（电力电子与电力传动专业论文）船舶电力推进动态负荷研究与仿真.pdf

a b s tr a c t an e wt y p eo fm a r i n ep r o p u l s i o n e l e c t r i cp r o p u l s i o n ，t h ep r o p e u i n gp o w e ro fw h i c hi s p r o v i d e db yt h ee l c c t r i cp o w e rd e v i c e ，h a sa l r e a d yh a de x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nv a r i o u ss h i p s b e c a u s eo fs om a n ya d v a n t a g e sa sh i g he f f i c i e n c y , l o wn o i s ea n df l e x i b l ec o n t r o le t c t h ee l e c t r i cp r o p u l s i o np l a n ti nc o m m o nu s ei sc o m p o s e do fe l e c t r i cm o t o r , d r i v i n gp o w e r s u p p l ya n dp r o p e l l e re t c a c c o r d i n gt od i f f e r e n ti n t e g r a ls t r u c t u r e ，i n s t a l l m e n tf o r ma n ds p e e d r e g u l a t i o nm o d e s ，e l e c t r i cp r o p u l s i o np l a n tc a nb ec l a s s i f i e di n t oav a r i e t yo ft y p e s ，a m o n g w h i c ht h r u s t e r e l e c t r i cp r o p u l s i o nd e v i c ei si nw i d eu s en o w w h i l es h i p p i n g ，e l e c t r i cp r o p u l s i o nl o a di si nad y n a m i cc h a n g i n gs t a t e ，r e l a t i n gt o ，s h i p s s t a t eo f m o t i o na n dp r o p u l s i o no p e r a t i o ns t a t u s t h es t u d yo fe l e c t r i cp r o p u l s i o nl o a dc h a n g i n gr e g u l a t i o n sc o u l dp r o v i d er e f e r e n c e st ot h e c h o i c eo fp r o p u l s i o nm o t o rt y p ea n dd e c i s i o no fs h i p sp o w e rp l a n tc a p a c i t ya sw e l la st ot h e o p e r a t i n gm a n a g e m e n to fe l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m r e l a t e ds o f t w a r ew o u l d a l s ob ew r i t t e nt o c a r r yo u tt h es i m u l a t i o no p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f e l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t sa sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c e dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o p u l s i o nm o d e so fs h i p s ；a n a l y z e dt h e p r o p u l s i o nd r i v ea n dr e s i s t a n c eb e s i d e st u r nt o r q u ea n dt h er e s i s t a n tt o r q u eo fs h i p sm o t i o n ， g a v ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c sm o d e l ；a n a l y z e dt h eo p e r a