船舶電力推進原理及系統組成

付品森

(上海博格推進器國際貿易有限公司，上海 200035)

船舶電力推進原理及系統組成

付品森

(上海博格推進器國際貿易有限公司，上海 200035)

船舶電力推進是船舶市場一個方興未艾的話題。通過對電力推進各個組成環節的介紹，深入技術細節，由一般原理分析出電力推進系統的特點，并與主柴油機推進系統進行比較，得出2種推進方式的優缺點，對造船廠、船東、設計人員進行船舶推進系統選型時具有借鑒作用。

螺旋槳;電力推進;效率;操縱性能

1 船舶電力推進系統發展過程

19世紀40年代俄國科學家用蓄電池和直流電機在一條小船上做了電力推進的試驗，船舶電力推進系統從概念形成至今已經有170余年的歷史。

其后到20世紀80年代，電動機由于受到調速技術限制，船舶電力推進技術發展一直緩慢。船舶電力推進一般采用直流電機推進。直流電機電壓低，電流大，尺寸大，重量大，效率低，同時電流電機需要電刷換向，元件多，維護成本高，這些技術因素一直制約著電力推進的廣泛應用。

到20世紀70年代，高頻開關電子元器件的發展推動了變頻技術的進步，電力電子技術的興起給船舶電力推進技術的發展帶來了新的契機。船舶電力推進在民船上取得了突破性進展。

到20世紀末，新造民船已有30%采用電力推進。到21世紀，每年的市場有近10%的增長。

交流電力推進的一個核心的問題就是采用何種類型的調速系統。

變頻器從20世紀60年代開始，相繼發展了電壓源型、電流源型、脈寬調制型等各種變頻器。目前使用的交流變頻器可分為間接變頻(交-直-交變頻)以及直接變頻(交-交變頻)2大類。前者是目前變頻器的主流，可用于各種功率的各種機械，適用于與異步電動機組成調速系統;后者則可用于5 000 kW以上的特大功率及低速驅動的情況，適用于與同步電動機組成調速系統。從我國船舶設計制造的現狀來看，采用電力推進的功率規模一般在5 000 kW以下，所以間接變頻系統是當前電力推進所采用的主要形式。本文所討論的電力推進電動機指的是異步電動機。

2 螺旋槳基礎知識

2.1 效率曲線

螺旋槳效率特性曲線圖如圖1所示。

縱坐標為螺旋槳的效率，橫坐標為進速系數值，用J表示:

式中:v為螺旋槳相對于水的速度;n為螺旋槳轉速;D為螺旋槳直徑。

公式的含義是螺旋槳每轉1圈相對于水的進程與直徑的比值。

通常是根據這個曲線來設計螺旋槳的最佳工作點，以達到最好的效率。

圖1 螺旋槳效率特性曲線

圖中:KF為螺旋槳推力系數，和轉速是二次方的關系，按照相似定理通過船模實驗求得;KM是螺旋槳軸的扭距系數，螺旋槳轉速也是二次方的關系，按照相似定理通過船模實驗求得。

2.2 螺旋槳操作工況

2.2.1 定距槳操作工況

定距槳只有1個最佳工作點，就是在設計轉速下達到設計的轉距，此時螺旋槳才能達到設計的功率，如圖2的1號線所示。

通常這個設計點是船舶處于設計的負載狀態下，船體清潔、水面無風浪、自由航行狀態。

當船體有污，或風浪很大時，或水很淺，此時航速變慢，船的進速系數J值變小，軸的扭距增加，由公式M=9 550P/n可知，必然引起原動機的功率增加。其中，M表示扭距，P表示功率，n表示轉速。如圖2的3號線所示，原動機的轉速達不到設計轉速，原動機要降速運行，否則會引起超負荷。

當船舶貨沒裝滿，半載前行時，此時船舶的阻力變小，航速就會變快，J值增加。如圖2的2號線所示，軸的扭距變小，原動機的轉速達到設計轉速時，扭距達不到設計的扭距，此時原動機的功率達不到設計的功率，不能充分發揮作用。

