船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)特征分析

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摘要：基于船舶綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢特點(diǎn)包括自動(dòng)化、高可靠性、高效率，在全球范圍內(nèi)，越來越多的國家在船舶制造中采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。闡述船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力；綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)；自動(dòng)化

引言

當(dāng)前是一個(gè)科技創(chuàng)新時(shí)代，我國船舶制造生產(chǎn)行業(yè)建設(shè)發(fā)展要與時(shí)俱進(jìn)，跟上時(shí)代前進(jìn)的腳步。在全球范圍內(nèi)，一些發(fā)達(dá)國家早已將綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用在艦船中進(jìn)行服役，而電力推進(jìn)也從小范圍應(yīng)用發(fā)展到眾多商業(yè)船舶應(yīng)用領(lǐng)域。針對于此，我國船舶生產(chǎn)制造商必須加強(qiáng)對該項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新研究應(yīng)用工作，促使能夠結(jié)合不同類型船舶的動(dòng)力運(yùn)行要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)出電力推進(jìn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮出它們的價(jià)值作用，全面提升船舶在運(yùn)行中的機(jī)動(dòng)性與安全可靠性。

1船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢與特征

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢特征主要體現(xiàn)為以下幾方面內(nèi)容：（1）操作靈活可靠。雖然說電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性相差不多，但是由于綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)具有數(shù)量更少的發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣能夠一定程度降低其綜合運(yùn)行管理成本。除此之外，船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)還能夠充分發(fā)揮出每個(gè)發(fā)電機(jī)組的最大功效，維持船舶輔機(jī)與推進(jìn)軸的安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，從而具備了更好的可用性。與機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)相比，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)更為經(jīng)久耐用，并且綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)裝置平衡性是屬于靜態(tài)的[1]，比起傳統(tǒng)機(jī)械的輔助系統(tǒng)、軸承以及軸系都更加安全可靠，實(shí)踐操作起來更為靈活簡單。（2）系統(tǒng)運(yùn)行效率高。在以往船舶制造生產(chǎn)中，企業(yè)工廠大多采用的是機(jī)械系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜需要涉及大量零部件，維修起來也更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用能夠保證其設(shè)計(jì)更加簡單靈活，并且還可以促使具有最大作戰(zhàn)系統(tǒng)效能的甲板裝置優(yōu)化變得更為容易，管理起來也更加方便。（3）降低船舶運(yùn)行噪聲。在船舶行駛過程中，其產(chǎn)生的大量噪聲主要是來自發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件和推進(jìn)系統(tǒng)。在船舶傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要保證從發(fā)動(dòng)機(jī)到螺旋槳的整個(gè)推進(jìn)鏈條都必須實(shí)現(xiàn)精確布置。而現(xiàn)代綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)則不一樣，設(shè)計(jì)人員只需要保證電動(dòng)機(jī)到推進(jìn)部分的精確布置，對于電力推進(jìn)系統(tǒng)的其他零部件則可以靈活操作安裝。同時(shí)，由于電力推進(jìn)系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置和推進(jìn)器電力驅(qū)動(dòng)之間不需要機(jī)械連接，這樣就能夠促使有效隔離發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的聲信號(hào)，最大程度降低船舶運(yùn)行的振動(dòng)噪聲。（4）減少人工操作任務(wù)量與運(yùn)行成本低。與傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)相比，船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用了大量數(shù)字化控制與自動(dòng)化控制技術(shù)設(shè)備，能夠大大減少人工操作工作任務(wù)量，滿足工作人員的相關(guān)管理要求。此外，船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的使用還可以保證獲取到不同推進(jìn)速度，有效提升船舶行駛過程的能源利用率，幫助企業(yè)在最低成本下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2電力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括了電站、變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳以及監(jiān)控系統(tǒng)等。電力推進(jìn)系統(tǒng)的電站通常是由柴油發(fā)電機(jī)組和主配電板組成的，其能夠?yàn)榇半娏ν七M(jìn)系統(tǒng)與其他設(shè)備持續(xù)提供電力能源。當(dāng)船舶對于電力需求量較大時(shí)，那么可以考慮將柴油發(fā)電機(jī)組換成更大功率的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。配電板的應(yīng)用是為了確保電力的合理分配，其電壓額定值通常設(shè)置在3.3～11kV范圍內(nèi)，船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)配以一個(gè)6.6kV的電網(wǎng)，該電網(wǎng)的運(yùn)行頻率控制范圍為50～60Hz。船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的變速驅(qū)動(dòng)和控制需要依靠于先進(jìn)的變壓變頻技術(shù)[2]。當(dāng)前交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速廣泛采用的是變頻調(diào)速，其要求交流電機(jī)供電的電源可以在同一時(shí)間調(diào)整即時(shí)電壓和頻率。在電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造中常用的變頻器主要分為三種，分別是同步變頻器、循環(huán)變頻器以及脈寬調(diào)制變頻器。船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)通?？梢苑譃閮煞N：①交流電機(jī)；②永磁電機(jī)。其中交流電機(jī)又包括了異步電機(jī)和同步電機(jī)，異步電機(jī)的使用特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、不需要安裝電刷裝置，而同步電機(jī)的使用特點(diǎn)則是能夠承受較大外界沖擊、氣隙較大、勵(lì)磁損耗偏小。隨著我國永磁電機(jī)控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新完善發(fā)展，各種類型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)開始采用該項(xiàng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)，其應(yīng)用功率范圍可以覆蓋從幾百瓦到幾兆瓦。與傳統(tǒng)電機(jī)相比較，永磁電機(jī)最大的應(yīng)用優(yōu)勢是轉(zhuǎn)矩密度大、功率密度高，通過將其合理應(yīng)用在電力推進(jìn)系統(tǒng)中能夠幫助企業(yè)降低檢修維護(hù)成本，并避免電機(jī)產(chǎn)生過大的系統(tǒng)噪聲。