t i o na n dt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s o fm a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o n 2 a n a l y z e de l e c t r i cp r o p u l s i o nl o a dc h a n g i n gf e a t u r e s i nd i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t e s ； s t u d i e dl o a dc h a n g i n gp r o c e s sd u r i n gs y s t e ms p e e d u p ，s l o w d o w na n ds h u td o w n ；d i s c u s s e d b r a k j n gp r o b l e mw h i l ee l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e ms l o w d o w na n ds h u td o w n 3 b a s e do nt h ea n a l y z eo fs h i pm o t i o na n dt h er e s e a r c ho fp r o p u l s i o nl o a dc h a n g i n g f e a t u r e s ，g a v es i m u l a t i o na l g o r i t h mo fp r o c e d u r el o a dc o n t r o la n da u t o m a t i cd i r e c t i o n a lt r a c k i n g c o n t r o lo fe l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ；d e s i g n e ds i m u l a t i o ns o f t w a r eo fm a r i n ee l e c t r i c p r o p u l s i o ns i m u l a t i o no p e r a t i o n k e y w o r d s ：s h i pm o t i o n ；e l e c t r i cp r o p u l s i o n ；d y n a m i cl o a d ；s i m u l a t i o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名日期： 上- 6 1 ：上 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者躲蛳新虢绌- i1 - t 魄型z 上丝 上海海事人学硕士学位论文 第一章引言 船舶电力推进是船舶推进方式中的一种，具有效率高、噪声低、控制灵活等诸多优点， 现在已越来越广泛地应用于各种船舶。 本章首先简要介绍本文的项目来源和主要研究内容；然后对船舶的类型、船舶的推进 方式作简要介绍；其后介绍船舶电力推进基本概况，包括船舶电力推进技术的发展、船舶 电力推进系统的组成、船舶电力推进系统的应用与展望等方面的内容。 1 1 本文项目来源与主要研究内容 1 1 1 项目来源 本文项目来源于交通部重点实验室一上海海事大学航运仿真中心电力推进仿真实验 室吊舱式电力推进仿真项目，本文内容是其中的一个子项目一吊舱式电力推进的动态负荷 研究。 1 1 2 项目研究意义 通过对吊舱式电力推进动态负荷的研究，建立相关数学模型，编写电力推进仿真模拟 软件，可为吊舱式电力推进半实物仿真提供负载动态变化参数，以便实施相应的推进控制 仿真模拟，比如控制变频调速装置的输出、模拟不同操作状态或船舶运动状态时推进电机 负载的动态变化等。进一步还可为电站的动态管理提供参数，实现船舶电力推进综合管理 的仿真。 1 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究内容包括：船舶的运动形式，船舶运动的阻力、阻转矩、船舶转动惯量、 转动加速度，船舶运动的推进力、偏转力矩和船舶推进的控制，船舶电力推进系统的组成 和工作特点，船舶电力推进负荷的动态变化，船舶电力推进减速和停机的回馈制动，船舶 电力推进的仿真实现。 论文第一章介绍了船舶电力推进概况、船舶电力推进系统的组成和工作特点，展望了 船舶电力推进的发展前景。其中，着重介绍了电力推进装置的不同布置形式，比较了不同 类型驱动电机的性能，展望了未来电力推进的发展趋势。第二章主要介绍了船舶运动坐标 系、船舶运动方式和操纵技术指标，为船舶动力学分析打下基础。第三章分析了船舶运动 的阻力、阻转矩和转动惯量等动力学参数，给出了船舶动力学分析的初步数学模型。第四 章主要介绍了船舶电力推进的控制及特点，分析了船舶的推进力与偏转转矩，建立了推进 力与偏转转矩数学模型。