船舶電力推進技術(shù)

第四章船舶直流電力推進

4.1主電路連接方式主電路連接方式是指電力推進系統(tǒng)在采用多臺主發(fā)電機和主電動機時它們電樞回路之間的連接方式。主電路可分主電機并聯(lián)接法和主電機串聯(lián)接法。在串聯(lián)接法中又可分為一般串聯(lián)與交互串聯(lián)兩種。主電動機有采用單電樞電機，也有采用雙電樞電機的。4.1主電路連接方式4.1.1主電機并聯(lián)接法與主電機串聯(lián)接法的比較主電機并聯(lián)接法和串聯(lián)接法4.1主電路連接方式主電機并聯(lián)的優(yōu)點主電機并聯(lián)的缺點可以采用電壓級別較高的發(fā)電機，使電機、電路轉(zhuǎn)換設(shè)備和電纜的尺寸重量較小。（1）在并聯(lián)時發(fā)電機間的負載分配不均勻；（2）并聯(lián)操作復(fù)雜，對柴油機調(diào)速系統(tǒng)要求高；（3）主電路檢測、保護都比串聯(lián)接法復(fù)雜；（4）裝置功率在中間狀態(tài)得不到充分利用4.1主電路連接方式4.1.2一般串聯(lián)接法與交互串聯(lián)接法的比較一般串聯(lián)交互串聯(lián)主電機交互串聯(lián)（或稱相間串聯(lián)）電路與同樣數(shù)目、同樣電壓級別的主電機一般串聯(lián)電路相比較，前者在主電路任兩點間的最高電壓比后者主電路任兩點間的最高電壓低。4.1主電路連接方式4.1.3主電動機采用單電樞或雙電樞的比較單電樞雙電樞4.1主電路連接方式單電樞優(yōu)點雙電樞應(yīng)用場合（1）重量和尺寸較?。唬?）效率較高（1）船舶尾部較窄，軸系高度不夠，或有多個推進器，必須要求減小主電動機的直徑時；（2）推進功率較大，需要提高主發(fā)電機電壓級別時。4.1主電路連接方式4.1.4主電路連接法舉例兩臺主發(fā)電機供電給一臺主電動機4.1主電路連接方式兩臺主發(fā)電機供電給一臺主電動機統(tǒng)一供電單獨供電4.1主電路連接方式采用四臺主發(fā)電機的主電路雙電樞單獨供電雙電樞統(tǒng)一供電4.2簡單的G-M系統(tǒng)指不加反饋的G-M電力推進系統(tǒng)，它的機械特性是一族硬特性曲線。4.2簡單的G-M系統(tǒng)4.2.1工作原理和機械特性工作原理簡單的G-M系統(tǒng)中發(fā)電機和電動機（以后如不特別注明，均指主發(fā)電機和主電動機）均由船舶電網(wǎng)直接激磁。發(fā)電機的他激繞組TQ和整定電阻rz串聯(lián)后接至船舶電網(wǎng)。電動機他激繞組TQ和整定電阻rz相串聯(lián)，也接至船舶電網(wǎng)。發(fā)電機磁場繞組整定電阻rz用來改變發(fā)電機電壓，電動機磁場繞組整定電阻rz用來整定磁場電流。正常工作時電動機磁通保持不變。通過改變發(fā)電機電壓來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。4.2簡單的G-M系統(tǒng)機械特性

