电力推进_第三讲.ppt

1、1,船舶电力推进系统,The Composing of Marine Electric Propulsion System (MEPS) 组 成,2,第三讲要点,1、了解电力推进系统部分组成； 2、了解发电模块的组成及原理； 3、了解配电模块的组成及原理； 4、推进电机的种类； 5、了解变频驱动器的原理；,3,Main Equipment in Electric Propulsion,4,Simplified SLD conventional vessel,5,Simplified SLD DEP vessel,6,电力推进系统的组成,Electric Power Generation(发电系

2、统) Electric Power Distribution(配电系统) Variable Speed Drives(变频系统) Propulsion/Thruster Units(推进器单元),7,电力推进系统中的组件,电站组件,配电板组件,变压器组件,谐波抑制器,变频器组件,监测控制组件,电动机组件,螺旋桨,8,Integrated Automation, Power, and Propulsion System,Power Plant - Diesel or turbo electric - 2-split redundant - Typical 30-50 MW,Propulsion

3、- Shaft-line or podded - Redundant - Typical 2x10-20MW,Distribution system - Medium voltage, 6-11kV - Redundant - Automatic / Remote ctrl,Frequency converters - AC/AC Cyclo or DTC - Medium voltage - Redundancy,Tunnel Thrusters - CPP or FPP - Redundancy - Maneuvering and station keeping,Integrated Au

4、tomation - Automatic power management - Propulsion control - Vessel control - Dynamic positioning,9,发电系统-原动机,原动机: 燃烧柴油或重油的内燃机驱动发电机组 气体内燃机，也有燃气轮机，蒸汽轮机或联合循环轮机 在柴-电推进系统中，柴油机通常是中高速机,10,Prime Mover,Combustion Engine mainly diesel or HFO, but increasingly use of gas and dual fuel low speed, heavier medium

5、 speed, lighter higher efficiency Gas Turbine high speed, light lower efficiency, can be increased by combined cycle turbines and waste heat recovery Steam Turbine Reliable low efficiency Fuel Cells submarine, will become commercial some time high efficiency “clean”,11,瓦锡兰6L32/40型柴油机,12,柴油机的相关情况,柴油机

6、的历史? 柴油机目前的发展水平? 低负荷情况下的运行情况?,13,发展历史,1892年法国出生的德裔工程师鲁道夫迪赛尔先生发表了一篇内燃机构想的论文，第二年就取得了专利。论文叙述柴油发动机的两个基本原理。一个是燃料和空气分别送入燃烧室，在产生混合气的同时燃烧，这是【不均一混合】的原则。另外一个是爆发时不使用火花塞，自然着火（圧缩着火）的原则。 在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。 1905年制成第一台船用二冲程柴油机。 二十世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。 到了50年代，一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，柴油机进入了专业化大量生产阶段。 特别是

7、在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分。,14,发展历史,MAN B绝缘等级H级;采用无刷励磁方式，响应迅速，抗冲击，瞬态特性好;AVR电压调整器，电压输出精度高，稳态电压输出调整率为+1%;输出波形质量高，谐波含量4%;强化结构设计，延长保养工作周期。,49,轴带发电机,轴带发电机 PTI-PTO概念（输入功率-输出功率） 优缺点,50,轴带发电机,船舶在选用主柴油机时,要考虑海况、船况、柴油机安全等功率储备.该储备须达到额定功率的10%15%.如果船舶航行于平静的海面,并且船舶出厂不久或坞修之后,这时海况及船况良好,主柴油机就有较大的功率储备没有得到充分利用.

8、 另外,主柴油机大都在部分负荷下运行,而在低于75%85%额定功率的低负荷下运行时,其经济性将下降.如果利用轴带发电机,可以使主机长时间在较高负荷下运行,从而具有良好的经济性.对于货船,一般来说其电站功率为主机额定功率的5%左右,轴带发电机完全能满足船舶正常航行的电力需要。主机轴带发电机曾因其良好的经济性而得到广泛应用。,51,配电系统的冗余设计要求,分段要求 工作模式 电压等级,52,Availability by System Redundancy,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsi

9、on System,Propulsor, shaft propeller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft propeller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft pro

10、peller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft propeller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft propel