第五章是本文重点，分析了船舶操纵状态与船舶航行状态的关系， 研究了船舶电力推进负荷的动态变化特点，给出了定性的分析结论；研究了船舶电力推进 减速和停机的回馈制动问题，讨论了回馈制动的方法，比较了不同调速方式回馈制动的区 1 上海海事大学硕士学位论文 别：研究了电力推进的程序负荷控制问题，提出了解决方法；探讨了船舶电力推进负荷变 化与原动杌的速度响应、与电站的联合控制等问题。第六章介绍了配套设计的船舶电力推 进仿真软件，给出了电力推进程序负荷控制和航向自动跟随控制的部分程序，并给出了用 仿真软件进行电力推进仿真的实例。第七章对本文的研究工作进行y d , 结，介绍了需要进 一步研究的内容。 1 2 船舶电力推进概述 1 2 1 船舶的类型 船舶有很多种类，可分别从用途、排水状态、结构、推进方式等方面来区分【1 】【2 】。从 船舶的用途来分有集装箱船、货船、客船、油船、液化气船、滚装船、工程船、特种船、 军用舰船等类型。从船舶的排水状态来分有排水型、潜水型、半潜型、水翼型等类型。从 船舶的结构来分有单体船、双体船等。从推进方式来分，又有很多类型，下面专门分析。 1 2 2 船舶的推进方式 常规船舶大多采用柴油机经传动轴驱动螺旋桨的推进方式，实际上船舶的推进有很多 方式。 船舶的推进方式可从以下几方面来区分：从螺旋桨的螺距可变性来分有定距桨和变距 桨两类。从螺旋桨的数目来分有单桨、双桨、多桨等类型。从螺旋桨的布置位置来分有尾 推、侧推等类型。从螺旋桨的布置方式来分有尾轴式和吊舱式等类型。从直接推进动力来 分有柴油机推进、汽轮机推进、燃气轮机推进、核动力推进、电力推进、喷水推进、磁流 体推进等。 不同的推进方式，其控制就会有较大的区别。 1 2 3 船舶电力推进定义 船舶电力推进是指船舶的推进动力由电力装置产生。 一般情况下，电力推进装置由电动机与螺旋桨构成，电动机直接驱动螺旋桨转动。 但也有不用电动机和螺旋桨的电力推进装置，比如目前正在研究的磁流体推进，利用 海水通过电流后在磁场的作用下产生的电磁力作为推进力，不再需要螺旋桨。 船舶电力推进是船舶推进方式的革命，其突出的优点是推进效率高，工作噪声低，操 作灵活。 1 2 4 电力推进装置的布置形式 从电力推进装置的布置形式来分，船舶电力推进一般有五种形式。 第一种是在常规的柴油机推进方式基础上，用布置在尾舱的电动机直接驱动螺旋桨， 这种方式取消了柴油机到螺旋桨的传动轴，可增加部分舱容，但仍然需采用舵控制航向。 潜艇、小型游艇等即是采用此方式。 2 上海海事大学硕士学位论文 第二种是用布置在船体侧面的电动机驱动螺旋桨，产生侧向推进力。布置在船体侧面、 由电动机、螺旋桨及外壳组成的整体称为侧推器。这种方式可提高船舶的机动性，有些大 型运输船采用了这种方式。 第三种是用吊舱装置将电动机置于船尾作为主推进动力驱动螺旋桨，取消传动轴。吊 舱装置构成一个水密流线体空间，吊放于船尾。电动机放置在吊舱装置内，通过轴与外部 的螺旋桨相连。吊舱装霞为固定式安装，方位角不能改变，仍需使用舵装置调整推进力的 方向。 第四种是采用装设于船尾可左右各1 8 0 度旋转的吊舱装置，用电动机驱动螺旋桨。电 动机驱动螺旋桨产生的推进力不仅大小可变，方向也能随着吊舱方位的改变而改变。这种 方式不仅彻底取消了传动轴，而且也不再需要舵装置。 第五种是将固定吊舱式和旋转吊舱式结合起来，部分吊舱为固定式，部分吊舱为旋转 式。这种形式一般在大型船舶上采用，如“玛莉女王2 号”游轮，采用法国阿尔斯通公司 “美人鱼”吊舱推进系统，4 具推进器，每具2 1 5 m w ；2 具固定，2 具旋转。 此外，据a b b 公司资料，其最新推出一种将旋转吊舱式与传统尾轴式推进结合起来 的推进系统( c r p ) ，吊舱置于尾轴式螺旋桨之后，螺旋桨转向不同，为对转式，桨叶数也 不同，且吊舱的螺旋桨桨叶直径小于尾轴式螺旋桨直径，功率小于尾轴式推进的功率。这 种方式可提高整个系统的推进效率。 1 2 5 船舶吊舱式电力推进的优点 船舶吊舱式电力推进方式，具有常规推进方式不具备的很多优点。 它去掉了常规推进方式船舶的主推进装置到螺旋桨的长长的传动轴，动力通过电缆传 送，而电缆敷设比较灵活，占用空间小。因此，船尾的舱容因传动轴的取消而有所增加， 电能输送效率也较传动轴提高，且工作噪音降低。 电动机的速度和转向调整快捷，吊舱可左右各1 8 0 度回转，因此推进力的大小和方向 都能很迅速地调整，所以对船舶运动的控制很方便，操作比较灵活，船舶的机动生大大增强。 采用电动机推进时，机组以恒定速度运行，驱动发电机发电，不再需要改变速度、改 变转向，也不再需要减速装置，因此可以采用高速机，减少体积重量，并可根据负荷情况 由一台或多台机组联合供电，系统的可靠性、工作效率均提高，操作维护的强度大大降低。 1 3 船舶电力推进技术的发展 船舶电力推进的发展大致经历了三个阶段。 最初，采用蓄电池供电给直流电动机，驱动船舶前进。1 8 3 8 年出现第一艘电动试验 船。这种方式，蓄电池需经常充电，供电能力也有限，船舶的航行速度不能达到很高，主 要用于一些小型船艇低速航行。后来通过与柴油发电机组等配合使用，容量逐渐增加，直 上海海事大学硕_ t 学位论文 流电力推进方式逐步应用于工程船和潜艇等。 其后，随着技术的进步和设备容量的增加，交流电力推进逐渐开始在船舶上应用，采 用较多的是汽轮机交流电力推进和柴油机电力推进。