船舶电力推进系统The Principle of Marine Electric Propulsion System MEPS

1船舶电力推进系统ThePrincipleofMarineElectricPropulsionSystem(MEPS)2第四章高压大功率交流变频调速系统3TheArrangement&TopologiesofMEPS

船舶电力推进系统的各种方案及其比较船舶电力推进的方式多种多样，常见的归纳起来基本可分为以下五类：1、DOL（direct-on-line,直接起动）ACmotor＋CPP(交流电动机+可调螺距螺旋桨)2、SCR+DCmotordrive（可控硅整流器+直流电动机）

3、CSI+synchronousmotor（电流型变频器＋交流同步电动机）4、Cycloconverter+synchronousmotor（交-交变频器+交流同步电动机）5、VSI+asynchronousmotor（电压型变频器＋交流异步电动机）4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，多采用鼠笼式感应恒速电机驱动可控螺距螺旋桨来实现，船速的控制靠改变螺旋桨的螺距来实现，为了增加可操纵性，也可用极数转换开关来实现电机速度控制。像任何大功率的DOL电动机一样,需要注意的是要降低带载的起动电流。优点:

没有采用大功率电力电子器件，除了采用电子控制起动电流之外，对电网几乎没有谐波影响，电动机转矩也稳定没有脉动，在设计点运行时效率很高。

5方案1.ACGENSET+DOLACMOTOR+CPP缺点：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；瞬间机械轴转矩大，约为额定转矩的2～3倍；启动时系统电网压降大；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；采用液压机构完成螺距的变换，一般3～5秒才能完成，所以功率及转矩的动态响应慢；反转慢，制动距离长；可调螺距螺旋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；可调螺距螺旋桨的制造复杂，可靠性差，价格贵。6方案1.ACGENSET+DOLACMOTOR+CPP使用时注意的问题：这种电力推进方式，为了防止起动时电流、扭矩等不利影响，以及满足规范对船舶电站压降的要求，启动时必须采用船舶电站规定启动大电机需要的最小台数运行机组，以及电机采用Ｙ-△启动、软启动器启动等方式。软起动器只有低压、中小功率产品选用，所以该种推进方式只适合于中、小功率船舶或1000KW以下的侧推装置。7891011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。12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2～3MW。13图中采用全桥式晶体管整流器为一个电枢电流可控的直流马达供电。1415方案3.ACGENSET+CSI+synchronousmotor+FPP也称SYNCHRO电力推进方式SynchroConverter（AC/DC/AC）

同步发电机组同步电动机定距桨（FPP）16同步电机特点：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17176脉波SYNCHRO电力推进181812脉波SYNCHRO电力推进19低速情况下，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，对电机的轴系带来振动.当推进器在DP模式下运行时，它们可能会对其产生不利的影响。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，因此电感重量、体积都很大，使得电流型逆变器使用受到一定限制。同时由于直流电同感性负载相连导致时间常数较大，因此系统动态性相对较差。存在问题20SYNCHRO电力推进系统在价格上有一定的优势，且控制方便，操作灵活。但其最大的优点是能匹配特大功率的电机，目前已达到40～100MW，在采用10MW以上容量的电力推进装置时，ALSTOM公司和STNATLAS公司倾向于SYNCHRO电力推进。ALSTOM公司为世界最大最豪华游轮“玛丽女王2号”所提供的就是SYNCHRO电力推进系统。21采用SYNCHRO电力推进系统的“玛丽女王2号”采用4个Mermaid推进器，总功率80MW，航速30Kn。22“豪华公主号”“GrandPrincess”采用西门子公司提供的24脉波Synchro系统23方案4.Cycloconverter+synchronousmotor

原理：将电网电流直接变为可控的低频交流电（f<50%基频）电路与三相网联结的二个6臂SCR格里茨电桥以反并方式构成电桥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.24256脉波Cycloconverter26Cycloconverter与CSI变频器相比，交交变频器谐波水平更低，而且同步电机可保持在高的功率因数下工作。供电电源功率因数取决于电机电压，在弱磁区域大概是0.76。供电电压的谐波成分取决于转速，当电机驱动功率与装配功率相比占很大分量时，进行系统设计时必须要考虑到谐波的影响。工作区域和CSI类型同步电机驱动器是相似的，只是它不存在低速限制，因为换流是靠电网电压而不是电机电压。交交变频器在低速工作状态下表现出的独特工作性能使其成为低速驱动器的首选，尤其是在破冰或是冰上行驶系统中，对于低速和机动性要求较高的DP和客船来说交交变频器也是首选。

27Cycloconverter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CSI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q＝175％q0，常用于破冰船28293031Cycloconverter该方案性价比高，应用比较广泛，根据国外的发展经验，交交循环变流器主要用于速度极低、扭矩极高的场合，破冰船中的应用就是个典型的例子。目前单个电力驱动系统的功率范围在2～30MW之间。针对特大功率船舶，ABB公司和SIEMENS公司倾向于采用CYCLO电力推进方式。32方案5：VSI+asynchronousmotor

SynchrogensetsDiodeRectifier+VSI（PWM）FPPTransmissionGearInductionACMotor＋＋＋＋33VSI+asynchronousmotor34异步电机结构简单，可靠。由于控制技术的成熟，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。35电压源型变频器VSI（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PWM脉宽调制技术来调频、调压4.由于异步电机是感性负载，在电路中与IGBT反并联一个续流的二极管，具有反向导通能力，以将感性负载电流反传给直流侧36电压源型变频器VSI（VoltageSourceInverter），其常用的方案为：5.异步电机在制动时将处在发电状态（Regeneration），为了避免电压过高而引起元件损坏，可采取n种方案：－斩波器Chopper，当直流电压过高时晶体管导通，旁通电阻将耗散发电能量－在整流器电路并联逆变电路，将发出电能返传至交流网－并联电池，使电能对电池充电37电压型变频器属交－直－交变频方式，中间环节采用大电容，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)，其整流器用二极管组成，逆变器用绝缘栅双极晶体管（IGBT）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，载流能力强等特点。电压型变频器具有线路简单、功率因数高、谐波少、调速范围宽和响应快的优点。目前绝大多数产品为此类型，并有低压及中压规格。38VariableSpeedDrives

example:3kV9MVADriveLSULineSupplyUnit(6p-or12p-diodesupply)TEU&COU-TerminalsbehindthecontrolswingframeINUInverterUnit-3phasemodulesCBUDC-LinkCapacitorBankUnitWCUWaterCoolingUnit39VariableSpeedDrives

example:ＡＢＢＡＣＳ６００LSULineSupplyUnit(6p-or12p-diodesupply)TEU&COU-TerminalsbehindthecontrolswingframeINUInverterUnit-3phasemodulesCBUDC-LinkCapacitorBankUnitWCUWat