引言

船舶電力推進(jìn)是由船舶原動(dòng)機(jī)組(柴油發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、汽輪發(fā)電機(jī)組以及燃料電池等)輸出電能,再通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺旋獎(jiǎng)、噴水推進(jìn)器、吊艙式推進(jìn)器、直翼式推進(jìn)器等諸多類型的推進(jìn)器,以此為船舶提供前進(jìn)動(dòng)力的推進(jìn)方式。

1船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

船舶電力推進(jìn)通常包括直流推進(jìn)和交流推進(jìn)兩大類。目前世界上有3種主流的電力推進(jìn)系統(tǒng),分別是軸系推進(jìn)系統(tǒng)、全方位推進(jìn)系統(tǒng)與吊艙推進(jìn)系統(tǒng)。

(1)在軸系推進(jìn)系統(tǒng)中,通常由變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋獎(jiǎng),而變速電機(jī)與螺旋獎(jiǎng)軸之間可采用直接連接方式或通過齒輪裝置將電機(jī)與螺旋獎(jiǎng)軸相連。

(2)全方位推進(jìn)系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng),并能產(chǎn)生任何方向的推力,其推力可以通過定速可調(diào)螺距螺旋獎(jiǎng)或變速定距獎(jiǎng)進(jìn)行控制。全方位推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部的電機(jī)通常包括兩類:臥式電機(jī)+Z型齒輪傳動(dòng)、立式電動(dòng)機(jī)+L型齒輪傳動(dòng)。而全方位推進(jìn)系統(tǒng)通常無法反向轉(zhuǎn)動(dòng)以產(chǎn)生推力。

(3)吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生任何方向的推

力。該推進(jìn)系統(tǒng)將電機(jī)與螺旋獎(jiǎng)集成在一個(gè)封閉的吊艙裝置中,定距螺旋獎(jiǎng)直接配裝于電機(jī)軸上[5]。吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高于全方位推進(jìn)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率,且其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)既能采用推式吊艙,又能采用拉式吊艙。

2船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成

電力推進(jìn)系統(tǒng)通常由原動(dòng)機(jī)、電能分配系統(tǒng)與存儲(chǔ)系統(tǒng)及推進(jìn)組件三大子系統(tǒng)組成。原動(dòng)機(jī)可以是柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核能反應(yīng)堆+汽輪機(jī)或燃料電池。

發(fā)電機(jī)主要包括電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)發(fā)電機(jī),供配電網(wǎng)絡(luò)及保護(hù)模塊由電纜、匯流排、斷路器和保護(hù)裝置等組成,其用于傳輸電能和自動(dòng)識(shí)別、排除電網(wǎng)故障:變、配電模塊則可將電能分配至船舶各個(gè)用電設(shè)備,以維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

電能儲(chǔ)存系統(tǒng)則用于在故障狀態(tài)下為重要負(fù)載提供短時(shí)電能供給。推進(jìn)組件由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速器組成,推進(jìn)電機(jī)可將輸入電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,以推動(dòng)船舶航行,變頻調(diào)速器為推進(jìn)電機(jī)輸入電能并控制其轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)船速。

2.1推進(jìn)電機(jī)

在功率最高達(dá)5~10Mw的工作范圍內(nèi),采用鼠籠式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)相對(duì)更為經(jīng)濟(jì)。如有更高的功率需求,則應(yīng)采用同步電機(jī)。此外,由于同步電機(jī)允許采用較大的氣隙,從而降低了整機(jī)對(duì)振動(dòng)的敏感性。

在近期的研發(fā)工作中,相關(guān)研究人員曾試驗(yàn)以永磁鐵替代勵(lì)磁繞組,以此消除勵(lì)磁功耗,并能有效降低電機(jī)的尺寸。針對(duì)直流電機(jī)的使用僅限于特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,例如在噪聲較低或者采用蓄電池供電的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景下,同時(shí)針對(duì)最新型電機(jī)配備了專門調(diào)適的電子設(shè)備,以便在軍事用途中得以使用。

2.2變頻器

由于大功率開關(guān)特別是絕緣柵雙極型三極管(IGBT)及其衍生技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展,脈沖變頻器已部分取代了直接變頻器和帶直流中間級(jí)電路的變頻器。脈沖變頻器可提供無功功率,因而能與所有的三相交流電機(jī)進(jìn)行匹配。

帶直流中間級(jí)電路的變頻器由一個(gè)整流器、一個(gè)直流電路及一個(gè)逆變器組成。只有當(dāng)負(fù)載端上已經(jīng)存在一個(gè)三相交流電壓系統(tǒng)并且已提供無功功率時(shí),方可使逆變器正常工作。對(duì)于同步電機(jī)而言,其可為負(fù)載逆變器提供所需的功率,并將機(jī)械功有效傳遞給螺旋獎(jiǎng)等推進(jìn)器。

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),此類電氣設(shè)備可能尚未處于正常工作狀態(tài),因此,為了啟動(dòng)設(shè)備,需周期性地接通和斷開直流電路中的電流,而不含中間電路級(jí)的直接變頻器通常均用于大型驅(qū)動(dòng)裝置中。