这一时期国外建造了较多的电力推进 船舶【4 】比较典型的有英国于1 9 6 1 年建成的定期客轮“堪培拉”号，采用汽轮机发电机组， 两台同步发电机，单机功率3 2 m w ，6 0 0 0 v ，两台同步电动机，单机功率3 1 2 m w ，6 0 0 0 v 。 现在，随着电力电子技术的发展和电机制造工艺水平的提高，中压电站、大功率变频 装置、中压电动机已逐步应用于船舶，越来越多的船舶开始采用电动机驱动螺旋桨作为船 舶的主推进装置。同时，船舶动态定位技术、综合电力推进技术等飞速发展，自动化水平 越来越高。电力推进开始向大功率、全自动方向发展。 随着船舶吨位的增加，大型船舶靠离码头或进出港变得越来越困难，因此，在船舶上 开始应用侧推装置。侧推装置也大量采用电力推进装置，一般布设在船首，与船尾的主推 进装置配合使用，船舶的操纵控制变得非常灵活，但其功率不是很大。 国外在船舶电力推进方面处于技术前沿的主要有德国西门子公司、法国阿尔斯通公 司、瑞士a b b 公司等。西门子公司的产品是与专攻新型吊舱式推进系统的肖特尔公司 ( s c h o t t e l ) 联合研制的西门子肖特尔吊舱推进器( s s p ) ，在全方位吊舱的同一根轴上有两 部螺旋桨。法国阿尔斯通公司的产品是与瑞典的卡米瓦公司( k a m e w a ) 联合研制的“美 人鱼”电力推进装置( 见图卜3 ) 。瑞士a b b 公司的产品是与芬兰克瓦纳马萨船厂联合 研制a z i p o d 吊舱式推进系统。此外，还有一种称为d o l p h i n ( 海豚) 的吊舱式推进系统， 由s t na t l a s l i p s 公司研制。 1 4 船舶电力推进系统的组成 船舶电力推进系统主要由发电机组、配电装置、变频调速装置、驾驶控制系统、推进 电动机、螺旋桨、吊舱等部分组成，如图1 - 1 所示。 q 捶弋厩o - b r 4厂垛i i ) 幽卜1 船舶电力推进系统的组成 1 一发电机组；2 一配电装置：3 - 变频装置：4 一驾驶控制系统：5 一推进电动机；6 一螺旋桨# 7 - 吊舱 图卜2 为瑞典的卡米瓦公司( 狮e w a ) 与法国的阿尔斯通公司( a l s t o m ) 联合 开发的“美人鱼”电力推进系统组成示意图【明。由发电机组、双绕组电动机、滑环装置、 功率转换器、主配电板、船舶管理系统、电力管理系统、谐波过滤系统、动力定位系统、 综合监控系统等组成。 4 上海海事大学硕士学位论文 圈卜2。美人鱼”电力谁迸系统组成不恿酗 1 4 1 发电机组 发电机组主要用来提供电力推进所需要的电能，与配电装置一起构成船舶电站。根据 不同船型，有的船舶将推进供电和其他设备供电用两个电站提供，有些则采用统一供电方 式，称为综合电力推进系统( i e p s ) 。 电站一般有两台或两台以上发电机组，原动机通常采用柴油机，也有些船舶采用汽轮 机或燃气轮机作为原动机。现代电力推进船舶，推进电机的功率一般都在兆瓦级，为保证 电力系统可靠工作，电站的总容量要较推进电机最大负荷大，功率储备应在2 0 以上。 1 4 2 配电装置 配电装置对供电系统进行监控、管理和电能分配，将电站电能输送到电动机调速装置， 并实施必要的过载、过压等保护。采用电力推进的船舶，一般采用中压供电，以减少电能 损耗。 在船舶航行过程中，推进电机的负荷会经常发生变化，变化的幅度也很大。因此，需 要有一个大功率、稳定可靠的供电系统维持供电。电力负荷的大范围变化，对电站系统是 一个严峻的考验，特别是电力推进系统减速或停机时出现电能回馈时。中压供电也带来一 些相关问题，相应电气设备的绝缘等级、电气设备的制造工艺必须提高，人员安全措施、 管理人员操作水平等也都要相应提高。 1 4 3 变频调速装置 变频调速装置主要用来控制和调整推进电动机的速度，是船舶电力推进的核心装置之 一。变频调速装置需要有足够的驱动功率、低频起动转矩和抗干扰能力，同时，要减少对 电力系统的电磁干扰。 5 上海海事大学硕十学位论文 常用的变频调速装置类型有交一直一交变频( 间接变频装置) 、交一交变频( 直接变 频) 和脉宽调制( p w m ) 逆变器等三种1 8 1 1 9 1 1 1 0 】【矧。 交一直一交变频调速装置先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器 将直流交换为可控频率的交流。交一交变频调速装置用晶阑管将高频交流电转变成低频交 流电，不需直流环节。问接变频装置又可分为电压源变频器和电流源变频器两大类，它们 的区别是电压源变频器用并联的电容来缓冲无功功率，电流源变频器则用串联的电感来缓 冲无功功率。 脉宽调制( p w m ) 逆变器用可关断晶闸管( g ，i d ) 、电力晶体管( g t r ) 和电力场效 应管( p m o s f e t ) 等将整流后的直流电进行斩波，变换成幅度不变、宽度变化的矩形脉 冲，得到所需频率的交流电。 变频调速装置调速时根据其调速范围不同可分为基频以下调速和基频以上调速两种 1 7 】【1 8 】【1 9 】。基频以下调速时，为防止磁路饱和，在调频时v 伊保持不变，当频率在较低 值时，还要适当拾赢电压补偿定子电压降低，属于厘转矩调速。基频以上调速时，属于恒 功率调速，电压不再上升，仅频率上调。 