11、ler,Multiple system R2, R2+, R2-S, R2-S+ RP, RPS,Multiple system R1, R1+, R1-S, R1-S+,Single system,Multiple system,ABS DnV,53,Single Line Diagram,54,Single Line Diagram,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor Shaft Line,Diesel Electric Generator,El

12、ectric Power Distribution,Electric Propulsion System,Diesel Electric Generator,Diesel Electric Generator,55,Availability by System Redundancy,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor Shaft Line,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,El

13、ectric Propulsion System,Diesel Electric Generator,Diesel Electric Generator,56,Example El. Power System工作模式,57,Example El. Power System,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft propeller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,E

14、lectric Propulsion System,Propulsor, shaft propeller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft propeller,Electric Propulsion System,Propulsor, shaft propeller,Diesel Electric Generator,Electric Power Distribution,58,Mirror Image(工作模式),59,国际电工委员

15、会的电压等级，对主配电系统下面的选项是最普通的选择： 11kV：中压电的产生和分配。当安装的发电机总容量超过20MW时应该被采用。对于电动机，在总功率在400kW及以上时被采用。 6.6kV：中压电的产生和分配。当安装的发电机总容量在4-20MW之间时应该被采用。对于电动机，在总功率在300kW及以上时被采用。 690V：低压电的产生和分配。当安装的发电机总容量在4MW以下时应该被采用。在用电设备总功率在400kW及以下和作为钻进电机变频器原边电压时被采用。 对实用配电系统有更低的电压被采用，如400/230V。,60,在负载的主要部分由变速驱动组成而不会影响短路电流等级的地方，对于较高的发电

16、机容量，使用任何电压等级都不会有问题。要使装置最优化，应该计算每一种情况的负载和故障电流，并选择正确的解决方案。 在船上，低压（690V）电动机通常用在比300kW更高的功率等级。对于每一情况，必须考虑负载电流，驱动单元的启动特性，包括启动方法在内，一起进行比较考虑总成本。 440V配电在船上是十分普遍的。许多船用设备只能使用440V电，这就意味着在船上要避免这个电压等级是困难的。,61,在美国，或美国国家标准学会的适用标准，有以下电压等级被认可：120V, 208V, 230V, 240V, 380V, 450V, 480V, 600V, 690V, 2400V, 3300V, 4160V,

17、 6600V, 11000V, 13800V。,62,Medium Voltage Switchboards,Unisafe Switchboard,SF6 Circuit Breakers,63,Medium Voltage Switchboards,64,Low Voltage Switchboards,MNS Switchboards,EMAX,ISOMAX,Removable,Withdrawable,Fixed,65,大型船舶采用的中压电力系統,随着船舶电站容量的增大，低压系统已不能滿足供配电要求。 从20世纪60年代开始，一些大型船舶采用中压系统(中压指135kV)。其中，有的只是

18、某些特定的大功率负载采用的局部中压系统，有的则是大功率负载甚至其电力推进裝置、动力和照明电网均采用中压系统。 目前中压系统较多应用在大型工程船舶、钻井平台以及工作性质较特殊的大型船舶上。,66,促使船舶采用中压电力系统的主要原因,(1)船舶消耗的电力日益增长，要求电力系统的容量增大。这引起系统的故障短路电流增大，而目前低压空气短路器的最大分断能力不能满足断流要求，即保护装置的断流容量限制了船舶电力系统容量的增大。采用中压系统可以减小短路电流的绝对值，增大电力系统的极限容量，缓解这一矛盾。 (2)发电机和负载电动机的单机容量增大。如仍然采用低压，则制造困难，而且不经济。美国造船和轮机工程协会认为

19、，450V低压发电机的实际单机容量极限为2500kW，超过该值，推荐采用2300V (电网电压2200V) (3)配电系统容量越來越大。采用低压电缆時，其电缆截面很大、用铜量大，给电缆铺设布线施工帶來困难且不经济。在输送功率大到一定数值時，电缆的最大标识截面已不能满足要求，必須提高电压等級。,67,第三讲要点,什么考虑限制了各级电压下的装机功率限制？ 可不可以增加各级电压下的装机功率限制？ 中、高压电不够安全吗？,68,第三讲要点,断路器 空气断路器 SF6（六氟化硫）气体断路器 真空断路器,69,第三讲要点,变压器 变压器的目的是把配电系统的不同部分分离成若干部分，通常是为了得到不同的电压等

