概述简介

电力推进船是指用电力作为动力来推进的现代船舶.现代舰船中有不少是用电力推进的，电力来自蓄电池或船用发电机。一些小型水面舰船或水下舰艇，利用柴油机或汽轮机带动发电机发电，转动推进电机推进舰艇。

优势1、更经济节能。就全电推进战舰而言，美海军估计，在航行时，运行费用可节约36%至38%。

2、运行灵活，能较容易地进行动态制动、倒车和适应海况变化，消除负载瞬态。

3、适应未来军舰采用的高脉冲功率武器，如电磁炮、高能激光武器等。1

电力推进船的推进方式1970年代以前，主要采用直流电力推进系统，因为直流电机转速调整范围宽广和平滑，过载起动和制动转矩大，逆转运行特性好；而交流电动机尽管具有输出功率大、极限转速高、结构简单、成本低、体积小、运行可靠等特点，但限于当时的技术限制，调速困难，应用较少。随现代控制理论和数字控制、直接转矩控制、矢量控制等电力电子技术的发展，交流调速系统的性能已经可以与直流调速系统相媲美。交流电力推进系统的应用，已经成为船舶电力推进发展的主流，呈现出蓬勃发展的态势。水面船只，交流电力推进占主导地位，所选用的交流电动机，交流异步电机、交流同步电机、永磁同步电机等并存。只有潜艇，仍是直流推进占主导地位。

目前，船舶采用的电力推进系统，型式多种多样，但归纳起来基本可分为以下五类：

·（1）可控硅整流器+直流电动机 ：

推进系统采用原动机一直流发电机一直流电动机形式，通过调节发电机励磁电流的大小和方向，调节电动机转速及转向。

这种推进方式的优点：

控制角α的控制范围，理论上是0～180°；实际上一般在15～150°，是考虑到电网的压降，确保电机可控，控制角α确保留有换流边界；

起动电流及起动转矩接近于零；

扭矩波动平滑；

动态响应一般小于100毫秒。

缺点是：

·转矩控制不够精确，若要得到精确平滑的转矩控制，必须提高电枢感应系数，但会引起系统动态性能减弱，功率因数偏低，增加系统损耗；

直流电机驱动需要的换向器，是一个易发生故障的部件；

会对船舶电网产生较大的谐波污染，因为采用了大功率电力电子器件；

直流电动机固有的结构复杂、成本高、体积大、维护困难、效率低等缺点，阻碍了它在船舶电力推进领域的广泛应用。

（2）可调螺距螺旋桨+交流异步电动机：

交流异步电动机+可调螺距螺旋桨模式，也为DOL(Directonline)模式，多采用鼠笼式感应恒速电机驱动变距桨实现，船速的控制靠改变螺旋桨的螺距。为了增加可操纵性，也可用极数转换开关实现电机速度控制。

这种推进方式的优点是：几乎没有影响电网的谐波，因为没有采用大功率电力电子器件；

电动机转矩稳定没有脉动；

在设计点运行时效率很高。

但缺点也不少，例如：

交流异步感应电机起动瞬间电流较大，通常是正常电流的5～7倍，系统电网压降大；

起动瞬间机械轴承受的转矩大，约为额定转矩的2～3倍；

极低航速，螺距近似为0时，仍要消耗额定功率的15%，电流约为正常值的45～55%；功率因数低，满负荷时也只能达到0.85；

功率及转矩的动态响应慢，一般3～5秒才能完成，因为采用液压机构完成螺距的变换；

反转慢，制动距离长；

变距桨的液压控制系统十分复杂，并工作在水下，故障维修时需进坞；

变距桨结构复杂，可靠性差，价格贵。

（3）电流型变频器+交流同步电动机(CSI+Synchronousmotor)：

a)电流型变频器CSI(CurrentSourceInverter)由整流器、滤波器、逆变器等三部分组成。工作原理是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。

