電力推進船

電力推進船是指用電力作為動力來推進的現代船舶.現代艦船中有不少是用電力推進的，電力來自蓄電池或船用發電機。一些小型水面艦船或水下艦艇，利用柴油機或汽輪機帶動發電機發電，轉動推進電機推進艦艇。

1、更經濟節能。就全電推進戰艦而言，美海軍估計，在航行時，運行費用可節約36%至38%。

2、運行靈活，能較容易地進行動態制動、倒車和適應海況變化，消除負載瞬態。

3、適應未來軍艦採用的高脈衝功率武器，如電磁炮、高能激光武器等。 ^[1] 

1970年代以前，主要採用直流電力推進系統，因為直流電機轉速調整範圍寬廣和平滑，過載起動和制動轉矩大，逆轉運行特性好；而交流電動機儘管具有輸出功率大、極限轉速高、結構簡單、成本低、體積小、運行可靠等特點，但限於當時的技術限制，調速困難，應用較少。隨現代控制理論和數字控制、直接轉矩控制、矢量控制等電力電子技術的發展，交流調速系統的性能已經可以與直流調速系統相媲美。交流電力推進系統的應用，已經成為船舶電力推進發展的主流，呈現出蓬勃發展的態勢。水面船隻，交流電力推進佔主導地位，所選用的交流電動機，交流異步電機、交流同步電機、永磁同步電機等並存。只有潛艇，仍是直流推進佔主導地位。

目前，船舶採用的電力推進系統，型式多種多樣，但歸納起來基本可分為以下五類：

·（1）可控硅整流器+直流電動機 ：

推進系統採用原動機一直流發電機一直流電動機形式，通過調節發電機勵磁電流的大小和方向，調節電動機轉速及轉向。

這種推進方式的優點：

控制角α的控制範圍，理論上是0～180°；實際上一般在15～150°，是考慮到電網的壓降，確保電機可控，控制角α確保留有換流邊界；

起動電流及起動轉矩接近於零；

扭矩波動平滑；

動態響應一般小於100毫秒。

缺點是：

·轉矩控制不夠精確，若要得到精確平滑的轉矩控制，必須提高電樞感應係數，但會引起系統動態性能減弱，功率因數偏低，增加系統損耗；

直流電機驅動需要的換向器，是一個易發生故障的部件；

會對船舶電網產生較大的諧波污染，因為採用了大功率電力電子器件；

直流電動機固有的結構複雜、成本高、體積大、維護困難、效率低等缺點，阻礙了它在船舶電力推進領域的廣泛應用。

（2）可調螺距螺旋槳+交流異步電動機：

交流異步電動機+可調螺距螺旋槳模式，也為DOL(Directonline)模式，多采用鼠籠式感應恆速電機驅動變距槳實現，船速的控制靠改變螺旋槳的螺距。為了增加可操縱性，也可用極數轉換開關實現電機速度控制。

這種推進方式的優點是：幾乎沒有影響電網的諧波，因為沒有采用大功率電力電子器件；

電動機轉矩穩定沒有脈動；

在設計點運行時效率很高。

但缺點也不少，例如：

交流異步感應電機起動瞬間電流較大，通常是正常電流的5～7倍，系統電網壓降大；

起動瞬間機械軸承受的轉矩大，約為額定轉矩的2～3倍；

極低航速，螺距近似為0時，仍要消耗額定功率的15%，電流約為正常值的45～55%；功率因數低，滿負荷時也只能達到0.85；

功率及轉矩的動態響應慢，一般3～5秒才能完成，因為採用液壓機構完成螺距的變換；

反轉慢，制動距離長；

變距槳的液壓控制系統十分複雜，並工作在水下，故障維修時需進塢；

變距槳結構複雜，可靠性差，價格貴。

（3）電流型變頻器+交流同步電動機(CSI+Synchronousmotor)：

a)電流型變頻器CSI(CurrentSourceInverter)由整流器、濾波器、逆變器等三部分組成。工作原理是整流電路將電網來的交流電轉換成直流電；再經三相橋式逆變電路轉變為頻率可調的交流電，供給推進電動機。

