船舶电力推进第一讲

船舶电力推进系统,TheIntroductionofMarineElectricPropulsionSystem(MEPS),MEPS:WHATs它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型.,在忽略定子电阻时，电压就是对磁链求导。磁链矢量端点在时间段的移动距离等于该时间段电压的积分。这里指的电压是指三相电压的合成矢量，它们和磁链都可在的坐标轴上来表达。,控制施加电压的方向及时间可以调节磁链矢量。为了最迅速的调节电压矢量的方向，对三相电流用简单的开关控制hyesteresiscontroller来构造六个矢量空间。其A，B，C三相电流分别依次有二开一关，再加上三相全开及全关，相当于八种组合的逻辑态。,此时三相电压的合成矢量在坐标上有六个方向。,为了使定子磁链以最快的方法达到所预期的位置，只要选择某种开关状态组合就可以了。对于六个矢量及零矢量的选择，取决于现有磁链矢量所在位置。它应该在磁幅为的同心圆环内运动，并同时满足与转子磁链夹角的要求。而对矢量相位角影响最大的则是零矢量的时间。零矢量意味定子磁链停止转动，扭矩降低。而零矢量时间段愈长也意味着平均电压的降低。,由于FOC及DTC技术的发展，也促进了变频器调制技术的发展。过去在SPWM中是相电流为对象调制的，所调制的目标是时域的波形。但实际上应该关心的是三相电流的合成矢量，尤其是它在空间中的位置。根据这种思路一种新的调制技术发展起来称为空间矢量脉宽调制器SVPWM。SVPWM是根据直角坐标上的空间矢量如U（I），直接调制为a，b，c三相的波形。,在DTC中已经讲过，用矩形脉冲控制器可产生6个方向的电流，同时将空间划分成6个区域（Section）。这6个方向上的平均电压将正比于所占通的时间。任何处在一个Section中的空间矢量都可以由6个电流中与其相邻的两个来合成。由此即能快速地由上空间矢量u，直接转化成三相电流。SVPWM已经得到广泛应用。空间矢量的概念也用于分析各种系统中。,h,直接转矩法的优点在于响应快，对于系统模型精度要求不高，鲁棒性好。其缺点是在低转速时，为保持磁链幅不变，电压下降，此时内阻不再能忽略。目前矢量控制法与直接转矩法都广泛应用，前者以西门子为代表，后者ABB等为代表。,同步电机的矢量控制,同步电机的矢量控制相比之下要简单得多。转子磁链矢量角与转子同步的，永远指向法线方向。理想的定子磁链方向应与转子磁链相垂直。此时，定子的电流全部用于产生扭矩，而不提供励磁，功率因数可等于1。,矢量控制的原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。,永磁电机,永磁电机是美国人HowardJohnson在1979年发明的，当时美国专利局对其专利申请的评审员认为其发明违背了能量守恒定律，不过这一专利最终还是获得了通过。永磁马达也被称为HJmotor。在永磁材料方面也有很大突破。过去永磁性材料是以钴、铂等为主要材料，价格昂贵，钴的主要产地在刚果（扎伊尔），主要用于信息产业。1983年发现以稀土金属铷为主要元素的铷铁硼材料具有极其优越的抗矫磁性。而这一材料十分便宜，其资源主要在中国内蒙，中国永磁材料的生产量2000年已经占1/3以上。而在2001年更占稀土矿生产的70。,永磁材料也可以和其它技术相结合用于船舶电力推进。2003年ABB公布已经可以生产5000KW的吊舱永磁电机。在海军正在建造的高温超导体电机中很多都同时采用了永磁材料。2002年西南交大成功研制了磁悬浮永磁、高温超导机车,永磁电机的优点：,转子无铁芯，转动惯量小，响应快；无电刷即集流环。,永磁电机可分为永磁无刷直流电机及永磁同步电机。但其结构几乎相同，只是控制电路额的不同。永磁无刷直流电机（BLDC）与通常的直流电机结构不同，是由永磁转子产生磁场，整流电源通过开关电路向定子三相绕组分别提供+，0，-三台阶的矩形脉冲电流。