船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究

引言

船舶电力推进是由船舶原动机组(柴油发电机组、燃气轮发电机组、汽轮发电机组以及燃料电池等)输出电能,再通过电机来驱动螺旋奖、喷水推进器、吊舱式推进器、直翼式推进器等诸多类型的推进器,以此为船舶提供前进动力的推进方式。

1船舶电力推进系统的技术特点

船舶电力推进通常包括直流推进和交流推进两大类。目前世界上有3种主流的电力推进系统,分别是轴系推进系统、全方位推进系统与吊舱推进系统。

(1)在轴系推进系统中,通常由变速电机驱动螺旋奖,而变速电机与螺旋奖轴之间可采用直接连接方式或通过齿轮装置将电机与螺旋奖轴相连。

(2)全方位推进系统则可实现自由转动,并能产生任何方向的推力,其推力可以通过定速可调螺距螺旋奖或变速定距奖进行控制。全方位推进系统内部的电机通常包括两类:卧式电机+Z型齿轮传动、立式电动机+L型齿轮传动。而全方位推进系统通常无法反向转动以产生推力。

(3)吊舱式推进系统可以自由转动并产生任何方向的推

力。该推进系统将电机与螺旋奖集成在一个封闭的吊舱装置中,定距螺旋奖直接配装于电机轴上[5]。吊舱推进系统的传动效率高于全方位推进系统的传动效率,且其机械结构相对简单。吊舱式推进系统既能采用推式吊舱,又能采用拉式吊舱。

2船舶电力推进系统的组成

电力推进系统通常由原动机、电能分配系统与存储系统及推进组件三大子系统组成。原动机可以是柴油机、汽轮机、燃气轮机、核能反应堆+汽轮机或燃料电池。

发电机主要包括电励磁同步发电机、永磁发电机、异步发电机和超导发电机,供配电网络及保护模块由电缆、汇流排、断路器和保护装置等组成,其用于传输电能和自动识别、排除电网故障:变、配电模块则可将电能分配至船舶各个用电设备,以维持其正常运转。

电能储存系统则用于在故障状态下为重要负载提供短时电能供给。推进组件由推进电动机和变频调速器组成,推进电机可将输入电能转化为机械能,以推动船舶航行,变频调速器为推进电机输入电能并控制其转速,从而调节船速。

2.1推进电机

在功率最高达5~10Mw的工作范围内,采用鼠笼式转子的异步电动机相对更为经济。如有更高的功率需求,则应采用同步电机。此外,由于同步电机允许采用较大的气隙,从而降低了整机对振动的敏感性。

在近期的研发工作中,相关研究人员曾试验以永磁铁替代励磁绕组,以此消除励磁功耗,并能有效降低电机的尺寸。针对直流电机的使用仅限于特殊的应用场合,例如在噪声较低或者采用蓄电池供电的驱动场景下,同时针对最新型电机配备了专门调适的电子设备,以便在军事用途中得以使用。

2.2变频器

由于大功率开关特别是绝缘栅双极型三极管(IGBT)及其衍生技术产品的发展,脉冲变频器已部分取代了直接变频器和带直流中间级电路的变频器。脉冲变频器可提供无功功率,因而能与所有的三相交流电机进行匹配。

带直流中间级电路的变频器由一个整流器、一个直流电路及一个逆变器组成。只有当负载端上已经存在一个三相交流电压系统并且已提供无功功率时,方可使逆变器正常工作。对于同步电机而言,其可为负载逆变器提供所需的功率,并将机械功有效传递给螺旋奖等推进器。

当电机启动时,此类电气设备可能尚未处于正常工作状态,因此,为了启动设备,需周期性地接通和断开直流电路中的电流,而不含中间电路级的直接变频器通常均用于大型驱动装置中。

2.3备用冗余

在航行装置中不管发生多大程度的故障,船舶均需自行启动航行或有限制地实现启航,该性能指标取决于船舶的设计用途。即使当某个半自动切换气体汇流排损坏,两个螺旋奖还能以全功率的50%实现驱动,即使另外又有一个螺旋奖出现故障,船舶仍可通过另一个螺旋奖以安全地航行至目的地。

目前我国已经制造出一种不进行交叉连接的装置。内部由相互独立的两台电机组成的螺旋奖电动机组目前也已实现大规模生产,其励磁设备也可分别由各个半自动切换气体汇流排实现供电。如此可在单个绕组出现轻微故障时,通过两个螺旋奖继续工作。

尽管如此,在设计相关装置时仍需进行进一步研究,以不断提升系统的可靠性、耐久性和利用率。

2.4船舶电网的连接

每个变频器均从船舶电网获取功率强大的非正弦电流。出于对灵活性的考虑,可直接从与变频器相连的同一个汇流排,通过变压器向船舶电网供电。因此,在采用非正弦电流的前提下,通常不允许导致船舶电网电压畸变的电流数值超过许可值。

在实践中一贯采用的措施是,在变频器前方串联一个三绕组的变压器,并将整流器划分为两部分,为了尽可能地减小残留的高次谐波电流对电网电压的影响,同时需尽可能降低船舶电网对于高次谐波的阻抗。

对于发电机而言,次瞬态电抗是较为重要的一方面,该电抗的下限数值由发电机的结构参数决定,另一方面,其较小的数值也意味着较大的冲击短路电流。使用滤波器可使指定频率下的电网阻抗达到非常小的值。

3船舶电力推进系统的新技术及未来发展趋势

就目前而言,船舶电力推进系统的发展动向主要体现在:以交流电力推进装置取代直流电力推进和交直流电力推进装置,并大力发展超导电力推进、特种燃料电池推进系统,以及综合全电力推进系统。交流电力推进装置的特点是极限功率大,效率高,可靠性好,根据推进电机的类型,其可分为异步电动机交流推进装置和同步电动机交流推进装置。

超导电力推进是以超导电机为功率元件的电力推进装置,其技术特点是质量小,体积小,效率高,噪声低。随着近年来低温技术的不断发展与完善,为超导电力推进的应用提供了良好的必备条件。

燃料电池是一种能把化学能直接转换为电能的能量转化装置,燃料电池系统由电池本体、燃料、氧化剂及其储存器构成,其特点是静音性好,效率高。因为大规模产氢和储氢的基础设施依然较为有限,如今的燃料电池采用的氢燃料主要通过甲醇进行转化,即将甲醇通过化学方法转化成氢。这种转化氢的能量转换效率与柴油机的工作效率依然存在较大差距。到目前为止,燃料电池的每千瓦的电能成本,依然远高于柴油机等传统动力装置。如上文所述,氢能的供应及储存阻止了燃料电池的大规模推广和进一步应用,尽管其有着广阔的应用前景,但依然是一个尚未解决的技术难题。

综合全电力推进系统是船舶动力装置领域的重大变革,各国目前都在积极开展综合全电力推进系统的研究工作,并制定了相应的发展计划。吊舱的驱动装置中电机与一个或两个可旋转的吊舱安装在船舶下方,并通过导电滑环向电动机输送能量,有着较好的技术应用前景。

4结论与展望

目前在船舶推进技术领域,对于电力推进的关注度可谓与日俱增。就目前而言,交流电力推进、超导电力推进、燃料电池推进及综合全电力推进均为该领域的重点技术发展方向。随着相关技术的不断发展与完善,电力推进终将在船舶推进领域占据一席之地。