b)SYNCHRO電力推進

交流電通過三相橋式全控整流電路以及平波電抗器，再經過逆變器轉換後向交流同步電機供電，此種推進方式通常被稱為SYNCHRO電力推進。SYNCHRO變流裝置的輸出頻率，受同步電機轉子所處角度控制：每當電機轉過一對磁極，變流裝置的交流電輸出相應地交變一個週期，保證變頻器的輸出頻率和電機的轉速始終保持同步，不會出現失步和振盪。系統功率因數根據電機速度，從額定速度時的0.9到低速的0之間變化。SYNCHRO電力推進系統主要有6脈波、12脈波、24脈波等三種結構形式，諧波成分比較固定，消除比較容易。12脈波SYNCHRO電力推進系統，如果在電網側並聯有兩組LC無源濾波器，對11次、13次諧波進行補償，則對電網產生影響的最低諧波分量就是23次諧波，此時的電網質量可以滿足船級社的規定，故12脈波的SYNCHRO電力推進系統應用較多。

SYNCHRO電力推進系統的缺點是：

低速運行時，電流型變頻器將電流控制在零附近脈動，轉矩輸出也存在脈動，給軸系帶來振動；

時間常數較大(由於直流電同感性負載相連)，所以系統動態響應較差；

電流型逆變電路中的直流輸入電感數值很大才能夠構成一個電流源，使直流回路電流恆定，所以電感重量、體積都很大，使得電流型逆變器使用受到一定限制。

而其優點，是：

起動電流接近等於零，起動轉矩最高可達50%額定轉矩；

價格上有一定的優勢；

控制方便，操作靈活；

能匹配特大功率電機，目前已達40～60MW。

(4)交——交變頻器+交流同步電動機:

CYCLO變頻器，英文為Cycloconverter，中文譯作交一交變頻器或循環變頻器。該變頻器廣泛應用於大功率、低速範圍內的交流調速，其調速上限不超過基頻的40%。交一交變頻器+交流同步電機（Cycloconverter+Synchronousmotor)驅動方式，採用CYCLO變頻器，通過控制一個可控的橋式反並聯晶閘管，選擇交流電源的不同相位區間向交流同步電機提供交流電。

雙繞組電動機，就是電動機定子裝有2套同功率但空間相位差30°的繞組，分別由一套6脈波三相輸出交一交變頻裝置供電。變頻裝置輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反並聯的可逆線路：一組晶閘管整流電路提供正向輸出電流，另一組提供反向輸出電流。構成這種交一交變頻裝置的三相橋式電路，在一個輸出週期中三相電流有六次過零，帶來六次轉矩波動，所以這種交一交變頻裝置被稱為6脈波交-交變頻裝置，是最基本的類型，應用廣泛。與6脈波變頻裝置相比，12脈波變頻裝置具有系統響應速度快、諧波含量少、損耗降低、轉矩脈動低等優點。其缺點是所需電子元件數量大，對於6脈衝電路需要36個晶閘管，而12脈衝電路需要72個晶閘管，因而增加了成本。

採用交一交變頻推進的特點是：

起動平穩，起動電流（轉矩）可從零起逐漸加大；

轉矩脈動平滑；

功率及轉矩動態響應快，一般小於100毫秒；

電力系統內諧波高低取決於電機速度；

系統功率因數由電機電壓決定，通常可達0.76；

滿負荷時效率高；

變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅動螺旋槳。

（5）電壓型變頻器+交流異步電動機：

壓型變頻器VSI(VoltageSourceInverter)，與電流型變頻器CSI(CurrentSourceInverter)同屬於交一直一交變頻器，也由整流器、濾波器、逆變器三部分組成。工作原理也是整流電路將電網來的交流電轉換成直流電；再經三相橋式逆變電路轉變為頻率可調的交流電，供給推進電動機。電壓型變頻器的中問環節採用大電容，對電動機來講，基本上是一個電壓源。隨着電力電子器件的發展，電壓型變頻器發展成新型的脈寬調製型(PWM)，整流器用二極管組成，逆變器用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)組成。IGBT是一種新發展起來的複合型電力電子器件，具有工作速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，載流能力強等特點。目前絕大多數產品為此類型，並有低壓及中壓規格。