（3leverhystiesiscontroller）由霍尔传感器信号控制的这一组脉冲电流使得永磁转子的NS极向与定子绕组的合成磁场方向垂直。这时，转子将获得扭矩。ServoMagneticsInc_2pole-bldc-motor.htmServoMagneticsInc_4-PoleBrushlessDCMotor.files,永磁同步电机的定子交流绕组和通常的同步电机将形成一旋转磁场，其合成的磁场经过调制也是与PM转子磁场相垂直的。但是，在气隙中磁场以正弦分布，Bemf也是正弦分布，这一点上和BLDC不同。,减少电能与机械能转换中的损失，一直是技术进步的目标。将超导体用于电机以减少铜损和铁损并缩小电机的体积与重量，在上世纪末取得了重大的突破。这主要是基于高温超导体材料的最新成果。人类早在1911年就发现水银在4K时有超导特性，但直至1986年以后才发现了某些氧化物陶瓷可以在较高温度下具有超导特性。其中包含美籍华人科学家Daul.Chu的功绩。,超导技术,在电能传输过程中，由于导线电阻的存在，都要产生热效应，白白地消耗了电能，还会给机器、设备造成损害，科学家为此伤透了脑筋，千方百计地探索电阻很小甚至为零的导体输送电能。,在人类以自己的智慧和劳动踏入从未进入的低温奇异世界时，1911年科学家发现在4.2k附近，水银的电阻消失了，这就是通常所说的超导现象。这时水银进入了一种新的状态，电阻变为零，这种特殊的导电性质的物质状态，科学家称为超导态。从此揭开了研究超导的第一页。超导现象这一伟大发现，促使人们挖掘物质世界中超导电性所隐藏的最神秘的宝藏。,具有超导电性的物质叫超导体，超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。超导体进入超导状态时，不仅其内的电阻为零，而且体内的磁场也为零，表现出完全的抗磁性,60年代开始，人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区（77K）以上的办法，这就是高温超导研究。1986年高温超导研究取得了突破性的发展，科学家相继发现了许多高温超导物质。现在高温超导体的临界温度已达到130K左右，使超导体已走出了液氦的阴影，为人类挖掘超导电性所隐藏的宝藏开辟了广阔的前景。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，大约为常规转子铜损的10%左右。,所谓高温超导体是指在50K以上，在临界电流临界磁通以下，电阻为零的导体。由于其临界温度高于液氮的温度43K，因而可以用液氮冷却来保持材料的超导。目前以氧化铜为基的Ti2Ba2Ca2Cu3O10的临界温度为125K，而其电流密度约为铜导线的140倍，1000A/mm2。第二代HTS导线是一种约4厘米的宽带。到2007年12月美国超导公司将具有30万米生产能力。美国海军大力投资发展HTS电机。2003年投资AS7000万美元以制造36.5MW的HTS马达，投资GE制造100MVA的GENSETS；法国阿尔斯通则制造20MWHTS马达。而5800HP/1800RPM的HTSMotor则已经成功运行,现在超导的应用已闯入许多重要领域，如超导磁体、超导加速器、超导电动机等。但超导的广泛应用还要克服许多障碍，超导世界的奥秘有待进一步揭示。有位超导专家说：“如果在常温下，例如300K左右能实现超导电现象，则将使现代文明的一切技术发生变化。”科学家正在超导世界中探索性能更好的高温超导材料，研究高温超导在技术上的应用。可以预见，超导奖在能源、通信、计算机、医疗、交通各个领域中大显身手，为人类造福。,HTSMotor的优点包括：,重量和体积缩小，重量减轻1/3以上铜损和铁损减小，使效率提高，尤其是在部分负荷时磁路中没有铁芯，对于同步电机而言，负荷角很小，过渡工况时，谐波失真及噪声降低,比较美国超导体公司的5MW高温超导电动机和其它等值功率的大型电动机，可以发现高温超导电动机的系统效率高于常规同步电动机和先进感应电动机。尤其是在低功率输出时，其效率依然很高，几乎没有什么变化。