圖2 定距槳操作工況

2.2.2 調距槳操作工況

由于調距槳的螺距可以改變，所以在任何情況下都可以使原動機在設計的轉速下獲得最佳的的扭距，使得原動機可以充分利用其功率。

當船舶的運行阻力增加時，可以減小螺距，原動機不會超負荷，如圖3的2號線所示。

當船舶的運行阻力減小時，可以增加螺距，原動機不會欠功率運行，如圖3的3號線所示。

圖3 調距槳操作工況

特別是當船舶處于多用途狀況時，有時需要自由航行，有時需要拖力航行時，因此調距槳是最佳的選擇，而定距槳因為只有1個設計點無法滿足全部要求。

3 電動機的基礎知識

電動機是把電能轉換成機械能的電氣機械，定子三相繞組通以三相正弦交流電，三相電壓在空間相量上相差120°，產生旋轉的磁場，旋轉的磁場切割轉子導體，轉子導體產生電流，電流與磁場相互作用產生力，轉子導體的力產生扭距從而推動轉子旋轉，此種電機稱為感應電機。因為旋轉的磁場切割轉子，所以磁場和轉子之間有相對的速度差，轉子永遠與磁場不同步，所以又稱為異步電動機。

由于異步電動機的電流與電壓在相位上有角度差，所以異步電機的功率不能直接通過電壓和電流的乘積得到，還要通過功率因數修正。

功率因數會隨著電機負荷的增加而上升，所以盡量保持電機在大負荷下工作，否則會引起整個電網的功率因數下降而浪費電能。

然而，由于轉差率的存在，在大負荷下，電機的效率會下降。表1為西門子電機的銘牌數據，可以看到效率隨著負荷的增加而下降。

表1 西門子電機銘牌數據型號1RN4 456-6HM98-Z

電機制造好之后，運行過程中一般要保持其磁通量不變。如果磁通量過大會飽和，就會造成銅耗、鐵耗增加，電機發熱;如果磁通量減小，又會造成激磁電流增加引起電機運行電流過大，電機也會不正常發熱。

式中:U為電壓;f為頻率;w和k分別代表電機的制造常數。

由此可見，在變頻調速的過程中，要基本保持U/f的比值不變。

當U/f不變時，由電機學公式可推導出以下2個結論:

①基頻以下的變頻調速屬于恒轉距調速;

②基頻以上的變頻調速屬于恒功率調速。

從而得知變頻調速電動機拖動定距槳具有良好的啟動特性，因為從啟動開始就具有最大的電磁轉距，同時具有良好的調速特性，所以在變頻調速電力推進系統中，一般是選擇電動機和定距槳組成推進系統。圖4所示為變頻電機運行過程中轉速和扭拒的關系。

圖4 變頻電機轉速和轉距

4 電動機+螺旋槳

4.1 電動機的轉速裕度

由于電動機在基頻以下調速時是以恒轉距方式工作的，最大轉距就是定距槳的系柱拖力轉距，所以定距槳是以系柱拖力點為設計點的。如圖5中的3號曲線所示，當船舶在負重拖力前行時，特別是重負荷時，定距槳能很好地和電動機配合工作在理想狀態。當電機到達額定轉速時，電動機工作在額定功率狀態。

當船舶自由航行時，船舶阻力變小，進速系數增加，此時，軸的扭距下降，如圖5的1號曲線所示，當電動機到達額定轉速時，電動機達不到額定功率，不能充分利用電動機的功率。特別是船舶在輕載狀態下，如圖5中2號曲線所示，情況會更嚴重。此意味著，若以電動機的扭距來設計工作點，船舶在自由航行時的推力可能達不到要求，船舶無法達到預定的航速。所以在訂購電動機時候要提出特別的要求，若電動機需超速運行，通常要求能超過額定轉速的10%～20%，具體數據要通過廠家進行計算后得到。