這種驅動方式採用二極管將交流電整流後，再通過PWM變頻直流電斬波後向電機提供電壓和頻率均可調節的交流電。採用二極管整流器，可保持電力系統能在任何電機速度的時候功率因數接近0.95。相比CSI和CYCLO驅動，PWM驅動的系統諧波含量最少，用三芯變壓器為變頻器提供12半周的電源還可進一步減少諧波含量。PWM電壓型變頻器中，西門子採用IGBT器件進行矢量控制，ABB採用IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉矩控制。從控制原理來説，兩者都是用數字技術，通過計算機將電動機電流分解成轉矩分量和磁通分量分別進行控制，以達到類似於直流電機的動態特性。通過PWM型變頻器控制後：

系統電源輸出的頻率範圍較寬；

功率及轉矩的動態響應快(小於10毫秒)；

與高速鼠籠式感應式電機(900～1200r/min)匹配，在任何速度都能保持轉矩平滑輸出；

若採用矢量控制器，在零速度的時候仍能保持轉矩穩定輸出；

起動平穩，起動電流(轉矩)可從零起逐漸加大；

在任何負載狀況下均有很高的功率因數(約為0.95)；

低速時功率損耗小；

推進效率高。 ^[2-6] 

客船，遊輪和渡輪對船上舒適性要求很高，不能有大的振動和噪音。另外，考慮到乘客和船舶的安全，推進裝置的可靠性和實用性要求很嚴。因此，電力推進很早就被評估滿足以上要求並被投入應用。

今天，遊輪採用電力推進的案例名單有一大長串並在不斷增加。因為電力推進在機動性和油耗方面有明顯改善，推進效率可增加10%，新建船舶中很大一部分比例的船舶指定要採用電力推進系統，比例還在不斷增加。

隨着對環境的關注不斷增加，減排和防污染，減少船錨泊時對珊瑚礁的損害等要求都在不斷增加。因此，船舶必須能夠單獨通過DP控制推進器實現定位，這也增加了遊輪市場中對電力推進和吊艙推進器的份額。

廢氣（COX,NOX,SOX）排放方面的限制和重税導致了今年來新建的海灣和海峽渡輪紛紛採用電力推進系統。對於經常穿梭橫渡即停靠碼頭的渡輪來説，採用吊艙推進器可以獲得良好的機動性，極大地降低油耗。推進功率根據船的大小而不同，從幾個MW的小渡輪到30-40MW的大型班輪。生活負載也是整個裝機容量中一個很大的部分，比如一個大的班輪典型的生活負載達到10-15MW。

圖1為典型的採用柴油機電力推進裝置的遊輪電力及自動化部件佈置圖

幾年前，發現豐富的淺水區域的油氣資源是可以開發利用，通過固定的鑽井平台和生產裝置開採得到。在北海、墨西哥灣以及巴西還有一些其他地方，新發現的油氣資源都在深水海域，不太容易開採。這些油氣田需要較經濟型的方法來開採才能得到合理的經濟效益和利潤。採用動力定位或側推輔助定位的錨泊方式實現深水鑽探及漂浮作業開採是可行的。側推器輔助的定位被應用於北海，加拿大，及其他一些環境惡劣的地區。在巴西，西非及規劃中的墨西哥灣油田裝置中，人們傾向於依賴動力定位來實現深水鑽探，依靠不依賴於側推的錨泊來進行漂浮作業開採。

用於定位的推進器一般也包括在移動和機動中使用的主推裝置，或全部使用或部分使用。

這些船舶的典型特點是推進器裝機功率較大，一般是20-50MW。包括生產，鑽探，公共設施，日常用電，裝機功率一般為25-55MW。典型配置是有一個公共的電網，為所有負載供電，運行時有高的效率和高度可操作性。 圖2為半潛式鑽井平台的電力系統佈置圖

穿梭遊輪用於從海上採油設施處（平台、浮筒、基地或浮式採油、儲油卸油設施）運送石油到岸上的處理廠或儲存倉庫。海上作業有許多種卸貨方法，多數情況下，遊輪都需要維持一個固定的位置（定位），要求抵禦風浪流的影響，而且精度要求較高。因此，多數的遊輪裝備了DP系統。多數船舶裝備了管式推進器或方位角推進器，有些主推進裝置也採用柴電力推進系統。