高温超导电动机的这种特性，恰恰满足了舰船推进系统的运行工况需求,不同类型船用推进电动机功率与效率关系曲线,高温超导电动机与常规电动机重量/功率关系比较,高温超导电动机与常规电动机体积/功率关系比较,吊舱推进技术的发展（PoddedPropulsion）,Pod指吊于船外的水下舱室，室内有推进电机，通过轴系及推进轴承和推进器，电机与母船只有动力电缆及通信电缆相连接。FixPod与Azipod：Azipod指可沿Z轴360o旋转动的吊舱，其中Azi指Azimurth。Azimurth传动过去由锥齿轮系组成的Zdrive实现，后来又用于侧推器（Thruster）。在九十年代中期ABB率先将Azimurth概念用于主电力推进。其后又提出了对向反转吊舱推进装置的概念。,生产吊舱系统的著名公司：,ABBIndustry（Azipod）Rolls-Royce（Mermaid）Schottel-Siemens（SSP）JohnCranelips（Dolphin）,Azipod技术充分发挥了电力推进系统的优势，因此几年来得到了飞速的发展。吊舱的结构如图所示,吊舱技术是多种技术相结合的产物,流体力学吊舱与推进器及船体尾部的匹配结构设计,TheArrangement&TopologiesofMEPS船舶电力推进系统的各种方案及其比较,方案1.ACGENSET+DOLACMOTOR+CPP用工频电的交流电机驱动可调距桨这一方案中电力控制十分简单，像任何大功率的DOL电动机一样。需要注意的是邀降低带载的起动电流。除了采用电子控制起动电流之外，DOLMOTOR一般较少产生谐波。缺点是：1.CPP具有十分复杂的液压控制系统，并在水下工作，维修时需要进坞。2.在低航速时，CPP仍以高速旋转，使能耗大大增加，例如当螺距为零时，CPP仍将吸收1520的额定功率,方案2.ACGENSET+SCR+DC+FPP在八十年代以前，直流电动机是唯一能无级变速的电动机，因此曾经得到广泛的应用，今天在商船领域中虽然已经很少应用，但在舰艇中作为AIP的装置以电池为能源仍有一定的优点。最早期的直流电机是由直流发电机发出的直流电驱动。在二次大战期间的许多军舰采用此方案。,直流电动机的优点和缺点都非常突出：,良好的工作特性转速正比于输入电压，（励磁不变，转子内阻忽略），扭矩正比于输入电流，两者完全解耦。和原动机相比具有低速大扭矩，易于反转等特性负载电流通过电刷和机械换向器进入转子，有火花、烧损等需要经常的维修、保养（正在发展永磁无刷直流电机BLDC，但与传统的直流电机有较大区别）由于电压较低，因此通常体积重量较大，最大功率范围约为23MW。,直流电机工作特性,在SCR可控硅整流发明后，就不再采用直流发电方案。,SCR是一种晶体管电桥，对于三相交流电源，通常共有六个晶闸管，其中三个晶闸管的阳极与三相交流电源共联，称为共阳极，三个晶闸管的阴极也与三相交流电源另一极相联，这种电桥也称格里茨电桥（GraetzBridge）。共阳极晶闸管及共阴极晶闸管分别负责导通交流电的正电压部分和负电压部分。导通的原则是：1.有触发脉冲。2.最高（或最低）的相电压因此当时，整流电压即是三相电压的包罗线。,平均直流电压，相应地电源侧的功率因素也正比于导通角。故建立导通角和电机转速的相应关系即可实现对电机转速的控制，包括：磁通为常量的调节（转子内阻补偿）弱磁调节（高转速时，保持最大电压不变）低速调节（转子内阻、电压与反电动势可比，保持最小电压）,采用SCRDrive时会产生高次谐波，通常在DCLink中加上滤波器，以满足标准的要求。DC+SCR的方案在七十年代曾经风靡一时，随着交流变频技术的成熟逐步退出历史舞台。为了克服DCMotor的更本缺点，无刷化技术（Brushless）一直在发展中，目前BLDC已经有了较大功率的产品，BLDC通常和PW技术相结合，并与传统DC有很大的区别：,转子以PM构成，负责提供旋转磁场定子有三个绕组，通以可控的直流电，实现磁力线的切割，满足负载的需求根据PM转子的转角位置（磁场方向），向定子各绕组通以+、0、-不同的直流电，以保证对磁力线的垂直切割（通常为六阶梯电流）,方案3.,同步发电机组,同步电动机,定距桨（FPP）,3.1直联方案,直联方案是使同步发电机和电动机直接联接。