圖5 電動機拖動定距槳

4.2 電動機的功率裕度

當電動機不能超速運行時，可以提高電動機的功率裕度，變頻器的容量提高，此時電動機的扭距也會提高，能夠滿足船舶的拖力要求。同時電動機轉速為額定轉速時，能夠滿足船舶的功率要求，提高推力，達到要求的航速。提高電機的功率裕度和變頻的容量并不會要求額外提高電站和配電板的容量，所以費用并不會大幅增加。

4.3 電動機+調距槳

當電動機帶動調距槳的時候，可以通過對螺距的調整來適應進速系數的變化。當進速系數增加的時候，可以適當增加螺距使扭距系數增加，軸扭距不減小從而可以使電動機達到額定的轉速額定扭距而達到額定的功率。

反之，當進速系數減小的時候扭距系數也會相應增加，此時可以適當減小螺距使相應的扭距減小，額定的轉速下不使電動機過載，充分利用電動機的功率。

電動機拖動調距槳的缺點是造價太高。

5 變頻器

5.1 變頻原理

間接變頻方式的工作原理是先將電網輸入的交流電變為直流電，然后再在變流電路中將直流轉變為頻率可調的交流輸出。變頻器具有結構簡單、輸出頻率變化范圍大、功率因數高、諧波易于消除、可應用于各種大功率設備等優點。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵極型功率管)具有高速開關功能，可以把直流電壓調制成任何寬度的直流脈沖電壓(PWM信號)，高速開關的性能使得任何頻率可以調制出來。圖6所示為6脈沖變頻電路示意圖。

圖6 6脈沖變頻工作原理

5.2 諧波問題

在變頻器輸入端的橋式整流電路上，二極管工作在通斷狀態，電壓大于直流側的電壓時，二極管打通，電壓小于直流側的電壓時關斷。IGBT把輸入的直流電流以高頻脈沖的方式逆變并模擬形成正弦波，但電機得到的波形不是標準的正弦波形而是有所畸變的，如圖7所示。IGBT的電流是脈沖形式的，IGBT的高頻開關把電流以高頻的形式返射給配電網絡，高頻電流通常是基頻的奇數倍，3倍，5倍，7倍……形成高次諧波，諧波會導致正弦波形畸變如圖8所示。電網中的諧波電流會最終流向發電機組，導致發電機溫度升高，選用的電動機也會因為諧波電流的存在而溫度升高，因此選擇發電機、變壓器和電動機時要選擇絕緣等級高的，尺寸大一點的，散熱能力強的型號，或者大一點的功率容量。

諧波會影響整個電氣網絡，與電氣相連的電子設備有時會出現溫度異常升高現象，造成功能失常。

變頻器也會損壞電機的軸承。這是因為高頻的電壓輸入電機時，在PWM信號上升時會形成高頻的電流，這時電纜及繞組等通電導體在空間上會形成雜散電容，軸承套與軸承座也會形成雜散電容，當軸承運轉時，就會形成電容充放電過程，像一空氣閘開關分離的瞬間產生電弧，軸承內部也會產生電弧，造成軸承內部表面產生小坑，損害軸承。如果是經常變頻使用，極端情況下軸承的壽命有時會縮短至6個月。

圖7 變頻器的波形變化

圖8 諧波導致的正弦波形畸變

5.3 諧波解決方法

當配電網絡的容量很大，而變頻功率又比較小時，產生的諧波不足以造成損害。而在電力推進的船舶上通常變頻的功率相當大，造成的諧波干擾會在相當程度上危害船舶設備。解決的方法之一是可采用12脈沖的的變頻器，如圖9所示。

圖9 12脈沖變頻器

12脈沖變頻器需要移相變壓器，會降低電網中的諧波含量，但系統價格會提高。

另外一種方法是采用AFE技術。AFE變頻是用IGBT把輸入端的二極管整流裝置替換掉，這樣輸入的波形就是正弦波，輸出也是正弦波，電網中諧波就會很小。但此時電網會有高頻干擾，需要加裝高頻過濾裝置。