b)SYNCHRO电力推进

交流电通过三相桥式全控整流电路以及平波电抗器，再经过逆变器转换后向交流同步电机供电，此种推进方式通常被称为SYNCHRO电力推进。SYNCHRO变流装置的输出频率，受同步电机转子所处角度控制：每当电机转过一对磁极，变流装置的交流电输出相应地交变一个周期，保证变频器的输出频率和电机的转速始终保持同步，不会出现失步和振荡。系统功率因数根据电机速度，从额定速度时的0.9到低速的0之间变化。SYNCHRO电力推进系统主要有6脉波、12脉波、24脉波等三种结构形式，谐波成分比较固定，消除比较容易。12脉波SYNCHRO电力推进系统，如果在电网侧并联有两组LC无源滤波器，对11次、13次谐波进行补偿，则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波，此时的电网质量可以满足船级社的规定，故12脉波的SYNCHRO电力推进系统应用较多。

SYNCHRO电力推进系统的缺点是：

低速运行时，电流型变频器将电流控制在零附近脉动，转矩输出也存在脉动，给轴系带来振动；

时间常数较大(由于直流电同感性负载相连)，所以系统动态响应较差；

电流型逆变电路中的直流输入电感数值很大才能够构成一个电流源，使直流回路电流恒定，所以电感重量、体积都很大，使得电流型逆变器使用受到一定限制。

而其优点，是：

起动电流接近等于零，起动转矩最高可达50%额定转矩；

价格上有一定的优势；

控制方便，操作灵活；

能匹配特大功率电机，目前已达40～60MW。

(4)交——交变频器+交流同步电动机:

CYCLO变频器，英文为Cycloconverter，中文译作交一交变频器或循环变频器。该变频器广泛应用于大功率、低速范围内的交流调速，其调速上限不超过基频的40%。交一交变频器+交流同步电机（Cycloconverter+Synchronousmotor)驱动方式，采用CYCLO变频器，通过控制一个可控的桥式反并联晶闸管，选择交流电源的不同相位区间向交流同步电机提供交流电。

双绕组电动机，就是电动机定子装有2套同功率但空间相位差30°的绕组，分别由一套6脉波三相输出交一交变频装置供电。变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路：一组晶闸管整流电路提供正向输出电流，另一组提供反向输出电流。构成这种交一交变频装置的三相桥式电路，在一个输出周期中三相电流有六次过零，带来六次转矩波动，所以这种交一交变频装置被称为6脉波交-交变频装置，是最基本的类型，应用广泛。与6脉波变频装置相比，12脉波变频装置具有系统响应速度快、谐波含量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。其缺点是所需电子元件数量大，对于6脉冲电路需要36个晶闸管，而12脉冲电路需要72个晶闸管，因而增加了成本。

采用交一交变频推进的特点是：

起动平稳，起动电流(转矩）可从零起逐渐加大；

转矩脉动平滑；

功率及转矩动态响应快，一般小于100毫秒；

电力系统内谐波高低取决于电机速度；

系统功率因数由电机电压决定，通常可达0.76；

满负荷时效率高；

变频器输出频率低，可以不需要齿轮减速直接驱动螺旋桨。

（5）电压型变频器+交流异步电动机：

压型变频器VSI(VoltageSourceInverter)，与电流型变频器CSI(CurrentSourceInverter)同属于交一直一交变频器，也由整流器、滤波器、逆变器三部分组成。工作原理也是整流电路将电网来的交流电转换成直流电；再经三相桥式逆变电路转变为频率可调的交流电，供给推进电动机。电压型变频器的中问环节采用大电容，对电动机来讲，基本上是一个电压源。随着电力电子器件的发展，电压型变频器发展成新型的脉宽调制型(PWM)，整流器用二极管组成，逆变器用IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成。IGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件，具有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，载流能力强等特点。目前绝大多数产品为此类型，并有低压及中压规格。