这一方案曾大量用于电力机车上，而1920年的S/SNormandie也采用此方案。其实质是一种电力传动ElectricTransmission。发电机与电动机的组合将原动机的扭矩传递给螺旋桨。电流的频率及电机的转速均正比于原动机的转速。就象机械传动的一样，螺旋桨转速的变化靠原动机自身的变化。发电机只是一种专用的推进发电机，而并不具有电站的功用。直联方案已经过时。,3.2无刷同步电机（BrushlessSynchroMotor）,现代的同步电动机大都为无刷电动机,转子励磁电流的产生：定子一绕组上通以三相整流DC使之磁化，转子上的一个绕组在旋转中切割磁场产生反电势BEMF。这一与转子通频的正弦反电势，用于：1.异步起动2.经在转子上整流器整流后用于磁场3.用于触发逆变器的电流换向,特点：结构较异步电机复杂良好的外特性电磁制动，快速停车是船用推进电机的首选,3.3SynchroConverter，同步变频器SCR+LSI（CSI）交/直/交方案,SCR部分与直流电机驱动器相同，采用晶闸管整流电路，其导通可控。为使输出DC电流恒定，在电路上串联电感。此时对逆变器来说具有恒定电流的电源，故又称CurrentSourceInvert（CSI）。在逆变器部分同样采用晶闸管及反并联电路，通过开关的开闭来实现换向。,晶闸管的触发由同步电机的反电势来实现。反电势正弦波的频率就是转子的角频率，其零交点（ZeroCross）相位与转子坐标对应，相当于电刷位置信号。用BEMF触发换向时，通常采用六步法（SixSegmentMethod）来构成逆变三相电流以及相应的旋转磁场。,为使逆变器电流超前于bmf，电机负载应为容性，因CSI不能用于异步电机,A+A+B+B+C+C+B-C-C-A-A-B-C0B0A0C0B0A0由于逆变电流是由转子的EMF决定，与外电源无关，因此它总是和转子同步，是一种自同步的电动机，此即负载换向逆变器（LSI）以及同步变频器名称的由来。LSI输出的方波交流电，含有较大的5阶及7阶谐波，会造成扭矩波动，在矩形波突变处，将形成电压波形的脉冲，通常需要安装滤波器。,在转速近零时，EMF不足以提供换向电流，此时需要采取措施强制换流。,3.4Cycloconverter交/交变频器,原理：将电网电流直接变为可控的低频交流电（f50%基频）电路与三相网联结的二个6臂SCR格里茨电桥以及反并方式构成电桥APTB。这二个格里茨电桥在导通时分别构成变频电流中一相的正电及负电部分。换向导通的周期及频率即是输出电流的频率。对于三相电而言，上述电流共有三个。故对Cycloconverter，电路中最少需有36个晶闸管,为了调制出近似正弦的波形，在触发导通时触发相位周期性的变化，可按其调制波来求取相应的gfa,特点：1.适用于直联螺旋桨的大功率船舶推进动力2.电路复杂，晶闸管为LSI之三倍3.电网侧功率因素较低（相移调制）约0.764.低速时有大扭矩，零转速时q175q0，常用于破冰船,方案4：,Synchrogensets,DiodeRectifier+VSI（PWM）,FPP,TransmissionGear,InductionACMotor,异步电机：结构简单，可靠。由于控制技术的成熟，其DOL时动态特性不佳的缺点不复存在。缺点是电机功率因素较同步电机稍低，对磁场气隙要求较高。大功率时因转子直径较大而不易做到，限制了其功率的应用范围。但近年来也有提高的趋势。异步电机常用于高速机械，此时方案3往往不能适应,异步电机的驱动器通常为源电压型（VoltageSourceInverter），其常用的方案为：,1.整流器不用相控，此时网侧功率因素不变，优于SCR整流2.在输出直流上并联电容，使输出电压保持恒定（也有串联L以滤波的）3.用IGBT构成格里茨电桥，采用频宽调制