文档介绍：上海交通大学工程硕士生学位论文第一章绪论
第一章绪论
船舶电力推进技术概述
船舶电力推进应用至今已经有近百年的历史。早在 1912 年和 1918 年美国就先后
建成了一艘往复式蒸汽机交流电力推进航空母舰和一艘汽轮机交流电力推进战列舰
“新墨西哥”号,总轴功率分别达到 4000kW 和 22000kW[1]。这一时期虽然大功率蒸汽
轮机作为船舶原动机的技术已经成熟,但由于机械加工水平和能力的不足,大功率机
械减速装置在制造工艺上还有一定的困难,所以许多船舶都采用了汽轮发电机组匹配
同步推进电机的电力推进方式。二十世纪四十年代后,随着科学技术的进步,特别是
齿轮传动装置加工能力的提高,满足船舶动力要求的齿轮减速装置已能够批量生产,
而当时技术条件下的电力推进装置由于其能量一次变换具有设备昂贵、传动效率低、
维护保养工作量大等缺点,因此船舶开始大量采用柴油机、汽轮机或燃气轮机的直接
传动推进。尽管如此,由于电力推进的某些特殊优点以及优越的灵活性,在一些要求
良好操纵性、转矩特性和响应特性的特殊用途船舶仍然广泛采用电力推进[2]。
美国海军于 1986 年针对当时水面战舰的低能表现提出“海上革命”计划,率先
提出了综合全电力系统(Integrated Power System,IPS)的概念,它指的是动力推进
和日常用电共同用一个电力系统,从而构成一个综合的/整合的电力系统,这一概念
有力地促进了电力推进技术的发展[3]。随着现代电力电子技术的迅速发展以及交流电
机变频调速技术的日渐成熟,电力推进型式从传统的直流电力推进发展到了采用脉宽
调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术、矢量控制(Vector Control)或直接转矩控制
(Direct Torque Control,DTC)的柴-电交流电力推进。系统中使用的电力半导体器件也
从半控型器件如可控硅整流器(Silicon-Controlled Rectifier ,SCR)发展到全控型器件
如门极关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor,GTO)、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate
Bipolar Transistor,IGBT)和集成门极换向晶闸管(Integrated mutated
Thyristor,IGCT)[4]。基于大功率开关元件整流逆变原理的船舶电力推进改变了船舶
能量变换的面貌,使得原先船舶电力推进存在的一些缺点发生根本性的转化。在系统
结构方面,由于交流电力推进用交流电动机取代柴油主机带动螺旋桨,这使得推进电
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机紧靠螺旋桨;由于取消了中间轴部分,因此可以在一定程度上优化机舱配置[5]。
在二十世纪九十年代,电力推进技术首先在工程船和破冰船等类型船舶上取得了
突破。船舶电力推进开始采用吊舱式的结构形式。所谓吊舱式结构,就是推进用电机
直接和螺旋桨相连,构成独立的推进模块,并吊挂于船体尾部。推进模块由电动液压
机构驱动,可以作 180 度或 360 度水平旋转,推进方位角可以人为进行控制和调节,
省去了舵机系统。这样的设计使得电力推进船的机动性、可靠性和运行效率等方面都
有了突破性的发展,船舶电力推进技术的应用领域不断扩大,从工程船、破冰船到目
前的豪华邮轮、LPG 船、油轮、化学品船等[6]。
进入 21 世纪以来吊舱式船舶电力推进技术又有了新的发展,例如 ABB 公司的
Compact Azipod 系统和 CRP Azipod 系统等。Azipod 系统的成功以及市场的潜力引
来其它电力推进器设计商们的竞争,他们采纳了 Azipod 的基本观念,在设计具体细
节上进行了开发和扩展,不同点主要在于吊舱的水动力设计、推进器的构造、电动机
型号选择以及变频系统的选择等方面。设计者们可以选用同步电机或者异步电机;选
择无刷电机或者永磁电机;选择交-交变频器、交-直-交变频器或者 PWM 变频器;选
择空冷、水冷或者混合方式冷却等不同的技术和方法[7]。
船舶电力系统数字仿真技术的发展现状
船舶电力系统仿真早先起步于欧美等国家。起初,船舶电力系统仿真只是相似模
拟,五十年代出现模拟计算机以后,船舶电力系统仿真便转到模拟机上,六十年代数
字计算机的普及使得船舶电力系统的一些静态问题开始用数字计算机仿真。自此,船
舶电力系统仿真就分为两个分支发展。一方面在寻求实时、在线分析工具;另一方面
在不断改进离线分析程序,来提高计算机能力。两方面各有其局限性,不能相互取代,
因此同时受到人们重视[8]。
离线仿真程序在六十年代,