采用AFE變頻技術的電機在制動時產生的動能會反饋給電網，有時需要安裝制動電阻箱防止對電網產生沖擊。

AFE變頻設備不需要移相變壓器，但價格依然很貴。18脈沖和24脈沖的變頻器需要更多的移相變壓器，這種形式的變頻由于用得不多，價格又很貴，所以很少會用在船舶電力推進裝置中。

6 電力推進與主柴油機推進的系統比較

6.1 螺旋槳的效率

當螺旋槳螺距定下來之后基本上進速系數J值是不變的，不隨軸轉速的大小而變，當然效率也就基本上是固定的。只有當船舶因操作工況引起J值變化時，效率才會改變，如船舶吃水變化、負載大小、船底污垢、風流潮流等。從圖10的包絡線可看到，定距槳船通過軸轉速變化調節航速的快慢，其J值不變，定距槳的效率比調距槳高。當由于負載變化引起船阻力增減時，其J值是變化的，調距槳由于有不同的螺距比從而使其效率高于定距槳。圖10中，KT為推力系數，KΦ表示扭距系數，η0為效率。

電力推進通常使用定距槳，當負載不變化時，只調速，此時電力推進的效率較高。如果船舶負載經常變化，航行區域多變，使用調距槳的船選擇合適的螺距和軸轉速會有較高的效率。

圖10 螺旋槳的效率曲線

6.2 燃油經濟性

圖11是Caterpillar公司C2880-8機型的燃油消耗率，橫坐標表示主機負荷，1代表100%;縱坐標代表消耗率。從圖上可以看出，在負荷達到100%時燃油消耗率是最低的。結合各柴油機廠商的數據來看，柴油機負荷在60%～100%時的燃油消耗率是最低的;當負荷低于40%或高于110%時，燃油消耗率會顯著上升。從這點來講，電力推進省油。因為可通過負荷的大小來調節運行的發電柴油機數量，只要不低于40%的負荷運行，在相同功率下總會比主推進柴油機省油。

事實上，船舶運行的狀況總比理論要復雜很多。

電力推進系統配置有發電機組、配電板、移相變壓器、變頻器、電機、齒輪箱、軸系和螺旋槳。軸系很短，假設對整個系統不造成影響。去掉柴油機和螺旋槳，從中間傳遞環節入手，比較系統的傳遞效率。

從表2和表3可以看出，在滿負荷時，電力推進系統的傳遞效率是0.88，而主柴油機推進的系統傳遞效率可高達0.97。從這一點上來看電力推進并不節省燃油，所以在滿負荷運行時電力推進的船舶并沒有節省燃油。從直觀上來講，主柴油機推進是把燃油直接轉化成機械能;而電力推進是把燃油能轉化成電能，電能再轉化成機械能，所以效率會比主柴油機推進的效率低。

圖11 CATC2880-8燃油消耗率/(g·(kwh)-1)

表2 電力推進系統傳遞效率

但是在部分負荷下，電力推進系統效率會高一點。主機負荷在低于60%時，主柴油機的的燃油效率會顯著下降，而電力推進系統因為發電機的高燃油效率會整體提高系統的效率。

現假設柴油機和螺旋槳若達到設計的工作點，則可定義其效率達到100%，其值為1。表4至表6所列為電力推進船舶和主柴油機推進船舶的負荷在25%～75%變化時的系統總體效率。只有達到設計的工作點，推進系統才是最節省燃油的。

