船舶电力推进原理及系统组成

付品森

(上海博格推进器国际贸易有限公司，上海 200035)

船舶电力推进原理及系统组成

付品森

(上海博格推进器国际贸易有限公司，上海 200035)

船舶电力推进是船舶市场一个方兴未艾的话题。通过对电力推进各个组成环节的介绍，深入技术细节，由一般原理分析出电力推进系统的特点，并与主柴油机推进系统进行比较，得出2种推进方式的优缺点，对造船厂、船东、设计人员进行船舶推进系统选型时具有借鉴作用。

螺旋桨;电力推进;效率;操纵性能

1 船舶电力推进系统发展过程

19世纪40年代俄国科学家用蓄电池和直流电机在一条小船上做了电力推进的试验，船舶电力推进系统从概念形成至今已经有170余年的历史。

其后到20世纪80年代，电动机由于受到调速技术限制，船舶电力推进技术发展一直缓慢。船舶电力推进一般采用直流电机推进。直流电机电压低，电流大，尺寸大，重量大，效率低，同时电流电机需要电刷换向，元件多，维护成本高，这些技术因素一直制约着电力推进的广泛应用。

到20世纪70年代，高频开关电子元器件的发展推动了变频技术的进步，电力电子技术的兴起给船舶电力推进技术的发展带来了新的契机。船舶电力推进在民船上取得了突破性进展。

到20世纪末，新造民船已有30%采用电力推进。到21世纪，每年的市场有近10%的增长。

交流电力推进的一个核心的问题就是采用何种类型的调速系统。

变频器从20世纪60年代开始，相继发展了电压源型、电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前使用的交流变频器可分为间接变频(交-直-交变频)以及直接变频(交-交变频)2大类。前者是目前变频器的主流，可用于各种功率的各种机械，适用于与异步电动机组成调速系统;后者则可用于5 000 kW以上的特大功率及低速驱动的情况，适用于与同步电动机组成调速系统。从我国船舶设计制造的现状来看，采用电力推进的功率规模一般在5 000 kW以下，所以间接变频系统是当前电力推进所采用的主要形式。本文所讨论的电力推进电动机指的是异步电动机。

2 螺旋桨基础知识

2.1 效率曲线

螺旋桨效率特性曲线图如图1所示。

纵坐标为螺旋桨的效率，横坐标为进速系数值，用J表示:

式中:v为螺旋桨相对于水的速度;n为螺旋桨转速;D为螺旋桨直径。

公式的含义是螺旋桨每转1圈相对于水的进程与直径的比值。

通常是根据这个曲线来设计螺旋桨的最佳工作点，以达到最好的效率。

图1 螺旋桨效率特性曲线

图中:KF为螺旋桨推力系数，和转速是二次方的关系，按照相似定理通过船模实验求得;KM是螺旋桨轴的扭距系数，螺旋桨转速也是二次方的关系，按照相似定理通过船模实验求得。

2.2 螺旋桨操作工况

2.2.1 定距桨操作工况

定距桨只有1个最佳工作点，就是在设计转速下达到设计的转距，此时螺旋桨才能达到设计的功率，如图2的1号线所示。

通常这个设计点是船舶处于设计的负载状态下，船体清洁、水面无风浪、自由航行状态。

当船体有污，或风浪很大时，或水很浅，此时航速变慢，船的进速系数J值变小，轴的扭距增加，由公式M=9 550P/n可知，必然引起原动机的功率增加。其中，M表示扭距，P表示功率，n表示转速。如图2的3号线所示，原动机的转速达不到设计转速，原动机要降速运行，否则会引起超负荷。

当船舶货没装满，半载前行时，此时船舶的阻力变小，航速就会变快，J值增加。如图2的2号线所示，轴的扭距变小，原动机的转速达到设计转速时，扭距达不到设计的扭距，此时原动机的功率达不到设计的功率，不能充分发挥作用。