这种驱动方式采用二极管将交流电整流后，再通过PWM变频直流电斩波后向电机提供电压和频率均可调节的交流电。采用二极管整流器，可保持电力系统能在任何电机速度的时候功率因数接近0.95。相比CSI和CYCLO驱动，PWM驱动的系统谐波含量最少，用三芯变压器为变频器提供12半周的电源还可进一步减少谐波含量。PWM电压型变频器中，西门子采用IGBT器件进行矢量控制，ABB采用IGCT(集成门极换流晶闸管)器件进行直接转矩控制。从控制原理来说，两者都是用数字技术，通过计算机将电动机电流分解成转矩分量和磁通分量分别进行控制，以达到类似于直流电机的动态特性。通过PWM型变频器控制后：

系统电源输出的频率范围较宽；

功率及转矩的动态响应快(小于10毫秒)；

与高速鼠笼式感应式电机(900～1200r/min)匹配，在任何速度都能保持转矩平滑输出；

若采用矢量控制器，在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出；

起动平稳，起动电流(转矩)可从零起逐渐加大；

在任何负载状况下均有很高的功率因数(约为0.95)；

低速时功率损耗小；

推进效率高。23456

电推进对各类船舶应用优势一客船-游轮和渡轮客船，游轮和渡轮对船上舒适性要求很高，不能有大的振动和噪音。另外，考虑到乘客和船舶的安全，推进装置的可靠性和实用性要求很严。因此，电力推进很早就被评估满足以上要求并被投入应用。

今天，游轮采用电力推进的案例名单有一大长串并在不断增加。因为电力推进在机动性和油耗方面有明显改善，推进效率可增加10%，新建船舶中很大一部分比例的船舶指定要采用电力推进系统，比例还在不断增加。

随着对环境的关注不断增加，减排和防污染，减少船锚泊时对珊瑚礁的损害等要求都在不断增加。因此，船舶必须能够单独通过DP控制推进器实现定位，这也增加了游轮市场中对电力推进和吊舱推进器的份额。

废气（COX,NOX,SOX）排放方面的限制和重税导致了今年来新建的海湾和海峡渡轮纷纷采用电力推进系统。对于经常穿梭横渡即停靠码头的渡轮来说，采用吊舱推进器可以获得良好的机动性，极大地降低油耗。推进功率根据船的大小而不同，从几个MW的小渡轮到30-40MW的大型班轮。生活负载也是整个装机容量中一个很大的部分，比如一个大的班轮典型的生活负载达到10-15MW。

下图为典型的采用柴油机电力推进装置的游轮电力及自动化部件布置图

二油气勘探和开采船钻井平台，生产船和油轮

几年前，发现丰富的浅水区域的油气资源是可以开发利用，通过固定的钻井平台和生产装置开采得到。在北海、墨西哥湾以及巴西还有一些其他地方，新发现的油气资源都在深水海域，不太容易开采。这些油气田需要较经济型的方法来开采才能得到合理的经济效益和利润。采用动力定位或侧推辅助定位的锚泊方式实现深水钻探及漂浮作业开采是可行的。侧推器辅助的定位被应用于北海，加拿大，及其他一些环境恶劣的地区。在巴西，西非及规划中的墨西哥湾油田装置中，人们倾向于依赖动力定位来实现深水钻探，依靠不依赖于侧推的锚泊来进行漂浮作业开采。

用于定位的推进器一般也包括在移动和机动中使用的主推装置，或全部使用或部分使用。

这些船舶的典型特点是推进器装机功率较大，一般是20-50MW。包括生产，钻探，公共设施，日常用电，装机功率一般为25-55MW。典型配置是有一个公共的电网，为所有负载供电，运行时有高的效率和高度可操作性。 下图为半潜式钻井平台的电力系统布置图

穿梭游轮用于从海上采油设施处（平台、浮筒、基地或浮式采油、储油卸油设施）运送石油到岸上的处理厂或储存仓库。海上作业有许多种卸货方法，多数情况下，游轮都需要维持一个固定的位置（定位），要求抵御风浪流的影响，而且精度要求较高。因此，多数的游轮装备了DP系统。多数船舶装备了管式推进器或方位角推进器，有些主推进装置也采用柴电力推进系统。