螺旋桨低速转动时效率较高，所以变频调速装置采用的是基频以下调速。根据频率f 与转速n 的关系式a = 6 0 f p 可知，为了获得低的推进电机速度，通常选用极对数p 较多的 电机，比如表卜1 中推进电机额定最高转速n m a x 为1 8 0 r p m ，其极对数p 为l o 。 船舶电力推进系统驱动的螺旋桨负载为风机型负载负载转矩随转速的升高按二次方 上升，负载功率则随转速按三次方上升，因此对变频调速装置的功率输出能力要求较高。 变频调速装置的主要性能指标有以下几个方面【1 7 】1 2 6 1 ： 1 低频起动转矩 低频起动转矩通常可达到7 0 2 0 0 额定转矩，采用v f 恒定方式调速时，在低频时 由于定子电阻的压降所占比例升高。激磁会出现不足，所以一般要对电压作适当补偿【1 1 l 。 低频起动转矩起动转矩对于船舶电力推进这种应用场合尤为重要，因为在船舶上会经 常进行推进电机起动、停止的操作，而船舶的运动使水流产生对螺旋桨的冲击，导致起动 转矩增大，要求每次停止后重新起动时都要能使电动机顺利驱动螺旋桨工作。 2 速度调节控制精度、转矩调节控制精度 速度控制精度也称为频率分辨度，一般能达到0 0 2 ，转矩控制精度达到3 。 3 响应速度 从转速为零到全速运行的时间、从全速运行到转速为零的时间，称为变频器的全速响 应时间。 对于船舶电力推进来说，变频装置的响应速度也是一个重要的指标，它对船舶的驾驶 6 上海海事大学硕士学位论文 控制有很大的影响。一般希望变频装置响应速度要快，但响应速度也不是越快越好，必须 与电动机所驱动的螺旋桨的响应速度配合，否则可能导致失步。 4 低速稳定性 变频器低速工作时的速度稳定性可以用低速脉动情况来衡量，高质量的变频器在1 h z 时转速的脉动小于1 5 r p m 。 5 噪声及谐波干扰 变频器工作噪声对人员的工作会产生影响，主要由逆变器中电力电子器件产生。谐波 则会对无线电通信和电力系统产生干扰或影响，并且会使电机产生谐波损耗，导致电机发 热，转矩出现脉动等。 6 发热量 变频器工作时会发热，如果通风散热系统工作不好，就会影响变频器的正常工作，降 低变频器输出能力。 7 功能完善性 变频器一般具有比较完善的功能，能自动完成频率跨跳、压频曲线、转矩提升曲线设 置，具有过载保护、控制方法优化、运行参数存储、设定数据的自动存储和恢复等功能。 此外，有些变频器还具有通讯功能，将变频器的工作参数与上位机之间实现交换，实现远 程遥控。 1 4 4 驾驶控制系统 驾驶控制系统用来控制电力推进系统的工作和进行船舶航行的管理。驾驶控制系统必 须能按照船舶驾驶规范完成备车、用车、停车、完车等各项工作，完成船舶进出港、靠离 码头、正常航行等状态下的船舶航行速度、航向的控制等工作。一般还具有操作部位转换 功能，比如驾驶室、集控室、机旁控制转换。 1 4 5 推进电动机 推进电动机用来驱动螺旋桨工作，是船舶电力推进的核心装置之一。一般采用同步电 动机或异步电动机，功率达到兆瓦级。为了减小电机体积重量和电缆截面，减少电能输送 损耗，通常采用中压供电，要求电机绝缘等级较高。推进电动机在吊舱内工作，因此其工 作维护、散热问题等必须妥善解决。 1 电力推进装置驱动电动机的类型 从电力推进装置的驱动电动机来分，可分为交流电力推进和直流电力推进两大类型。 电力推进发展初期，采用直流电机推进方式的较多，随着船舶电站容量的增大、船舶 自动化程度的提高和电力电子技术的发展，电力推进已广泛采用交流电力推进方式。 2 电力推进装置驱动电动机性能比较 7 上海海事大学硕士学位论文 直流电力推进装置采用直流电动机驱动螺旋桨。直流电动机具有推进转矩大、调速特 性硬、调速方便等优点，所以曾得到广泛应用。但普通直流电机存在体积较大、调速损耗 大、容量有限、电刷一换向装置中的电刷和换向片易磨损、工作时会产生火花、需经常维 护等问题，因此其应用范围逐步缩小。 交流电力推进采用交流电动机驱动螺旋桨。交流电动机具有体积小、容量大、工作基 本免维护等优点，因此，交流电力推进应用范围越来越广。但交流电机也存在不足，起动 转矩较小，调速控制装置复杂。另外，异步电动机的机械特性较软，功率因数较低；同步 电动机不能高速自起动、调速过快时可能会出现失步问题。 近年来随着电力电子技术、微控制技术和稀士永磁材料的发展，永磁电机技术逐步成 熟起来。永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、单机容量大且可靠性高等特点， 从而有希望成为新一代船舶推进电机【2 5 1 ，特别适合潜艇等船舶的推进。 永磁电机有两种应用形式咧，一种是磁极产生的气隙磁场为梯形波的电机，绕组产生 的感应电势也为梯形波，配套调速逆变器需输出方波电流，用转子位置检测器检测磁极位 置，取消了电刷装置，类似直流电动机的调速，这种工作方式的电动机称为无刷直流电动 机。另一种是磁极产生的气隙磁场为正弦波的电机，绕组产生的感应电势也为正弦波，配 套调速逆变器需输出正弦波电流到三相绕组，这种工作方式的电动机称为永磁同步电动 机。永磁同步电动机一般采用s p w m 变压变频器提供三相电流，用分辨率较高的光电编 码器检测磁极位置，用以控制变压变频器的频率和相位。永磁同步电动机一般没有阻尼绕组。 同步电动机功率因数为1 ，效率较高，因此电源利用率提高l 。