正成為新世紀(jì)大型水面船舶

21、青睞的主推進系統(tǒng)。目前，發(fā)達(dá)國家新造船舶的30已采用電力推進系統(tǒng)。船舶電力推進新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，將大大減輕船舶污染和海洋環(huán)境污染，充分體現(xiàn)了“綠色航運”和“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念，這將是今后船舶動力領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。 “相對于傳統(tǒng)的柴油機推進系統(tǒng)，電力推進系統(tǒng)可謂優(yōu)勢多多。”據(jù)上海海事大學(xué)教授湯天浩介紹，一是電力推進具有良好的經(jīng)濟性。在一艘船上多臺中速柴油機用于發(fā)電，可根據(jù)用電負(fù)荷選擇發(fā)電機運行臺數(shù)，使機組始終運行于高效工作區(qū)，實現(xiàn)最大的經(jīng)濟性。與同功率的船舶相比，采用電力推進要比內(nèi)燃機推進耗油減少10%左右，減少船體阻力5-10，提高運輸效率15，航速可提高0.5節(jié)。二是電力推進系統(tǒng)操

22、縱性好。采用電力推進系統(tǒng)后，操縱控制方便，起動加速性好，制動快，正反車速度切換快，可推進電機轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)，在正反轉(zhuǎn)各種轉(zhuǎn)速下都能提供恒定轉(zhuǎn)矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得優(yōu)良的操縱性。二是電力推進系統(tǒng)具有良好的安全性。對于柴油機推進的船舶來說，一旦主機重要部件或舵機、軸系出現(xiàn)故障往往導(dǎo)致癱船。而電力推進則使用多臺原動機，個別機組故障不致喪失動力。電力推進系統(tǒng)多采用兩套以上互為備用，同步電動機定子有兩組相互獨立的繞組，一組出了故障仍可減載運行。四是電力推進系統(tǒng)節(jié)省空間。采用傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的船舶軸系長度往往占到船長的40左右，采用電力推進系統(tǒng)的船舶省去了傳動軸系、減速齒輪箱，改善了機艙布局結(jié)

23、構(gòu)，使動力裝置安排更加合理，節(jié)省了大量空間。五是電力推進系統(tǒng)噪音低。采用電力推進后，主要振動源發(fā)動機安裝在彈性底座上，以恒定轉(zhuǎn)速運行，與軸系和船體也無直接聯(lián)結(jié)，大大減少了振動和噪聲，工作區(qū)整潔，提高了乘船的舒適程度。六是采用電力推進系統(tǒng)有利于船舶控制環(huán)境污染，降低排放。對同一功率船舶而言，電力推進中的中速柴油機可以始終在最佳工作區(qū)工作，燃油燃燒質(zhì)量好，燃燒產(chǎn)物中的氮氧化物含量少，減少了廢氣排放，使機艙內(nèi)空氣新鮮，環(huán)境質(zhì)量得到改善。 專家表示，船舶采用電力推進系統(tǒng)后，有利于進行計算機網(wǎng)絡(luò)管理，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，全面提升船舶信息化、智能化、自動化水準(zhǔn)。因此，船舶電力推進系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴大

24、，將成為未來綠色船舶前進的動力。（王智輝）歷史 其實電力推進對于艦艇來說已經(jīng)不算新技術(shù)。20世紀(jì)初期，電力推進曾一度成為艦船動力的新潮方案。從20世紀(jì)初至20世紀(jì)40年代，各國建造了大量電力推進艦船，從民用的客輪、貨輪、油輪到軍用艦艇，都有采用電力推進系統(tǒng)的。二戰(zhàn)期間戰(zhàn)功卓著的美國海軍“列克星敦”級大型航空母艦，采用的就是蒸汽輪機-發(fā)電機-電力推進系統(tǒng)。 這一時期的電力推進艦船都是用蒸汽輪機帶動交流發(fā)電機，向推進同步電機供電，再驅(qū)動螺旋槳。受技術(shù)條件的限制，這些艦船的電力推進系統(tǒng)體積都異常龐大，效率也并不令人滿意。電力推進系統(tǒng)能在20世紀(jì)初期迎來“第一次浪潮”，主要原因是當(dāng)時的艦船日益大型化。