20、级，有时也为了移相。 移相变压器可用来给变频器供电，例如，变速推进装置。是为了通过消除主要谐波电流来减少注入电网的谐波。减少了发电机和其它用电设备的电压谐波。,70,Transformers,71,Transformers (Dry resin insulated),72,第三讲要点,变压器 最普遍的类型是：空气绝缘干式变压器，树脂绝缘变压器，或油/液体绝缘变压器。 变压器的冷却方式最常见的有两种：一种是利用其自身周围空气流通而自行冷却的干式变压器；另一种是将变压器浸在变压器油中，利用油的对流进行冷却的湿式变压器。为了避免变压器油可能带来的火灾隐患，目前船舶电力系统中都采用干式变压器。 规则，

21、周围环境，使用者，船厂，供货者的参数选择共同决定变压器的类型，材料以及设计方案。,73,电机的种类及驱动方式 电动机是把电能转化机械能的最普通的设备，它被用于电力推进，侧推或定位，以及其它的甲板负载，像起货机，泵，风机等。 船上电网中80%-90%的负载都是电动机。 直流电动机 异步电动机 同步电动机 永磁同步电动机,74,Motors,DC Motors Asynchronous (Induction) Motors Synchronous Motors Permanent Magnet Synchronous Motors Others; Brushless DC, Reluctance,

22、 Axial, etc.,75,Motor Building Modules,76,电机的种类及特点 直流电动机 优点： 直流电动机无论在转速的调节性能上还是在转矩的控制性能上都比较理想。 缺点： 机械换相器在运行中产生火花易磨损电刷，单机容量和转速受到限制，造价高。 在潜艇中和特种工程船舶中广泛应用，商船中应用较少。,77,78,79,80,电机的种类及特点 同步电动机： 同步电动机较异步机对转矩的扰动具有更强的承受能力，电网电压和负载转矩发生波动时，功角作适当的变化就能确保转速始终维持在原来的同步转速不变，这样，同步电动机可以对电源电压波动和海上风浪造成的负载转矩变化作出快速响应。 从调速

23、范围看，同步电动机转子自带磁场，即使在很低的频率下（0.5HZ）下也能稳定运行，调速范围宽。不需匹配减速齿轮箱可直接匹配螺旋桨。推进螺旋桨特性决定了推进轴的转速在200rpm以下，要求推进电动机具有低速大扭矩的特点，因此，同步电机非常适合于应用在大功率的船舶推进系统中。,81,电机的种类及特点 异步电动机： 结构相对简单，异步电动机的转子电流靠电磁感应产生，频率很低时，转子很难产生必要的电流，转子可能出现步进现象。 和螺旋桨匹配需经齿轮减速箱相连接。,82,83,84,85,电机的种类及驱动方式 DOL（直接跟电网相连的恒速电动机） 同步转速 转差率,86,电机的种类及驱动方式 从异步电动机的

24、电机模型，可以推导出定转子电流，轴扭矩，功率都是关于转差率的函数形式的数学公式。,87,直联异步机配可调螺距桨的负载特性曲线,88,电机的种类及驱动方式 异步电动机的起动电流比较高，必须想办法降低启动电流。 直接启动方式只适用于中小型电机。,89,直联电机起动方式,直接启动方式只适用于中小型电机。,90,星型-三角形启动方式,星型启动,三星型运行 星型启动时,每极相绕组上电压为正常运行时的 倍,相当于降压启动.,91,自耦降压启动方式,92,半导体（晶闸管）软启动方式,软启动器可把启动电流从5倍的额定电流减小到2-3倍的额定电流，而且也可减少电压降。 软启动器必须适合电机的负载特性，原理都是根据减小启动时的电机电压，从而减小电机的扭矩。,93,永磁同步电机 永磁电机的特点下次课程讲解。,94,电机调速驱动装置和策略 对于主推，侧推， 泵，起货机等，通过调速减少运行时的空载损耗对节约能源或燃油损耗有重大意义。 通过控制电动机的转速将会大幅度的提高所驱动负载的可控性。 其缺点首先是在经济上，因为引入了额外投资成本和需要维护的其他设备