表3 主柴油機推進系統傳遞效率

表4 電力推進船效率

表5 柴油機推進+定距槳

表6 柴油機推進+變距槳

從上表可以看出電力推進船舶相對效率為0.88，調距槳船在恒速操作模式下50%負荷時的相對效率為0.77，但當主機的負荷大于75%時，調距槳的效率就超過了電力推進船。調距槳船在變轉速變螺距操作時叫作聯合操作模式。從前面的螺旋槳的效率分析可知，調距槳聯合操作時的效率要大于定距槳，此時的推進效率一定會大于表5所列的效率，即當主機在50%負荷下用使用調距槳在聯合操作模式下的負荷會高于0.9，所以也一定會大于表4所列的效率(25%負荷時不確定)。由上可知，電力推進船舶效率只在低負荷下效率稍高。電力推進支持者所宣稱的電推船的效率較高，只是在某些特定的場所才正確。電力推進船的效率只是比調距槳船在恒速操作模式75%負荷下效率高一些，在其他情況下，效率均不及柴油機推進。所以長期工作在低負荷區域的船舶在使用電力推進系統會有較好的燃油經濟性。

6.3 電力推進船的其他優點

6.3.1 節省艙容

電力推進船舶擁有很短的軸系，為貨物艙容提供了大量的空間?，F在很多LNG船選用電力推進也是這個原因。

6.3.2 降低噪音震動

由于沒有柴油機，機艙會很安靜，發電機組集中放在一個密閉空間，機艙容易布置，船員會感到舒適。因震動減少，一些地震船和漁船適合電力推進。

6.3.3 尾氣排放污染低

電力推進船的發電機組可以保持在75%負荷以上運行，總體燃燒要比柴油推進機組好很多。燃油可以充分燃燒，尾氣中的氮和硫的排放物會相對降低，有利于滿足MARPOL公約要求。

6.3.4 操縱性好

相同尺寸的螺旋槳配備電力推進會有顯著的操縱性。通常從全速前進到全速倒車只需要15 s，從倒車到前進也是15 s，這和螺旋槳在水中的慣量有關。配備調距槳柴油機推進的船從全速倒車到全速前進會超過20 s，從全速前進到全速倒車會稍微快一點。定距槳的船會更慢一些。

當然電力推進船會配定距槳船，在全速倒車時的推力只能達到全速前進時的30%。而調距槳船由于不需要換向，水動力性能優于定距槳，倒車時的推力會達到前進時的60%。

6.3.5 冗余安全性

電力推進船舶在安全方面有較強的冗余性。當1臺發電機組需要維修時，可以切換到另1臺機組而不需要停船等待，方便船舶維護管理和備件管理。

由于電力推進船應用還不是很普遍，這方面的人才儲備不充足。當電力推進系統需要修理時服務工程師可能不能及時登船。

電力推進系統由配電系統、變頻系統、電機及螺旋槳、控制系統等，組合在一起接口眾多，某一個環節出問題很難去定位，調試時需要很多廠家的調試人員在一起工作。當船舶交付時，船員很難定位出哪一個環節的問題應該找誰來解決。

7 結論

通過對電力推進的各個環節的討論，針對電力推進船舶的優缺點分析，可得出以下結論:

①具有很好的操縱性;

②扭距較大;

③噪音和震動很低;

④節省空間;

⑤尾氣排放較容易符合要求;

⑥船舶備件管理方便;

⑦電推系統維護不方便;

⑧效率在低負荷時相對較高，其他時候較低;

⑨并沒有節省燃油，只是在某種工況下節省燃油;

⑩電機、發電機和變壓器需要額外大的尺寸，較易發熱;

(11)達不到滿負荷設計點;

(12)有諧波問題;

(13)有軸承損壞的現象;

(14)造價較常規推進高出50%多。

電力推進比較適合某些工作船，如那些頻繁地變化轉速需要很好的操縱性能的軍船，大扭距工作的破冰船，長期工作在低負荷下，長時間使用動力定位的鋪管布線船等;低噪音低震動的地震船、漁船和豪華游輪;需要節省艙容的LNG船等。

［1］ 劉錦波，張承慧.電機與拖動［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［2］ 吳恒.船舶動力裝置管理［M］.大連:大連海事大學出版社，1999.

［3］ 盛振邦，劉應中.船舶原理 (下冊)［M］.上海:上海交通大學出版社，

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，工程師，主要從事船舶推進系統技術支持和項目管理工作。