它的转速与电源频率 保持严格同步关系，速度控制精度较高。但同步电动机的起动比较复杂，需要设置笼型起 动绕组，并在较低速度时( 约为额定转速的2 5 ) 起动；或者采用变频调速装置从低速 起动 3 0 】。同步电动机使用时必须注意调速过程不能过快，否则可能导致电动机失步，甚 至使电力系统出现振荡而崩溃，适于不经常调速或调速幅度较小的场合应用。 异步电动机起动容易，且可以在工作频率范围内直接起动【1 1 】。为了获得良好的起动 特性，异步电动机可以采用两套不同阻值的转子绕组或一套可改变阻值的绕线式绕组。起 动时，电阻值较高，可以限制起动电流，同时获得较大的起动转矩：正常运行时，电阻值 较低，特性较硬，并降低功率损耗。异步电动机的缺点是功率因数较低，同样功率所需要 的电流输入比同步电动机的大很多，特别是低速运转时损耗较大。电缆、开关、调速设备 等的电流载荷容量都须提高，电源利用率较低。 表1 1 和表卜2 分别给出英国国际研究与发展公司为英国国防部设计的1 8 m w 永磁 同步电动机和美国海军选用的2 0 m w 异步电动机的设计参数旧，从两表参数比较得出， 永磁电动机的功率与重量之比较高，即单位重量的功率较大，适合制成大功率推进电机。 r j = = 海海事大学硕士学位论文 表卜11 8 m w 横向磁通永磁同步电动机设计参数 额定输出功率m w1 8 每相电压v 3 0 0 0 额定转速( r r a i n ) 1 8 0 每相电流a 7 5 总长度m m 2 1 4 j 0 极对数 1 0 总# i - 径，m m 2 1 3 8 相数8 转子直径m m 1 7 0 0 定子匝数3 5 径向气隙m m2 3 总重量t 2 1 表1 _ 22 0 m w 异步电动机设计参数 额定输出功率m w 2 0 每相电压，v 6 0 0 0 额定转速( r r a i n ) 1 8 0 每相电流a 6 5 5 外壳长度，m m 3 6 3 5 极对数 8 外壳外径，m m 3 6 8 0 相数2 3 铁心长变m m 2 2 5 0 满负荷功率因数o - 8 7 3 径向气隙, m m 3 总重量t 8 0 1 4 6 螺旋桨 螺旋桨用来将电动机的驱动转矩转化为船舶的推进动力。螺旋桨可采用普通的螺旋 桨，由于采用电动机驱动螺旋桨，变向与调速都比使用传动轴方式驱动螺旋桨方便，因此 电力推进时螺旋桨般不采用变距桨。螺旋桨在吊舱上的布置方式有舱首布置、舱尾布置、 舱首尾均布置三种形式。 1 4 7 吊舱 吊舱是将电动机、螺旋桨、方位控制装 置、冷却装置等组成一个相对船体独立的完 整系统的装置。吊舱的外形为流线型，以减 少船舶航行的阻力。吊舱还要能承受螺旋桨 产生的推进力、水流的冲击力。同时，要能 控制方位角，使船舶的航行方向发生变化。 吊舱的水密性、散热性能等要求较高。 图卜3 为“美人鱼”电力推进装置的结 构示意图【2 7 1 ，上部为方位角调整装置，下部 为吊舱，螺旋桨为腧首布置方式。 1 5 船舶电力推进的应用与展望 图1 - 3“美人鱼”电力推进装置结构示意图 电力推进的效率高，工作噪声低，节省船舶空间等诸多优点，使得越来越多的船舶开 始应用电力推进技术。 1 5 1 应用情况 上海海事大学硕士学位论文 国内外已有很多船舶采用电力推进装置，国外已广泛应用于游轮、客轮、渡轮、破冰 船、油船等船舶，如“玛莉女王2 号”游轮、“伊丽莎白女王2 号”游轮、俄罗斯核动力 破冰船“v a y g a c h ”号等。国内也有部分船舶采用电力推进装置，比如中远集团的“泰安口”、 “康盛口”半潜船，中国海监的“中国海监8 3 号”科考船，烟台一大连火车渡轮等。 1 。5 2 应用途径 电力推进技术应用途径有两种，一种是将旧的船舶通过改造的方式应用，一种是新建 船舶直接应用电力推进技术。 1 改造船舶现有推进装置 英国“伊丽莎白女王2 号”游轮于1 9 6 7 年下水，长2 9 3 米，高5 4 米，排水量超过7 万吨，船上拥有9 5 0 间套房，曾荣膺“世界上最大的邮轮”称号。1 9 8 6 年、2 0 0 1 年两次 重新改装，装有交一交变频电力推进装置，它采用同步变换器推进方式，双轴双电动机， 满载时单机功率达4 4 m w 。 货船也可通过改装应用电力推进。有研究报告指出，散货船、集装箱船和油轮等货船 采用电力推进时，初期要增加一定的改装投资费用，但改装后运行费用会下降。因此，采 用电力推进是合理的、可行的。比如，将一艘3 6 0 0 0 吨的成品油轮由原来的低速主机换成 交一交电力推进，则投资成本和运行费用都会降低。由中速柴油机替代传统的大型低速主 机后，柴油机的安装功率可由9 2 兆瓦降至6 5 兆瓦，主机的安装空间节省1 3 个肋位，重 量减轻7 6 0 吨，机械设备与钢材费用节省3 3 0 万美元，运行费用节省6 0 万美元，中速柴 油机的热效率比低速机高，每年节省燃料费约7 万美元。 2 新建船舶直接应用电力推进技术 a b b 船用设备公司相继制造了多套配装在“幻想”号等大型游轮上的直接变频器推 进和发电设备。“幻想”号游轮推进功率为3 7 5 兆瓦，“晶莹和谐”号游轮推进功率为2 1 4 兆瓦，“太阳公主”号及其姐妹轮推进功率为2 1 2 兆瓦。