图2 定距桨操作工况

2.2.2 调距桨操作工况

由于调距桨的螺距可以改变，所以在任何情况下都可以使原动机在设计的转速下获得最佳的的扭距，使得原动机可以充分利用其功率。

当船舶的运行阻力增加时，可以减小螺距，原动机不会超负荷，如图3的2号线所示。

当船舶的运行阻力减小时，可以增加螺距，原动机不会欠功率运行，如图3的3号线所示。

图3 调距桨操作工况

特别是当船舶处于多用途状况时，有时需要自由航行，有时需要拖力航行时，因此调距桨是最佳的选择，而定距桨因为只有1个设计点无法满足全部要求。

3 电动机的基础知识

电动机是把电能转换成机械能的电气机械，定子三相绕组通以三相正弦交流电，三相电压在空间相量上相差120°，产生旋转的磁场，旋转的磁场切割转子导体，转子导体产生电流，电流与磁场相互作用产生力，转子导体的力产生扭距从而推动转子旋转，此种电机称为感应电机。因为旋转的磁场切割转子，所以磁场和转子之间有相对的速度差，转子永远与磁场不同步，所以又称为异步电动机。

由于异步电动机的电流与电压在相位上有角度差，所以异步电机的功率不能直接通过电压和电流的乘积得到，还要通过功率因数修正。

功率因数会随着电机负荷的增加而上升，所以尽量保持电机在大负荷下工作，否则会引起整个电网的功率因数下降而浪费电能。

然而，由于转差率的存在，在大负荷下，电机的效率会下降。表1为西门子电机的铭牌数据，可以看到效率随着负荷的增加而下降。

表1 西门子电机铭牌数据型号1RN4 456-6HM98-Z

电机制造好之后，运行过程中一般要保持其磁通量不变。如果磁通量过大会饱和，就会造成铜耗、铁耗增加，电机发热;如果磁通量减小，又会造成激磁电流增加引起电机运行电流过大，电机也会不正常发热。

式中:U为电压;f为频率;w和k分别代表电机的制造常数。

由此可见，在变频调速的过程中，要基本保持U/f的比值不变。

当U/f不变时，由电机学公式可推导出以下2个结论:

①基频以下的变频调速属于恒转距调速;

②基频以上的变频调速属于恒功率调速。

从而得知变频调速电动机拖动定距桨具有良好的启动特性，因为从启动开始就具有最大的电磁转距，同时具有良好的调速特性，所以在变频调速电力推进系统中，一般是选择电动机和定距桨组成推进系统。图4所示为变频电机运行过程中转速和扭拒的关系。

图4 变频电机转速和转距

4 电动机+螺旋桨

4.1 电动机的转速裕度

由于电动机在基频以下调速时是以恒转距方式工作的，最大转距就是定距桨的系柱拖力转距，所以定距桨是以系柱拖力点为设计点的。如图5中的3号曲线所示，当船舶在负重拖力前行时，特别是重负荷时，定距桨能很好地和电动机配合工作在理想状态。当电机到达额定转速时，电动机工作在额定功率状态。

当船舶自由航行时，船舶阻力变小，进速系数增加，此时，轴的扭距下降，如图5的1号曲线所示，当电动机到达额定转速时，电动机达不到额定功率，不能充分利用电动机的功率。特别是船舶在轻载状态下，如图5中2号曲线所示，情况会更严重。此意味着，若以电动机的扭距来设计工作点，船舶在自由航行时的推力可能达不到要求，船舶无法达到预定的航速。所以在订购电动机时候要提出特别的要求，若电动机需超速运行，通常要求能超过额定转速的10%～20%，具体数据要通过厂家进行计算后得到。

图5 电动机拖动定距桨

4.2 电动机的功率裕度

当电动机不能超速运行时，可以提高电动机的功率裕度，变频器的容量提高，此时电动机的扭距也会提高，能够满足船舶的拖力要求。同时电动机转速为额定转速时，能够满足船舶的功率要求，提高推力，达到要求的航速。提高电机的功率裕度和变频的容量并不会要求额外提高电站和配电板的容量，所以费用并不会大幅增加。

