船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用研究探析

張抱月

摘 要：隨著科技發(fā)展，電力推進(jìn)逐步取代機(jī)械推進(jìn)，在船舶動(dòng)力中得到了廣泛的應(yīng)用。本文闡述了電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀、概念及其重要組成部件，深入探討了實(shí)際應(yīng)用中電力推進(jìn)的特點(diǎn)和不足，為電力推進(jìn)技術(shù)的完善和更加廣泛的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船舶 電力推進(jìn) 應(yīng)用 特點(diǎn)

1.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷突飛猛進(jìn)，特別是在電子技術(shù)領(lǐng)域方面，伴隨著大功率電子技術(shù)、集成電路、自動(dòng)控制技術(shù)以及交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的逐步成熟，使得電力推進(jìn)船舶成為現(xiàn)實(shí)。早期直流電力推進(jìn)系統(tǒng)具有調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能好的優(yōu)點(diǎn)，但是由于電刷和機(jī)械換向器的存在，導(dǎo)致其體積及重量大、價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難，并且受到使用場(chǎng)所和離心力和換向片之間的耐壓的限制，直流電動(dòng)機(jī)在功率和轉(zhuǎn)速方面都存在著限制。近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，特別是電子電力技術(shù)與永磁電機(jī)技術(shù)日趨成熟完善，電力推進(jìn)方式也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，如具有電動(dòng)機(jī)體積小、效率高等多重優(yōu)點(diǎn)的交流永磁同步電力推進(jìn)系統(tǒng)，得到了廣發(fā)的推廣應(yīng)用。而PMW變頻器帶交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)則具有轉(zhuǎn)矩控制平滑、功率因素高的特點(diǎn)。交流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，這些都?xì)w功于現(xiàn)代電力、電子技術(shù)在器件、電路及其控制技術(shù)方面，向著集成化、高頻化、全控化、數(shù)字化方向的發(fā)展。

2.電力推進(jìn)系統(tǒng)的概念及組成2.1電力推進(jìn)系統(tǒng)的概念

船舶電力推進(jìn)就是采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳來(lái)推進(jìn)船舶運(yùn)行的一種推進(jìn)方式。首先，由其他原動(dòng)力提供能量給發(fā)電機(jī)，而后發(fā)電機(jī)又提供電能給電動(dòng)機(jī)。其中電力推進(jìn)又分為5類：獨(dú)立電力推進(jìn)，螺旋槳由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；聯(lián)合電力推進(jìn)，螺旋槳由電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)聯(lián)合推進(jìn)；輔助電力推進(jìn)，在航行時(shí)，主要工作機(jī)械不工作的情況下，主發(fā)電機(jī)供電給推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)；特殊電力推進(jìn)，主機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)螺旋槳和推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，主機(jī)不工作時(shí)，由蓄電池供電；主動(dòng)舵電力推進(jìn)裝置，在舵板內(nèi)設(shè)潛水電動(dòng)機(jī)，由電網(wǎng)供電后帶動(dòng)一小螺旋槳。

2.2電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

電力推進(jìn)系統(tǒng)通常由電站和電站管理系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變壓器、調(diào)速控制系統(tǒng)、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。

2.2.1電站和電站管理系統(tǒng)

電站管理系統(tǒng)已逐漸摒棄柴油發(fā)電機(jī)組降速耦合方式，而采用同步運(yùn)作方式，不但保證了船舶電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，同時(shí)也滿足了高標(biāo)準(zhǔn)電源的要求。相互連接的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)字同步和負(fù)荷控制器為電站管理系統(tǒng)的同步運(yùn)作提供了實(shí)現(xiàn)的可能性。

2.2.2配電系統(tǒng)和變壓器

低壓交流電力系統(tǒng)在目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)船舶交流電網(wǎng)中占主導(dǎo)地位，但是隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，船舶用電量增加迅速，又根據(jù)電壓等級(jí)的選擇條件是將負(fù)荷電流及短路電流控制在各主要配電設(shè)備的額定值以內(nèi)，低壓交流電已經(jīng)不能滿足電力推進(jìn)系統(tǒng)大功率的要求，主電力系統(tǒng)開(kāi)始采用2.3KV、3.3KV、4.16KV、6.6KV的中壓電力系統(tǒng)。為了保證中壓電力系統(tǒng)的安全性，要在多處安裝隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)，最大程度地減少人員傷亡。

2.2.3調(diào)速控制系統(tǒng)