对于许多应用来说，无论是运输还是定位，都要有较高的推进功率力冗余。解决方案是一般有两套发电和配电系统，有两套推进变频器，两套推进电机。

吊舱式推进装置概念的引入可能会影响到柴油机-电力推进装置形式的穿梭游轮设计，对比传统的双轴系推进系统，装备了两套吊舱推进器方案，是经济性和冗余程度最好的推进方案。

三现场支持船舶和海上建设作业船舶对于动力定位作为主要作业模式的船舶，比如潜水作业支持船舶，起重船，铺管船，电力推进装置很早就投入使用了， 起先采用定速的调距桨，后来是变速推进器。

对于不断变换工况的船舶而言，电力推进方式与传统推进方式相比，可以大大减少船舶的油耗和排放。据船东报告油耗每年可减少30-40%，随着石油工业对运行成本和环境影响的高度关注，电力推进船舶首先在北海，随后在其他海域被越来越多地用于现场支持船。

随着对高速通讯系统及全球光纤网络需求的增长，诞生了一大批布缆船，它们都配备了电力推进装置和动力定位系统。

这些船舶配置成DP定位船舶，满足CLASS2级或3级要求，多数采用电力推进，总功率在8-30MW，功率大小依船大小和钻井能力和起重能力而定。

四挖泥船

柴油机电力推进和定位设备也应用在一些浅水作业船舶上，比如挖泥船，工程船舶和风磨船等等。

良好的机动性，较低的油耗，以及需要经常变换作业地点是电力推进应用在这些领域广泛应用的典型标准。在船上装有大功率的施工作业用电设备，电力可以很好地把施工用电和推进用电综合用，取得装机功率较好的冗余配置和使用效果。

五游艇和娱乐船

游艇也是电力推进装置应用的场所之一。舒适性和环境友好是这类船舶的基本设计要求，电力推进除高效率外还可以满足低振动和低噪音方面较高的要求，应用比较普遍。

典型的装机容量是500KW-2000KW。大船对应更大的装机容量。

六破冰船和冰区航行船

相对于其他的工业应用，电力推进装置中对变频器的动态要求是较低的。但对冰区航行的船舶和破冰船来说，负荷的变化会很大，很迅速，这就意味着推进系统要有较高的动态特性以避免部件过载和跳闸。自1980以来电力推进系统被应用于多数新建的船舶中，基本配置和现场服务船相似，也有冗余的发电和配电系统，但对于破冰船来说没有动态定位的要求。

由于北极地区开采石油的需要，对破冰船、冰区航行船舶、现场支持船舶、护航船及穿梭油轮的需求快速增长。

七战舰

尽管人们对把电力推进应用在军舰上有着极大的兴趣，但目前很少有传统的水面舰船采用纯粹的电力推进，更多的是在规划论证中。对于潜艇来说，配备柴油发电机组和蓄电池组，燃料电池或核能电站的电力推进方式被广泛采用。

电力推进系统对于军舰和商船来讲，在概念上并没有很大的不同，但解决方案可能不同，因为可用性和冗余度的要求更加严格。另外，抗损能力及低噪声是电力推进系统应用于军舰的先决条件。

下图所示为K/V SVALBARD，一艘2002年下水服役的挪威海军海岸警备队的船舶，装备有双AZIPOD推进系统，有时承担军事任务。

八调查船

地理科考船，海洋勘测船，渔业资源勘察船都对水下噪声要求很严，通常要求要比一般的噪音水平低几十分贝。

传统应用是用直流电机作推进电机，主要是考虑到滤波、振动小及扭矩变化等因素。

使用现代变频器及滤波技术后，交流电机也可以满足如此高的要求，交流电机已被应用于新建船舶的设计中。

九发展趋势和新的应用

在新的领域应用电力推进是否可行仍被持续地调查和评估。LNG和化学品船，滚装船，集装箱船，渔船占据市场的大量份额，因为初投资增加，这些领域中电力推进还未被采用。

然而，只要较小的运行和设计标准的改变，比如增加的油耗或排放损失，规范的要求，以及设备费用的降低，都可能带来几个领域电力推进技术应用的巨大变化。7