3船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)可以被應(yīng)用在任何類型的船舶指在生產(chǎn)中，然而形成最佳電力推進(jìn)裝置的條件是不能同時(shí)具備的。當(dāng)前綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)應(yīng)用在具有以下特點(diǎn)的船舶上：①具有較大容量的輔助機(jī)械船舶。②需要有高度機(jī)動(dòng)性能的船舶。③需要有特殊工作性能的船舶。除此之外，在國內(nèi)外綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)還被廣泛應(yīng)用在起重船、挖泥船、渡輪、漁輪、拖輪、領(lǐng)航船以及破冰船等船舶中。從技術(shù)角度分析來看，船舶制造生產(chǎn)市場的需求一定程度刺激了電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，大型變頻調(diào)速器的創(chuàng)新研發(fā)應(yīng)用為電力推進(jìn)發(fā)展打下了扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。（1）船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的接地設(shè)置。為了有效避免對地故障逐漸蔓延成線對線故障，工作人員需要科學(xué)采用電站接地操作，即在地與發(fā)電機(jī)中點(diǎn)之間聯(lián)結(jié)電抗器，或者是接地變壓器和電阻，從而最終實(shí)現(xiàn)接地設(shè)置操作目標(biāo)。其中，電阻接地方式分為了兩種，一種是高電阻接地，一種是低電阻接地。前者高電阻接地能夠促使接地電流要小于5A，該種電阻接地方式應(yīng)用優(yōu)勢在于一相接地時(shí)系統(tǒng)能夠保證持續(xù)運(yùn)行，通常適用于小于4.16Kv的電站系統(tǒng)[3]。當(dāng)電站的電壓參數(shù)是大于6.6Kv的，那么就需要科學(xué)采用低電阻接地方式。在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)一相接地會(huì)因?yàn)槠洚a(chǎn)生過大電容對地電流，從而促使整個(gè)系統(tǒng)無法保持正常穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電纜或者故障設(shè)備需要在第一時(shí)間從系統(tǒng)中進(jìn)行切除處理。當(dāng)工作人員采用低電阻接地時(shí)需要額外采取增加阻尼的操作，并必須展開對地故障的全面檢測診斷分析作業(yè)。（2）船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的電壓和電流諧波控制。通常，諧波是由波形的非正弦所引起的。如果船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中安裝設(shè)置了電容元件，那么當(dāng)變流器產(chǎn)生的諧波電流頻率與電網(wǎng)某次諧波頻率吻合時(shí)，會(huì)造成某次諧波電流幅值的顯著增加，這樣一來就會(huì)引發(fā)設(shè)備出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，影響其正常穩(wěn)定的運(yùn)行。為了有效降低電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行使用過程中的諧波電壓畸變[4]，相關(guān)工作人員可以采取以下幾方面措施：①降低發(fā)電機(jī)電抗。由于諧波電壓的產(chǎn)生是系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)超瞬變電抗上的壓降造成的，所以相關(guān)工作人員可以采取降低發(fā)電機(jī)電抗超瞬變電抗有效減小諧波電壓畸變，雖然這樣做會(huì)一定程度加大發(fā)電機(jī)對對稱短路電流，影響到發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)的選擇；②濾波。相關(guān)工作人員可以采用濾波降低通過發(fā)電機(jī)諧波電流的方式，這樣還能夠有效減小發(fā)電機(jī)的諧波電壓，弊端在于一定程度在增加功率損耗。

4結(jié)語

要想保障我國船舶制造行業(yè)建設(shè)穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展，國家政府要大力提倡市場企業(yè)加強(qiáng)對綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新研究應(yīng)用工作。綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是全球各個(gè)國家艦船制造生產(chǎn)發(fā)展的核心方向，我國要牢牢把握這一潮流，積極汲取西方發(fā)達(dá)國家先進(jìn)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，并創(chuàng)新完善該項(xiàng)技術(shù)，提升各項(xiàng)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造水平，確保能夠最大程度發(fā)揮出綜合推進(jìn)電力系統(tǒng)在船舶中的價(jià)值作用。

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作者：余國虎 單位：中國艦船研究設(shè)計(jì)中心