上述应用实例表明，大型 豪华游轮采用交一交电力推迸已成为国外的一种发展趋势。 各种工程船也是电力推进的主要应用领域，在2 0 世纪8 0 年代以前以直流或交一直推 进为主，2 0 世纪8 0 年代之后出现了大量的以交一交变换器供电的电力推进工程船。国外 的如芬兰的核动力破冰船，主推进为3 1 2 兆瓦的同步电动机；国内的如青岛造船厂建造 的浅海电力推进拖曳供应船，4 桨，推进总功率为2 2 兆瓦。 1 5 3 前景展望 1 新型设计思想 船舶电力推进与船舶电站联合管理，综合电力推进的设计方案逐步被采纳。 在过去的电力推进船舶中，电力推进用电源与船上辅助用电电源常分设两个发电系 1 0 上海海事大学硕士学位论文 统，而近期的论证研究与实船运行证明，推迸电源与辅助电源台二为一具有一系列优点。 比如可选择中高速原动机，并可布置于任一合适的位置，从而便于机舱的布置：原动机可 以恒速运行，结构噪声小；可根据不同负载情况，选择合适的原动机组合以确保其运行处 于最佳效率下，从而使燃料充分燃烧，延长使用寿命，减小污染。 采用推进电源与辅助电源合二为一的方案，可将各机组设计成具有较大的冗余度，这 样即使某些原动机出现故障也仍能维持工作，使全船失电的可能性减至最小。比如以减速 齿轮传动的船舶，四台发动机以8 5 的最大持续功率推进船舶，当一台发动机发生故障 时将导致航速下降较大，而采用柴一电联合推进时，即使有两台主机不能工作仍能正常航 行，因为在保持发电的情况下，可利用的功率按优先原则分配，首先保证电力推进供电。 2 新的电力推进技术和装置 随着船舶电力推进理论和技术的发展，将来必定会有更多新的电力推进技术和装置出 现，比如超导电机、磁流体推进、燃料电池电力推进等。其基本发展趋势是效率越来越高， 控制越来越灵活，自动化程度也越来越高。 ( 1 ) 超导电动机推进 超导电机分为直流超导电机和交流超导电机两类。 超导电机的独特之处在于它使用超导材料的励磁部分，这也是超导电机的优势所在。 超导线材可承载比相同尺寸和重量的铜导线高很多倍的电流，可达1 4 0 倍以上。使用超 导材料后，可以取消铁磁回路，因此，超导电机的重量、尺寸较普通电机小。超导线圈可 以产生强大的磁通密度和强大的磁场，而且损耗几乎为零，这样可大大地增强电动机的电 磁力矩，单位质量能提供更大的转矩。尽管超导材料在维持低温环境时需要消耗能量，但 低温冷却系统所需的功率却相当低，大约为常规电机铜损的1 0 左右。超导电动机在其 整个运行功率范围内，都能始终保持极高的效率，大型超导电机在全负载工况运行时的效 率高达9 9 以上f 2 8 】。 图卜4 为一台3 对极船用交流 超导推进电动机结构示意图【2 8 】，转 子由超导励磁绕组、支架结构、冷 却回路、低温恒温器和电磁屏蔽装 置等组成。 超导电动机的转子为励磁绕 组，由超导材料制成，运行在封闭 的低温( 3 5 4 0 k ) 制冷装置中， 该制冷装置设置在一个固定的构图1 4 船用交流超导推进电动机结构示意图 1 1 上海海事大学顾士学位论文 架上，用氦气来冷却转子上的部件。 ( 2 1 磁流体推进 磁流体推进是利用海水中电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生推力的一种 推进方法。磁流体推进器运行过程中伴随着物理和化学现象，通过海水的导电作用，使海 水在船体通电线圈产生的磁场中受到电磁力，从而对船体产生反作用力。 中国科学院电工研究所从1 9 9 6 年开始从事超导磁流体推进技术的研究，研制成功世 界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进实验船，2 0 0 0 年获中科院科技进步二等奖。 磁流体推进可应用于船舶推进、水力机械、鱼雷、电磁泵和超导应用等专业领域。它 具有振动小、噪声低和高速推进的能力，在2 1 世纪可望有良好的发展前景。 ( 3 ) 燃料电池电力推进 燃料电池电力推进是利用燃料电池装置给电力推进系统供电，其主要优点是燃料电池 工作噪声低，效率高，污染小，能源可综合利用。 燃料电池是用特定的装置，将化学能直接转化为电能的一种装置t 2 9 1 。燃料电池由燃 料、氧化剂、阳极、阴极、电解质、催化剂等组成。燃料电池有很多类型，现以质子交换 膜燃料电池为例说明其基本作用原理，如 图1 5 所示。利用质子交换膜技术将燃料 ( 通常采用氢气或其它燃料重整得到的 氢气) 与氧化剂( 通常为氧气) 混合，燃 料在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下， 在阳极将氢气催化分解成为氢离子和电 子，分解过程中产生的电子通过负载电路 引出到阴极；在阴极氧气通过负载电路获 得电子，还原为氧离子，在电解质中，氢 热 图卜5 燃料电池的基本作用原理图 离子和氧离子结合生成水。这样阳极流出( 失去) 电子，为电池的负极；阴极流入( 得到) 电予，为电池的正极，就产生了电能。这种电池只要外界源源不断地供应燃料( 如氢气或 甲醇) 和氧化剂( 如氧气或净化的空气) ，就可以提供持续的电能，同时，产生的热量和 水等都可以进行综合利用，整体效益较高。 燃料电池应用于电力推进要解决好燃料的安全存储、加注等问题，特别是氢气作为燃 料时。