4.3 电动机+调距桨

当电动机带动调距桨的时候，可以通过对螺距的调整来适应进速系数的变化。当进速系数增加的时候，可以适当增加螺距使扭距系数增加，轴扭距不减小从而可以使电动机达到额定的转速额定扭距而达到额定的功率。

反之，当进速系数减小的时候扭距系数也会相应增加，此时可以适当减小螺距使相应的扭距减小，额定的转速下不使电动机过载，充分利用电动机的功率。

电动机拖动调距桨的缺点是造价太高。

5 变频器

5.1 变频原理

间接变频方式的工作原理是先将电网输入的交流电变为直流电，然后再在变流电路中将直流转变为频率可调的交流输出。变频器具有结构简单、输出频率变化范围大、功率因数高、谐波易于消除、可应用于各种大功率设备等优点。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅极型功率管)具有高速开关功能，可以把直流电压调制成任何宽度的直流脉冲电压(PWM信号)，高速开关的性能使得任何频率可以调制出来。图6所示为6脉冲变频电路示意图。

图6 6脉冲变频工作原理

5.2 谐波问题

在变频器输入端的桥式整流电路上，二极管工作在通断状态，电压大于直流侧的电压时，二极管打通，电压小于直流侧的电压时关断。IGBT把输入的直流电流以高频脉冲的方式逆变并模拟形成正弦波，但电机得到的波形不是标准的正弦波形而是有所畸变的，如图7所示。IGBT的电流是脉冲形式的，IGBT的高频开关把电流以高频的形式返射给配电网络，高频电流通常是基频的奇数倍，3倍，5倍，7倍……形成高次谐波，谐波会导致正弦波形畸变如图8所示。电网中的谐波电流会最终流向发电机组，导致发电机温度升高，选用的电动机也会因为谐波电流的存在而温度升高，因此选择发电机、变压器和电动机时要选择绝缘等级高的，尺寸大一点的，散热能力强的型号，或者大一点的功率容量。

谐波会影响整个电气网络，与电气相连的电子设备有时会出现温度异常升高现象，造成功能失常。

变频器也会损坏电机的轴承。这是因为高频的电压输入电机时，在PWM信号上升时会形成高频的电流，这时电缆及绕组等通电导体在空间上会形成杂散电容，轴承套与轴承座也会形成杂散电容，当轴承运转时，就会形成电容充放电过程，像一空气闸开关分离的瞬间产生电弧，轴承内部也会产生电弧，造成轴承内部表面产生小坑，损害轴承。如果是经常变频使用，极端情况下轴承的寿命有时会缩短至6个月。

图7 变频器的波形变化

图8 谐波导致的正弦波形畸变

5.3 谐波解决方法

当配电网络的容量很大，而变频功率又比较小时，产生的谐波不足以造成损害。而在电力推进的船舶上通常变频的功率相当大，造成的谐波干扰会在相当程度上危害船舶设备。解决的方法之一是可采用12脉冲的的变频器，如图9所示。

图9 12脉冲变频器

12脉冲变频器需要移相变压器，会降低电网中的谐波含量，但系统价格会提高。

另外一种方法是采用AFE技术。AFE变频是用IGBT把输入端的二极管整流装置替换掉，这样输入的波形就是正弦波，输出也是正弦波，电网中谐波就会很小。但此时电网会有高频干扰，需要加装高频过滤装置。

采用AFE变频技术的电机在制动时产生的动能会反馈给电网，有时需要安装制动电阻箱防止对电网产生冲击。

AFE变频设备不需要移相变压器，但价格依然很贵。18脉冲和24脉冲的变频器需要更多的移相变压器，这种形式的变频由于用得不多，价格又很贵，所以很少会用在船舶电力推进装置中。