對於許多應用來説，無論是運輸還是定位，都要有較高的推進功率力冗餘。解決方案是一般有兩套發電和配電系統，有兩套推進變頻器，兩套推進電機。

吊艙式推進裝置概念的引入可能會影響到柴油機-電力推進裝置形式的穿梭遊輪設計，對比傳統的雙軸系推進系統，裝備了兩套吊艙推進器方案，是經濟性和冗餘程度最好的推進方案。

對於動力定位作為主要作業模式的船舶，比如潛水作業支持船舶，起重船，鋪管船，電力推進裝置很早就投入使用了， 起先採用定速的調距槳，後來是變速推進器。

對於不斷變換工況的船舶而言，電力推進方式與傳統推進方式相比，可以大大減少船舶的油耗和排放。據船東報告油耗每年可減少30-40%，隨着石油工業對運行成本和環境影響的高度關注，電力推進船舶首先在北海，隨後在其他海域被越來越多地用於現場支持船。

隨着對高速通訊系統及全球光纖網絡需求的增長，誕生了一大批布纜船，它們都配備了電力推進裝置和動力定位系統。

這些船舶配置成DP定位船舶，滿足CLASS2級或3級要求，多數採用電力推進，總功率在8-30MW，功率大小依船大小和鑽井能力和起重能力而定。

柴油機電力推進和定位設備也應用在一些淺水作業船舶上，比如挖泥船，工程船舶和風磨船等等。

良好的機動性，較低的油耗，以及需要經常變換作業地點是電力推進應用在這些領域廣泛應用的典型標準。在船上裝有大功率的施工作業用電設備，電力可以很好地把施工用電和推進用電綜合用，取得裝機功率較好的冗餘配置和使用效果。

遊艇也是電力推進裝置應用的場所之一。舒適性和環境友好是這類船舶的基本設計要求，電力推進除高效率外還可以滿足低振動和低噪音方面較高的要求，應用比較普遍。

典型的裝機容量是500KW-2000KW。大船對應更大的裝機容量。

相對於其他的工業應用，電力推進裝置中對變頻器的動態要求是較低的。但對冰區航行的船舶和破冰船來説，負荷的變化會很大，很迅速，這就意味着推進系統要有較高的動態特性以避免部件過載和跳閘。自1980以來電力推進系統被應用於多數新建的船舶中，基本配置和現場服務船相似，也有冗餘的發電和配電系統，但對於破冰船來説沒有動態定位的要求。

由於北極地區開採石油的需要，對破冰船、冰區航行船舶、現場支持船舶、護航船及穿梭油輪的需求快速增長。

儘管人們對把電力推進應用在軍艦上有着極大的興趣，但目前很少有傳統的水面艦船採用純粹的電力推進，更多的是在規劃論證中。對於潛艇來説，配備柴油發電機組和蓄電池組，燃料電池或核能電站的電力推進方式被廣泛採用。

電力推進系統對於軍艦和商船來講，在概念上並沒有很大的不同，但解決方案可能不同，因為可用性和冗餘度的要求更加嚴格。另外，抗損能力及低噪聲是電力推進系統應用於軍艦的先決條件。

圖3所示為K/V SVALBARD，一艘2002年下水服役的挪威海軍海岸警備隊的船舶，裝備有雙AZIPOD推進系統，有時承擔軍事任務。

地理科考船，海洋勘測船，漁業資源勘察船都對水下噪聲要求很嚴，通常要求要比一般的噪音水平低幾十分貝。

傳統應用是用直流電機作推進電機，主要是考慮到濾波、振動小及扭矩變化等因素。

使用現代變頻器及濾波技術後，交流電機也可以滿足如此高的要求，交流電機已被應用於新建船舶的設計中。

在新的領域應用電力推進是否可行仍被持續地調查和評估。LNG和化學品船，滾裝船，集裝箱船，漁船佔據市場的大量份額，因為初投資增加，這些領域中電力推進還未被採用。

然而，只要較小的運行和設計標準的改變，比如增加的油耗或排放損失，規範的要求，以及設備費用的降低，都可能帶來幾個領域電力推進技術應用的巨大變化。 ^[7]