25、在2萬噸甚至3萬多噸的戰(zhàn)艦上，如果采用傳統(tǒng)推進裝置，長達(dá)近百米的主軸和大型機械減速裝置在制造上相當(dāng)有難度，而采用電力推進系統(tǒng)可以繞過這一難題。 20世紀(jì)30年代之后，隨著技術(shù)的進步，主要海軍大國已經(jīng)可以研制生產(chǎn)滿足大型戰(zhàn)艦要求的超長主軸和大型齒輪減速裝置，而電力推進裝置由于增多了能量變換環(huán)節(jié)，帶來了設(shè)備昂貴、傳動效率低、維護保養(yǎng)工作量大等一系列缺點，故從30年代開始，大型艦船又重新回到了采用傳統(tǒng)軸系的直接推進技術(shù)。 盡管電力推進暫時退出了海軍戰(zhàn)斗艦艇領(lǐng)域，但由于電力推進的特殊優(yōu)點推進功率調(diào)整上極其靈活，所以在一些工程船以及破冰船等要求良好操縱性、轉(zhuǎn)矩特性和響應(yīng)特性的特殊艦艇上仍然廣泛采用電力推

26、進。 第二次浪潮 20世紀(jì)70年代后，電力部件向大功率方向飛速發(fā)展，功率一體積比不斷提高。以開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的功率電子技術(shù)不但不斷提高了開關(guān)的頻率，而且朝著智能化、模塊化方向發(fā)展，具有代表性的幾種功率電子器件首先在陸上電網(wǎng)得到了應(yīng)用，然后又逐步應(yīng)用到了艦艇上，功率電子技術(shù)徹底改變了艦艇能量變換的面貌。80年代以后，進入實用階段的永磁電機可以給艦艇電力推進設(shè)備帶來更小的體積和重量，加上大功率、低油耗的新型燃?xì)廨啓C面世，這使得電力推進在海軍的“復(fù)辟”有了技術(shù)上的可行性。 英國23型“公爵”級反潛護衛(wèi)艦是電力推進系統(tǒng)“第二次浪潮”的先行者，采用了柴一燃一電混合推進系統(tǒng)，安裝了高效率的電機和換能設(shè)備。進

27、入21世紀(jì)后，各國海軍紛紛開始策劃為本國的新一代水面主力作戰(zhàn)艦艇配備全電推進系統(tǒng)，典型的如英國海軍的45型防空驅(qū)逐艦和美國海軍正在建造的DDG 1000驅(qū)逐艦，前者將成為世界上第一種全電推進的水面作戰(zhàn)艦艇，其核心為燃?xì)廨啓C電力推進系統(tǒng)，而后者的核心則是綜合電源系統(tǒng)模塊。除了英美兩國外，目前德國、法國和荷蘭等國也開始關(guān)注全電推進這一代表了水面艦艇動力系統(tǒng)未來發(fā)展方向的領(lǐng)域。我國也于80年代開始了高效率永磁電機的研究，并開始探討全電推進艦艇的可行性。 艦艇電力推進系統(tǒng)分為3種，第一種為普通的電燃或者電柴聯(lián)合推進方案，典型的例子為英國海軍的23型護衛(wèi)艦，該艦配備了柴一燃一電聯(lián)合動力裝置(CODLAG

28、），艦上配備了一臺巡航用的小功率推進電機，供艦艇在執(zhí)行聲吶搜索需要低速續(xù)航時使用，平時高速巡航時仍然采用燃?xì)廨啓C直接驅(qū)動螺旋槳。第二種為美國海軍采用的IPS方案，即綜合電源系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C（或者柴油機）驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電機組發(fā)出的電力進入配電網(wǎng)絡(luò)，然后配電網(wǎng)絡(luò)將電能分配給驅(qū)動電機和戰(zhàn)斗系統(tǒng)等子系統(tǒng)，但艦艇上還有機械輔助設(shè)備。第三種為真正意義上的全電推進系統(tǒng)(AES);由荷蘭海軍于2001年提出，是比IPS更為先進的面向未來的系統(tǒng)，即除了推進系統(tǒng)外，艦艇上所有的閥門、絞盤以及方向舵等目前采用液壓系統(tǒng)或者壓縮空氣系統(tǒng)控制的機械設(shè)施也將采用電驅(qū)動，成為真正意義上的全電戰(zhàn)艦。 全電推進的優(yōu)點 有利于

29、艦艇動力裝置配備 傳統(tǒng)艦艇軸系的長度往往占艦艇全長的40%，故艦艇的設(shè)計長度在很大程度上取決于推進裝置軸系的布置，這就使得艦艇總體設(shè)計的優(yōu)化受到一定的限制。采用全電力推進系統(tǒng)后，推進裝置的能量就不需要靠動力軸來傳遞，燃?xì)廨啓C或者柴油機等原動機、發(fā)電機組和推進電機可以相對獨立布置，使得總體設(shè)計自由度大大增加。采用綜合全電推進系統(tǒng)后，不用再配置額外的日常用電發(fā)電機組，可以大大減少艦上原動機配置數(shù)量，節(jié)省空間，減少維修量。而且可以對推進電機和發(fā)電機組進行合理的配置，以滿足各種航行工況下最佳特性的要求。放到整個艦隊來說，推進系統(tǒng)可以達(dá)到高度統(tǒng)一或者通用，可以大幅度地減小后勤保障的壓力，提高作戰(zhàn)能力。另

