船舶電力推進是採用電動機驅動螺旋槳來推進船舶運行的一種推進方式。船舶採用的電力推進系統,型式多種多樣,但歸納起來基本可分為以下五類:可控矽整流器+直流電動機、可調螺距螺旋槳+交流異步電動機、電流型變頻器+交流同步電動機、交——交變頻器+交流同步電動機、電壓型變頻器+交流異步電動機。
客船,遊輪和渡輪對船上舒適性要求很高,不能有大的振動和噪音。另外,考慮到乘客和船舶的安全,推進裝置的可靠性和實用性要求很嚴。因此,電力推進很早就被評估滿足以上要求並被投入應用。隨著對環境的關注不斷增加,減排和防汙染,減少船錨泊時對珊瑚礁的損害等要求都在不斷增加。因此,船舶必須能夠單獨通過DP控制推進器實現定位,這也增加了遊輪市場中對電力推進和吊艙推進器的份額。
日前,國產「大灣區一號」豪華郵輪交付,遊輪搭載的我國自研的2MW永磁同步發電機和船舶直流組網變頻配電一體化裝置,移植了高鐵核心技術,可將船舶交流組網升級為直流組網,實現柴發機組的交流電源和動力電池的直流電源的併網供電和功率均衡,有效保障船舶動力穩定。
船舶電力推進分為獨立電力推進裝置:
螺旋槳由推進電動機帶動,是常用的電力推進方式。主要發電機除供電動機外,有時能供給船舶電網使用。
聯合電力推進裝置:螺旋槳由電動機和柴油機聯合推進,它有四種工況:
1、螺旋槳由推進電動機帶動(主機螺旋槳脫開),作低速運行。2、螺旋槳由主機帶動(電機脫開)。3、螺旋槳由主機與推進電動機共同帶動,作高速運行。4、在航行時推進電動機由主軸帶動,作發電機運行,發電給電網。
輔助電力推進裝置:
主發電機用來供電給主要工作機械,而在航行時,主要工作機械不工作,主發電機供電給推進發動機,推進船舶。這種裝置用在自航式起重船、挖泥船、水上各種工程船等。
特殊電力推進裝置:
主機工作時,除帶動螺旋槳外,還帶動推進電動機,推進電動機實際上用作軸帶發電機,供電給蓄電池充電;主機不工作時由蓄電池供電給推進電動機。
主動舵電力推進裝置:
為了獲得良好的船舶低速迴轉性能,可在舵版內裝設潛水電動機,由電網供電後帶動一小螺旋槳,即成主動舵。
永磁同步發電機
以永磁體提供勵磁,使電動機結構較為簡單,降低了加工和裝配費用,且省去了容易出問題的集電環和電刷,提高了電動機運行的可靠性;又因無需勵磁電流,沒有勵磁損耗,提高了電動機的效率和功率密度。永磁同步電機主要由定子、轉子和端蓋等部件構成,定子由疊片疊壓而成以減少電動機運行時產生的鐵耗,其中裝有三相交流繞組,稱作電樞。轉子可以製成實心的形式,也可以由疊片壓制而成,其上裝有永磁體材料。根據電機轉子上永磁材料所處位置的不同,永磁同步電機可以分為突出式與內置式兩種結構形式,右圖給出相應的示意圖。突出式轉子的磁路結構簡單,製造成本低,但由於其表面無法安裝啟動繞組,不能實現異步起動。
內置式轉子的磁路結構主要有徑向式、切向式和混合式3種,它們之間的區別主要在於永磁體磁化方向與轉子旋轉方向關係的不同。右圖給出3種不同形式的內置式轉子的磁路結構。由於永磁體置於轉子內部,轉子表面便可製成極靴,極靴內置入銅條或鑄鋁等便可起到啟動和阻尼的作用,穩態和動態性能都較好。又由於內置式轉子磁路不對稱,這樣就會在運行中產生磁阻轉矩,有助於提高電機本身的功率密度和過載能力,而且這樣的結構更易於實現弱磁擴速。
永磁同步電機由兩個關鍵部件組成即一個多極化永磁轉子和帶有適當設計繞組的定子。在操作過程中,旋轉的多極化永磁轉子在轉子與定子的氣隙形成一個隨時間變化的磁通。這個通量在定子繞組端子上產生交流電壓,從而形成用於發電的基礎。在此處所討論的永磁同步電機使用一個安裝在鐵磁芯上的環形永磁鐵。內部永磁同步電機不在這裡考慮。因磁鐵嵌入到一個電鍍的鐵磁芯內是非常困難的,通過使用適當厚度的磁鐵(500μm)以及在轉子和定子鐵芯的高性能磁材料,氣隙可以做得非常大(300~500μm)而沒有明顯的性能損失,這使得定子繞組在氣隙中佔據一定的空間,從而大大簡化了永磁同步電動機的製造。
按照永磁體結構分類:表面永磁同步電動機(SPMSM)、內置式永磁同步電動機(IPMSM)。按照定子繞組感應電勢波形分類:正弦波永磁同步電動機、無刷永磁直流電動機。永磁同步電動機具有結構簡單,體積小、效率高、功率因數高等優點。永磁同步電動機已經在冶金行業(煉鐵廠和燒結廠等)、陶瓷行業(球磨機)、橡膠行業(密煉機)、石油行業(抽油機)、紡織行業(倍捻機、細紗機)等行業的中、低壓電動機中獲得業績,並逐步積累設計和運行經驗。
電推進系統,也稱電火箭發動機,是一種不依賴化學燃燒就能產生推力的設備。它的優點是不再需要使用固體或液體燃料,省去了複雜的儲罐、管道、發動機燃燒室、噴管、相應冷卻機構等,能大幅減少太空飛行器的燃料攜帶量。電推進系統利用太陽能轉化為電能,然後電能轉化為機械能。傳統的化學推進系統則是通過化學反應將化學能轉化為機械能。電推進系統一般分為三個部分:電源處理單元、推進劑工質貯存與供應單元、推力器。
按照工質加速的方式,電推進一般可分為電熱式、電磁式和靜電式三種類型。
電熱式推力器是用利用電能加熱工質並使其氣化,經噴管膨脹加速噴出產生推力。一般可分為電阻加熱式、電弧加熱式和微波加熱式。其中,電阻加熱的原理是利用電阻加熱器加熱工質,常用工質為肼。
電磁式推力器是電能使工質形成等離子體,在外加電磁場洛倫茲力作用下加速從噴管噴出。霍爾推進系統是電磁式推進系統一種,也是當前熱門的兩種電推進之一。霍爾推力器的原理是將電子約束在磁場中,並利用電子電離推進劑,加速離子產生推力,並中和羽流中的離子。霍爾推力器的電離區和加速區在同一處,和離子推力器相比,技術簡單但比衝低。
靜電式推力器是電能在靜電場中離解工質,形成電子和離子,並使離子在靜電場作用下加速排出。靜電式推力器又稱離子推力器,和霍爾推力器是當前熱門的兩種電推進系統。離子推力器電離區和加速區分開,比衝高但技術複雜。