6 电力推进与主柴油机推进的系统比较

6.1 螺旋桨的效率

当螺旋桨螺距定下来之后基本上进速系数J值是不变的，不随轴转速的大小而变，当然效率也就基本上是固定的。只有当船舶因操作工况引起J值变化时，效率才会改变，如船舶吃水变化、负载大小、船底污垢、风流潮流等。从图10的包络线可看到，定距桨船通过轴转速变化调节航速的快慢，其J值不变，定距桨的效率比调距桨高。当由于负载变化引起船阻力增减时，其J值是变化的，调距桨由于有不同的螺距比从而使其效率高于定距桨。图10中，KT为推力系数，KΦ表示扭距系数，η0为效率。

电力推进通常使用定距桨，当负载不变化时，只调速，此时电力推进的效率较高。如果船舶负载经常变化，航行区域多变，使用调距桨的船选择合适的螺距和轴转速会有较高的效率。

图10 螺旋桨的效率曲线

6.2 燃油经济性

图11是Caterpillar公司C2880-8机型的燃油消耗率，横坐标表示主机负荷，1代表100%;纵坐标代表消耗率。从图上可以看出，在负荷达到100%时燃油消耗率是最低的。结合各柴油机厂商的数据来看，柴油机负荷在60%～100%时的燃油消耗率是最低的;当负荷低于40%或高于110%时，燃油消耗率会显著上升。从这点来讲，电力推进省油。因为可通过负荷的大小来调节运行的发电柴油机数量，只要不低于40%的负荷运行，在相同功率下总会比主推进柴油机省油。

事实上，船舶运行的状况总比理论要复杂很多。

电力推进系统配置有发电机组、配电板、移相变压器、变频器、电机、齿轮箱、轴系和螺旋桨。轴系很短，假设对整个系统不造成影响。去掉柴油机和螺旋桨，从中间传递环节入手，比较系统的传递效率。

从表2和表3可以看出，在满负荷时，电力推进系统的传递效率是0.88，而主柴油机推进的系统传递效率可高达0.97。从这一点上来看电力推进并不节省燃油，所以在满负荷运行时电力推进的船舶并没有节省燃油。从直观上来讲，主柴油机推进是把燃油直接转化成机械能;而电力推进是把燃油能转化成电能，电能再转化成机械能，所以效率会比主柴油机推进的效率低。

图11 CATC2880-8燃油消耗率/(g·(kwh)-1)

表2 电力推进系统传递效率

但是在部分负荷下，电力推进系统效率会高一点。主机负荷在低于60%时，主柴油机的的燃油效率会显著下降，而电力推进系统因为发电机的高燃油效率会整体提高系统的效率。

现假设柴油机和螺旋桨若达到设计的工作点，则可定义其效率达到100%，其值为1。表4至表6所列为电力推进船舶和主柴油机推进船舶的负荷在25%～75%变化时的系统总体效率。只有达到设计的工作点，推进系统才是最节省燃油的。

表3 主柴油机推进系统传递效率

表4 电力推进船效率

表5 柴油机推进+定距桨

表6 柴油机推进+变距桨

从上表可以看出电力推进船舶相对效率为0.88，调距桨船在恒速操作模式下50%负荷时的相对效率为0.77，但当主机的负荷大于75%时，调距桨的效率就超过了电力推进船。调距桨船在变转速变螺距操作时叫作联合操作模式。从前面的螺旋桨的效率分析可知，调距桨联合操作时的效率要大于定距桨，此时的推进效率一定会大于表5所列的效率，即当主机在50%负荷下用使用调距桨在联合操作模式下的负荷会高于0.9，所以也一定会大于表4所列的效率(25%负荷时不确定)。由上可知，电力推进船舶效率只在低负荷下效率稍高。电力推进支持者所宣称的电推船的效率较高，只是在某些特定的场所才正确。电力推进船的效率只是比调距桨船在恒速操作模式75%负荷下效率高一些，在其他情况下，效率均不及柴油机推进。所以长期工作在低负荷区域的船舶在使用电力推进系统会有较好的燃油经济性。