30、外電力推進可以選擇更為合適的螺旋槳，而且只需要重量輕、成本低的定距槳，提高了可靠性。如果電力推進艦艇再采用吊艙式電力推進裝置的話，還可以將螺旋槳移到艦艇邊界層外側(cè)，使其處于穩(wěn)態(tài)流中，提高螺旋槳的推進效率。 有利于艦艇電網(wǎng)電力供應(yīng) 艦艇所有原動機綜合在一起發(fā)電，可以使全艦電網(wǎng)可用電力大大增加，這不僅可以大大提高電網(wǎng)供電的可靠性，而且還可以滿足未來艦艇新概念武器對電能的需求，如電磁炮、高功率激光或者微波武器。同時發(fā)電原動機的運行數(shù)量和類型可以自由選擇，能保證它始終處于最佳負(fù)荷狀態(tài)，提高了機組的工作效率。 提高了艦艇的隱身能力 艦上的原動機可以盡可能地靠近艦艇尾部布置，使廢氣從艦艇尾部排出，更為重要

31、的是，電力推進不需要減速齒輪箱，減速齒輪箱不僅僅是艦上的主要噪聲來源，而且也是艦艇可靠性和生存能力的重要一環(huán)，一旦減速齒輪箱出現(xiàn)問題，輕則艦艇無法高速航行，重則無法動彈，只能任憑宰割。采用電力推進后，減速齒輪箱消失，艦艇的噪聲就要小不少，被潛艇探測到的幾率可以降低不少，同時生存能力和可靠性也大幅度提高。 有利于降低艦船費用 綜合電力推進系統(tǒng)便于實現(xiàn)船舶設(shè)備系統(tǒng)大范圍的模塊化，以及各級艦之間設(shè)備系統(tǒng)的通用化，而從大幅度地降低各類艦艇的研制成本。同時電力推進系統(tǒng)工作效率要遠(yuǎn)高于目前的常規(guī)推進方案，燃油消耗率也要降低不少，這樣又可以降低艦艇的運行成本。 電力推進系統(tǒng)的組成部分 電力推進系統(tǒng)的三大分系

32、統(tǒng)是原動機、電能分配和存儲系統(tǒng)、推進組件。與傳統(tǒng)推進系統(tǒng)相比，全電推進的艦艇多了一個將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電模塊，以及推進組件中多了一個電動模塊。全電推進系統(tǒng)能否成功，關(guān)鍵就在于能量轉(zhuǎn)化單元所增加的體積和重量，能否換回更高的推進效率和戰(zhàn)術(shù)機動性。 原動機 對于全電推進艦艇而言，最重要的一個環(huán)節(jié)就是發(fā)電機組原動機，從技術(shù)和成本角度出發(fā)，目前供選擇的動力來源有以下幾類： 一是采用中間冷卻一加熱循環(huán)技術(shù)的先進燃?xì)廨啓C。這種燃?xì)廨啓C很好地解決了油耗問題，具有燃?xì)廨啓C的加速性和柴油機低油耗性，而且輸出功率也能滿足大噸位艦艇的需求。不過目前面世的該類燃?xì)廨啓C只有羅爾斯羅伊斯的WR 21，獨此一家。WR 2

33、1最大輸出功率為25兆瓦，WRZ，最大功率時的燃油耗油率僅為184克千瓦時，這樣的經(jīng)濟指標(biāo)足以與大功率低速船用柴油機相媲美。WR 21極低的燃油耗油率特別適合于綜合電力推進系統(tǒng)，所以英國海軍6艘正在建造的45型驅(qū)逐艦采用WR 21作為發(fā)電機組的動力來源。 二是先進循環(huán)燃?xì)廨啓C。這種脫胎于成熟航空發(fā)動機的燃?xì)廨啓C經(jīng)過幾十年的發(fā)展具備了大功率、低油耗的特點，典型的如羅爾斯，羅伊斯的MT30、烏克蘭曙光機器科研生產(chǎn)聯(lián)合體的UGT 25000、美國通用電氣的LM 6000PC等等。以MT30為例，該型燃?xì)廨啓C衍生自羅爾斯羅伊斯的經(jīng)典航空發(fā)動機“特倫特”800系列，2002年開始組裝第一臺工程樣機，總重