2.3備用冗余

在航行裝置中不管發(fā)生多大程度的故障,船舶均需自行啟動(dòng)航行或有限制地實(shí)現(xiàn)啟航,該性能指標(biāo)取決于船舶的設(shè)計(jì)用途。即使當(dāng)某個(gè)半自動(dòng)切換氣體匯流排損壞,兩個(gè)螺旋獎(jiǎng)還能以全功率的50%實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng),即使另外又有一個(gè)螺旋獎(jiǎng)出現(xiàn)故障,船舶仍可通過另一個(gè)螺旋獎(jiǎng)以安全地航行至目的地。

目前我國(guó)已經(jīng)制造出一種不進(jìn)行交叉連接的裝置。內(nèi)部由相互獨(dú)立的兩臺(tái)電機(jī)組成的螺旋獎(jiǎng)電動(dòng)機(jī)組目前也已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),其勵(lì)磁設(shè)備也可分別由各個(gè)半自動(dòng)切換氣體匯流排實(shí)現(xiàn)供電。如此可在單個(gè)繞組出現(xiàn)輕微故障時(shí),通過兩個(gè)螺旋獎(jiǎng)繼續(xù)工作。

盡管如此,在設(shè)計(jì)相關(guān)裝置時(shí)仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究,以不斷提升系統(tǒng)的可靠性、耐久性和利用率。

2.4船舶電網(wǎng)的連接

每個(gè)變頻器均從船舶電網(wǎng)獲取功率強(qiáng)大的非正弦電流。出于對(duì)靈活性的考慮,可直接從與變頻器相連的同一個(gè)匯流排,通過變壓器向船舶電網(wǎng)供電。因此,在采用非正弦電流的前提下,通常不允許導(dǎo)致船舶電網(wǎng)電壓畸變的電流數(shù)值超過許可值。

在實(shí)踐中一貫采用的措施是,在變頻器前方串聯(lián)一個(gè)三繞組的變壓器,并將整流器劃分為兩部分,為了盡可能地減小殘留的高次諧波電流對(duì)電網(wǎng)電壓的影響,同時(shí)需盡可能降低船舶電網(wǎng)對(duì)于高次諧波的阻抗。

對(duì)于發(fā)電機(jī)而言,次瞬態(tài)電抗是較為重要的一方面,該電抗的下限數(shù)值由發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,另一方面,其較小的數(shù)值也意味著較大的沖擊短路電流。使用濾波器可使指定頻率下的電網(wǎng)阻抗達(dá)到非常小的值。

3船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的新技術(shù)及未來發(fā)展趨勢(shì)

就目前而言,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向主要體現(xiàn)在:以交流電力推進(jìn)裝置取代直流電力推進(jìn)和交直流電力推進(jìn)裝置,并大力發(fā)展超導(dǎo)電力推進(jìn)、特種燃料電池推進(jìn)系統(tǒng),以及綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)。交流電力推進(jìn)裝置的特點(diǎn)是極限功率大,效率高,可靠性好,根據(jù)推進(jìn)電機(jī)的類型,其可分為異步電動(dòng)機(jī)交流推進(jìn)裝置和同步電動(dòng)機(jī)交流推進(jìn)裝置。

超導(dǎo)電力推進(jìn)是以超導(dǎo)電機(jī)為功率元件的電力推進(jìn)裝置,其技術(shù)特點(diǎn)是質(zhì)量小,體積小,效率高,噪聲低。隨著近年來低溫技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,為超導(dǎo)電力推進(jìn)的應(yīng)用提供了良好的必備條件。

燃料電池是一種能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置,燃料電池系統(tǒng)由電池本體、燃料、氧化劑及其儲(chǔ)存器構(gòu)成,其特點(diǎn)是靜音性好,效率高。因?yàn)榇笠?guī)模產(chǎn)氫和儲(chǔ)氫的基礎(chǔ)設(shè)施依然較為有限,如今的燃料電池采用的氫燃料主要通過甲醇進(jìn)行轉(zhuǎn)化,即將甲醇通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)化成氫。這種轉(zhuǎn)化氫的能量轉(zhuǎn)換效率與柴油機(jī)的工作效率依然存在較大差距。到目前為止,燃料電池的每千瓦的電能成本,依然遠(yuǎn)高于柴油機(jī)等傳統(tǒng)動(dòng)力裝置。如上文所述,氫能的供應(yīng)及儲(chǔ)存阻止了燃料電池的大規(guī)模推廣和進(jìn)一步應(yīng)用,盡管其有著廣闊的應(yīng)用前景,但依然是一個(gè)尚未解決的技術(shù)難題。

綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)是船舶動(dòng)力裝置領(lǐng)域的重大變革,各國(guó)目前都在積極開展綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作,并制定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃。吊艙的驅(qū)動(dòng)裝置中電機(jī)與一個(gè)或兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的吊艙安裝在船舶下方,并通過導(dǎo)電滑環(huán)向電動(dòng)機(jī)輸送能量,有著較好的技術(shù)應(yīng)用前景。

4結(jié)論與展望

目前在船舶推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域,對(duì)于電力推進(jìn)的關(guān)注度可謂與日俱增。就目前而言,交流電力推進(jìn)、超導(dǎo)電力推進(jìn)、燃料電池推進(jìn)及綜合全電力推進(jìn)均為該領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,電力推進(jìn)終將在船舶推進(jìn)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。