氢气存储时需要压缩并液化，需要低温环境；氢气易燃，容易产生爆炸，加注时必 须特别注意，这些都关系到船舶的安全。燃料电池还要解决好提高反应速度的问题，这关 系到电池的供电能力，特别是电力负荷大幅度变化时。 1 2 上海海事大学硕士学位论文 第二章船舶运动概述 船舶的运动是研究船舶电力推进电力负荷变化情况的基础。因此，本章主要对船舶的 运动形式进行分析，并给出旋转吊舱式电力推进操纵的技术指标。 船舶的运动包括运动学和动力学两方面i6 1 。描述船舶位置、速度、加速度、角速度、 角加速度等随时问变化的规律属于运动学；研究船舶受到力和力矩作用后运动位置和姿态 的改变属于动力学。研究船舶的运动，必须建立船舶运动的坐标系。 2 1 船舶运动坐标系 船舶运动坐标系有两种。一种是以地面为参考的坐标系，称为固定坐标系。一种是以 船舶为参考的坐标系，称为运动坐标系。 2 1 1 惯性坐标系 牛顿定律得以成立的参考系称为惯性坐标系。在小范围、短时间内发生的力学过程可 近似被认为是惯性参考系，惯性参考系必须选用固定坐标系。 固定坐标系一般有三种形式，如图2 1 所示。 e 图2 1 r b l 周定坐标系的形式 常用的坐标系为图2 - 1 ( a ) 和图2 - 1 ( b ) 。研究船舶的运动常用图2 - 1 ( a ) 。 2 1 2 运动坐标系 研究船舶的转动惯量、船舶与海水间的作用等问题时，以船体作为参考比较方便。以 船体为参考建立的坐标系，即为运动坐标系，它随船舶的运动而运动，但不影响船舶受到 的力和力矩分析。船体坐标的常用形式有图中所示两种形式，本文采用图2 2 ( a ) 。 一 z f a l x 圈2 - 2 船体坐标的常用形式 船体坐标系的原点0 一般取在船的重心g 处。 y e 海海事大学硕士学位论文 2 2 船舶的主要运动方式 刚体的运动有沿纵、横、垂向的直线运动和绕纵、横、垂轴的回转运动( 共六个自由 度) 及以某点为中心的振荡运动。实际物体的运动是其中的一种运动或一种以上运动的合 运动。 船舶的运动是一个复杂的运动，一般也是各种自由度运动的综合。船舶可能出现的运 动形式如表2 - 1 所示i 引。 表2 - 1 船舶的运动形式 直线运动转动 方向 单向运动往复运动单向运动 往复运动 纵向进退纵荡横倾横摇 横向横漂( 平移)横荡纵倾纵摇 垂向沉浮( 升降)垂荡 回转首摇 水面航行的船舶的常见运动形式是纵向进退运动( 直线运动) ，水平方向的改变航向 运动( 转动) ，有风浪时船舶开始出现横摇、纵摇、首摇，横荡、垂荡等运动。 2 3 船舶的直线运动 直线运动是指船舶在某条直线上运动。从运动方向来分，直线运动可分为纵向进退 运动、横向漂移( 平移) 运动、垂向沉浮( 升降) 运动。直线运动从运动方向的变化性来 分又可分为往复运动( 也称为振动、荡动) 和单向运动( 也称为进动) 。荡动又可分为横 荡、垂荡、纵荡，分别以横向、垂向、纵向轴为运动直线。 2 4 船舶的回转运动 转动是指船舶以某个方向为轴，产生角度的变化。从转动轴来分可分为三种形式，以 纵向为转动轴的称为横向转动；以横向为转动轴的称为纵向转动；以垂向为转动轴的称为 水平转动。从转动的方向来分又分为单向转动( 以横向或纵向为轴称为倾斜，以垂向为轴 称为回转或改变航向) 和往复转动( 摇动) 。从转动轴来分，摇动可分为以纵向为转动轴 的称为横摇；以横向为转动轴的称为纵摇；以垂向为转动轴的称为首摇。 从船舶的直线运动和回转运动特点可知，荡动和摇动是外界水流和风浪作用后引起 的，是一种随机运动；单向直线运动和单向回转运动则是操纵船舶引起的，是可控的。 2 5 船舶操纵的技术指标 2 5 1 常规船舶操纵的技术指标【3 】 常规船舶操纵的技术指标主要包括两类：风险指标与隐患指标。 风险指标指船舶允许的不发生事故的运动范围，即船首向与计划航向的偏角以及允许 的最大偏移量、最大操舵角，并由此来分析驾驶人员的不安感和潜在的危险性。 隐患指标由船舶操纵性能、地形条件、航行条件和操船信息组成。由船舶在狭水道中 1 4 上海海事大学硕士学位论文 航行的操纵性能及驾驶人员的操船特性可知，船舶在狭水道中航行的操纵性能主要涉及船 舶的控制航向、控制速度和控制低速航向的性能，表现为五种基本性能，即航行稳定性、 追随性、旋回性、停船性和低速航向性。其衡量指标分别为：操1 5 0 舵角的回舵试验中剩 余角速度、z 形试验中初始转首时间、旋回试验中的相对回转直径、倒车冲程与船长之比 及能维持舵效的最低航速。 以上是常规推进方式的技术指标，对于旋转吊舱式电力推进，则需另加分析。 2 5 2 旋转吊舱式电力推进船舶操纵的技术指标【”l 3 3 1 旋转吊舱式电力推进船舶应对吊舱的方位角控制范围及相应的螺旋桨速度加以限制， 两者要配合使用。 一般来说，在船速较高时，不允许大角度调整吊舱的方位角，防止大角度调整方位角 时产生过大的回转力矩，使船出现侧翻的危险。通常方位角限制在左右各3 5 0 ，这种限制 方位角模式适用于在开阔海域航行。在限制方位角的前提下，推进装置可使用全功率。 船速较低时( 一般为1 0 节以下) ，才允许吊舱方位角左右各1 8 0 0 转动，这种模式适 用于狭窄水道、进出港或靠离码头等情况下机动航行。此时，推进功率应限制在4 0 - - 6 0 。 t 海海事大学硕士学位论文 第三章船舶运动的动力学研究