6.3 电力推进船的其他优点

6.3.1 节省舱容

电力推进船舶拥有很短的轴系，为货物舱容提供了大量的空间。现在很多LNG船选用电力推进也是这个原因。

6.3.2 降低噪音震动

由于没有柴油机，机舱会很安静，发电机组集中放在一个密闭空间，机舱容易布置，船员会感到舒适。因震动减少，一些地震船和渔船适合电力推进。

6.3.3 尾气排放污染低

电力推进船的发电机组可以保持在75%负荷以上运行，总体燃烧要比柴油推进机组好很多。燃油可以充分燃烧，尾气中的氮和硫的排放物会相对降低，有利于满足MARPOL公约要求。

6.3.4 操纵性好

相同尺寸的螺旋桨配备电力推进会有显著的操纵性。通常从全速前进到全速倒车只需要15 s，从倒车到前进也是15 s，这和螺旋桨在水中的惯量有关。配备调距桨柴油机推进的船从全速倒车到全速前进会超过20 s，从全速前进到全速倒车会稍微快一点。定距桨的船会更慢一些。

当然电力推进船会配定距桨船，在全速倒车时的推力只能达到全速前进时的30%。而调距桨船由于不需要换向，水动力性能优于定距桨，倒车时的推力会达到前进时的60%。

6.3.5 冗余安全性

电力推进船舶在安全方面有较强的冗余性。当1台发电机组需要维修时，可以切换到另1台机组而不需要停船等待，方便船舶维护管理和备件管理。

由于电力推进船应用还不是很普遍，这方面的人才储备不充足。当电力推进系统需要修理时服务工程师可能不能及时登船。

电力推进系统由配电系统、变频系统、电机及螺旋桨、控制系统等，组合在一起接口众多，某一个环节出问题很难去定位，调试时需要很多厂家的调试人员在一起工作。当船舶交付时，船员很难定位出哪一个环节的问题应该找谁来解决。

7 结论

通过对电力推进的各个环节的讨论，针对电力推进船舶的优缺点分析，可得出以下结论:

①具有很好的操纵性;

②扭距较大;

③噪音和震动很低;

④节省空间;

⑤尾气排放较容易符合要求;

⑥船舶备件管理方便;

⑦电推系统维护不方便;

⑧效率在低负荷时相对较高，其他时候较低;

⑨并没有节省燃油，只是在某种工况下节省燃油;

⑩电机、发电机和变压器需要额外大的尺寸，较易发热;

(11)达不到满负荷设计点;

(12)有谐波问题;

(13)有轴承损坏的现象;

(14)造价较常规推进高出50%多。

电力推进比较适合某些工作船，如那些频繁地变化转速需要很好的操纵性能的军船，大扭距工作的破冰船，长期工作在低负荷下，长时间使用动力定位的铺管布线船等;低噪音低震动的地震船、渔船和豪华游轮;需要节省舱容的LNG船等。

［1］ 刘锦波，张承慧.电机与拖动［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［2］ 吴恒.船舶动力装置管理［M］.大连:大连海事大学出版社，1999.

［3］ 盛振邦，刘应中.船舶原理 (下册)［M］.上海:上海交通大学出版社，

2004.

Ship electric propulsion is a topic in the ascendant in the ship market.The paper introduces the electric propulsion every component link，embedding details，analyzing the features of electric propulsion system from general principle，and compares with the main diesel engine propulsion system，educing the merits and drawbacks of the two propulsion fashion，it has use for reference to shipbuilding，ship owner，design staff for selection of ship propulsion system.

Ship electric propulsion principle and system composing

Fu Pinsen(29)

U664.3

B

2012-08-16

付品森(1980-)，男，工程师，主要从事船舶推进系统技术支持和项目管理工作。