主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。如果直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下，可以通過(guò)改變中樞電壓同時(shí)保持勵(lì)磁電流恒定的方法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而當(dāng)其轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速以上，要達(dá)到實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速的目的，必須改變勵(lì)磁電流。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，而交流電動(dòng)機(jī)的控制和變速驅(qū)動(dòng)依賴于變壓變頻技術(shù)?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)包括異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)兩種，對(duì)于這兩種調(diào)速系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)著不同的調(diào)速方法，對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，可通過(guò)變頻調(diào)速，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，除了改變電源頻率，通過(guò)改變極對(duì)數(shù)也可以達(dá)到調(diào)速的目的。

2.2.4推進(jìn)電動(dòng)機(jī)

1）直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)由于具有逆轉(zhuǎn)性能好，調(diào)整范圍寬等眾多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，但直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低等缺點(diǎn)限制了其只能在較小的船舶上使用。

2）交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩種，交流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功率大。同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)各具其特點(diǎn)，由于同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍廣，運(yùn)行穩(wěn)定等突出特點(diǎn)，使其在現(xiàn)代電力推進(jìn)系統(tǒng)中得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用。

2.2.5永磁電動(dòng)機(jī)

永磁電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，調(diào)速方便，比較適合于大功率低速推進(jìn)，并且同時(shí)兼具其噪聲低、效率高、維護(hù)性好的特點(diǎn)，但是生產(chǎn)成本較高。

3.電力推進(jìn)的特點(diǎn)

1）系統(tǒng)效率高，相對(duì)于機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)而言，電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活多變，各個(gè)部件之間連接更加緊密，系統(tǒng)運(yùn)行效率更高。

2）船舶噪聲低，相對(duì)于機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，電力推進(jìn)系統(tǒng)僅需要對(duì)從電動(dòng)機(jī)到推進(jìn)器部分進(jìn)行精確布置，其他部件可以比較容易地靈活安裝，電力驅(qū)動(dòng)不存在機(jī)械連接，在降低噪聲方面電力推進(jìn)具備很大的優(yōu)勢(shì)。

3）操作靈活可靠，在滿足動(dòng)力源充足的條件下，綜合電力系統(tǒng)只需較少的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且任何一個(gè)發(fā)電機(jī)組都可以根據(jù)需要使用，使得電力推進(jìn)系統(tǒng)的維護(hù)更加方便，可用性更好。區(qū)別于以往的電站，現(xiàn)在推進(jìn)器、船舶輔機(jī)及其他負(fù)載均有一套原動(dòng)力裝置供給能量，這種方式對(duì)于艦船速度的控制、航行效率的提高均有較大的改善作用。

4）船舶生命力強(qiáng)，機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)備空間布置具有很大的獨(dú)立性，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)很容易受到某一各部件的影響而不能正常工作，電力推進(jìn)系統(tǒng)本身具備的靈活性和模塊化能彌補(bǔ)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)這方面的弱點(diǎn)，能使各個(gè)部件相互連接交叉，使得整個(gè)系統(tǒng)更為安全穩(wěn)定，同時(shí)也大幅度地提高了電力推進(jìn)系統(tǒng)生命力。

5）增加可利用空間，電力推進(jìn)系統(tǒng)省掉了齒輪和軸系，不再需要將原動(dòng)機(jī)于螺旋槳進(jìn)行連接，不但節(jié)省空間，而且可以根據(jù)動(dòng)力的需要合理進(jìn)行分配。

6）減少人工操作，相對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)而言，船舶電力推動(dòng)系統(tǒng)中的數(shù)字化和自動(dòng)化控制，減少了相關(guān)人員的需求。

7）降低成本，電力推進(jìn)系統(tǒng)可以較容易地根據(jù)需要獲得不同的推進(jìn)速度，從而提高燃料效率，節(jié)省成本。

4.電力推進(jìn)的不足

1）電力推進(jìn)裝置本省成本高，盡管電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用較低，但相對(duì)于機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，采用電力推進(jìn)成本較高。針對(duì)這一缺點(diǎn)，可以采用新技術(shù)，改善功率密度，也可以采用裝置較少的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2）能量損失，在實(shí)際應(yīng)用中，相對(duì)于機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，由于電力推進(jìn)系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)作過(guò)程中要經(jīng)歷兩次能量轉(zhuǎn)化，不可避免地會(huì)損失一部分能量，導(dǎo)致系統(tǒng)中的總功率損失較多。

5.結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)探討船舶中電力推進(jìn)的組成部分及其各部件功能、電力推進(jìn)特點(diǎn)以及在應(yīng)用中的缺陷，了解到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。隨著電力推進(jìn)在船舶動(dòng)力方面的應(yīng)用的認(rèn)識(shí)不斷深化，以及電子電力、自動(dòng)控制及相關(guān)技術(shù)的完善，都為電力推進(jìn)技術(shù)在船舶動(dòng)力中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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