34、26噸，在常規(guī)狀態(tài)下最大輸出功率為36兆瓦，緊急情況下最大輸出功率為44兆瓦，巡航時則可以輸出25兆瓦的持續(xù)低油耗功率，這要比WR 21中間冷卻回?zé)崛細(xì)廨啓C以及LM 2500+燃?xì)廨啓C大得多（WR 21的額定功率為25兆瓦，是英國海軍45型驅(qū)逐艦的動力裝置；而LM2500+的額定功率也為25兆瓦，是美國海軍“黃蜂”級兩棲攻擊艦的動力裝置）。據(jù)介紹，MT30的熱效率達(dá)到了42，而且在最大持續(xù)功率時的油耗只有207克/千瓦時，已經(jīng)可與當(dāng)今主流的艦用高速巡航柴油機相比。正是憑借出色的性能，MT30贏得了洛克希德馬丁公司的青睞，后者為其研制的瀕海戰(zhàn)斗艦選擇了2臺MT30作為動力裝置。另外，作為美國海軍

35、下一代驅(qū)逐艦DDG 1000的主要承包商，諾思羅普格魯曼也為DDG1000選擇了MT 30作為動力來源。除此之外，MT 30還是英國海軍CVF航母的首選發(fā)動機，由此可見MT 30的可靠性和質(zhì)量已經(jīng)到了無可挑剔的地步。 三是中/高速柴油機。典型的有德國MTU公司的2000、4000以及8000系列柴油機，其中8000系列最大輸出功率達(dá)9兆瓦，其他還有法國皮爾斯蒂克公司、美國卡蒂爾皮勒公司等。和目前現(xiàn)有的單循環(huán)燃?xì)廨啓C相比，這類柴油機依靠相對成熟的技術(shù)和低廉的價格，更為重要的是比較理想的燃油消耗率，加上目前采用的微處理器控制和燃油直噴等技術(shù)帶來的一系列的改進，在未來建造全電推進水面作戰(zhàn)艦艇時也可以

36、考慮用此類柴油機作為發(fā)電機組的動力來源。 此外，還有在水面艦艇上采用燃料電池組作為動力系統(tǒng)原動力的方案。但燃料電池目前還處于發(fā)展階段，技術(shù)還不是非常成熟，但可以作為長期發(fā)展的方向。 電能分配、存儲系統(tǒng) 相控陣?yán)走_(dá)、激光武器以及大型指揮自動化系統(tǒng)、推進電機等等這些都是電老虎，而艦艇上也有照明燈之類的小型用電設(shè)備，如何將這些大功率設(shè)備和小功率設(shè)備進行匹配、組網(wǎng)呢？這就要考驗艦艇的大功率電能分配系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及儲能系統(tǒng)的水平了。 出色的電能分配系統(tǒng)對于全電推進艦船至關(guān)重要，如果這一組件的效率得不到提高，那么全電推進動力系統(tǒng)在體積和重量上就不能和傳統(tǒng)推進系統(tǒng)相抗衡。從小的方面說，電能分配、存儲系

37、統(tǒng)首先要有用于功率轉(zhuǎn)換的功率轉(zhuǎn)換電容。未來30年內(nèi)，對于全電推進艦艇而言，配電網(wǎng)絡(luò)中單個脈沖周期內(nèi)電壓從百萬伏級別瞬間降到幾伏，或者在數(shù)個脈沖周期內(nèi)要維持幾萬伏電壓不變化都是合情合理的事情，這就對轉(zhuǎn)換電容提出了極為苛刻的要求。目前市場上出現(xiàn)的最好的商用化的轉(zhuǎn)換電容的功率密度大約為1一10千瓦電能/千克，而能量密度則在1一300焦千克左右，要滿足未來幾十年海軍全電推進艦艇的需要的話，其功率密度必須提高到200一1000千瓦電能千克，能量密度必須提高到20千焦千克，要達(dá)到如此高的指標(biāo)，除了采用全固態(tài)電路外，新的制造工藝也是不可或缺的。 全電系統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)中第二項關(guān)鍵技術(shù)就是變頻技術(shù)，交流推進電機應(yīng)

38、用于船舶推進，其關(guān)鍵是要解決交流電機的調(diào)速控制問題。常用的交流電機調(diào)速方式有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變頻調(diào)速。變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速在大功率應(yīng)用時都存在不小的局限性。因此，在交流調(diào)速方式中，采用變頻調(diào)速方式是最合適的?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動機、電力電子功率變換器、控制器和檢測器四大部分組成。電力電子功率變換器與控制器及電量檢側(cè)器集中于一體，稱為變頻器。電力推進變頻器的功率開關(guān)元件較多地采用大容量全控型電力電子器件，這些器件具有耐壓高和電流密度大的共同特點，其中絕緣柵雙極晶體管開關(guān)耐壓值高達(dá)9000伏特，工作電流大于6000安培，開關(guān)功率達(dá)到50兆瓦。絕緣柵雙極晶體管具有驅(qū)動功率小和導(dǎo)通壓降低兩方面的優(yōu)點，而且安全工作區(qū)寬、開關(guān)頻率高，在電力推進中具有較好的應(yīng)用前景。 推進組件 考慮船舶使用