4.2簡單的G-M系統(tǒng)空載特性；；。

Eg=k1ig(ig≤igz)Eg=k1igz+k2(ig-igz)(ig＞igz)4.2簡單的G-M系統(tǒng)4.2.2G-M系統(tǒng)的工作狀態(tài)1．穩(wěn)定工作狀態(tài)2．電動機的調(diào)速3．電動機的反轉(zhuǎn)4．螺旋槳調(diào)速和反轉(zhuǎn)過程中主回路電流的變化情況4.2簡單的G-M系統(tǒng)主電路電勢及電流變化圖電勢平衡方程式：Eg=Em+I(Rg+Rm)=Em+IΣR4.2簡單的G-M系統(tǒng)4.2.3G-M系統(tǒng)的優(yōu)點1．系統(tǒng)十分簡單，設(shè)計、制造、安裝調(diào)試方便；2．與直接推進比較，操縱靈活、方便、快速，可得到穩(wěn)定低速，同時便于遙控。4.2簡單的G-M系統(tǒng)4.2.4G-M系統(tǒng)的缺點1．磁場變阻器上功率消耗很大；2．船舶阻力發(fā)生變化時，不能充分利用設(shè)備的裝置功率；3．電動機高速運行時堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大，而電動機低速運行時堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很??；4．電動機調(diào)速時可能因操作不當而出現(xiàn)沖擊電流。4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)常規(guī)動力潛艇在水下航行時，只能由蓄電池組供電，由于蓄電池的供電電壓是不可調(diào)的，因此其調(diào)速方法就與一般的G-M系統(tǒng)不同。蓄電池組都要接在系統(tǒng)中，為了擴大調(diào)速范圍和減小推進電動機的直徑，潛艇推進電動機一般多采用雙電樞結(jié)構(gòu)。4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)常規(guī)動力潛艇電力推進系統(tǒng)主電路原理圖4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)4.3.1調(diào)速方式及工作特性常規(guī)動力潛艇要求推進電動機有較寬的連續(xù)調(diào)速范圍，但蓄電池組的供電電壓無法連續(xù)調(diào)節(jié)。因此潛艇推進電機的調(diào)速是通過改變蓄電池組與推進電動機兩電樞的聯(lián)接方式，分級改變推進電動機電樞兩端的電壓，以形成若干個調(diào)速區(qū)。在各調(diào)速區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)推進電動機的勵磁，從而獲得所需要的連續(xù)調(diào)速范圍。4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)兩電池組串聯(lián)、兩電樞并聯(lián)Um=2Ugb兩電池組并聯(lián)、兩電樞并聯(lián)Um=Ugb兩電池組并聯(lián)、兩電樞串聯(lián)Um=1/2Ugb4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)三個調(diào)速區(qū)分別稱為第一調(diào)速區(qū)、第二調(diào)速區(qū)和第三調(diào)速區(qū)。由改變主電路聯(lián)結(jié)方式而使調(diào)速區(qū)改變的過渡點稱為轉(zhuǎn)換點。通常潛艇推進電動機以對應(yīng)蓄電池組一小時放電的工況為基本工況（額定工況）P=EmIm，Pe=EmeIme取第一轉(zhuǎn)換點后的功率（相應(yīng)符號下腳注為1）與基本工況的比值，則有：P1/Pe=Em1Im1/EmeIme由于在第二調(diào)速區(qū)，推進電動機電樞的供電電壓為第一調(diào)速區(qū)的一半。如果保持第一轉(zhuǎn)換點后的電樞電流仍為基本工況的電流值則有P1=1/2Pe,，同理可有：P2=1/2P1。常稱這種轉(zhuǎn)換為半功率轉(zhuǎn)換4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)在每一調(diào)速區(qū)內(nèi)，可以采用調(diào)節(jié)推進電動機勵磁的方法進行調(diào)速。如果忽略回路電阻損耗，則有：n=Ugb/CeΦ，即Φ=Ugb/Cen。推進電動機的磁通與轉(zhuǎn)速近似成反比關(guān)系推進功率與轉(zhuǎn)速近似成三次方關(guān)系，則即：在調(diào)速區(qū)內(nèi)，推進電動機的電樞電流與轉(zhuǎn)速近似成三次方關(guān)系4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)

推進電動機的工作特性。P—推進功率；Φ—電動機磁通；Im—電樞電流；η—電動機效率4.3帶蓄電池組的G-M系統(tǒng)4.3.2系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點1．調(diào)速范圍比較?。?．特性硬，很難采取其他保護措施；3．出現(xiàn)誤操作會引起很大的電流沖擊；4．反轉(zhuǎn)過程較長。工作噪聲很低4.4恒功率系統(tǒng)4.4.1理想恒功率特性和發(fā)電機電動機特性的自動調(diào)節(jié)方法理想恒功率特性發(fā)電機和電動機理想特性4.4恒功率系統(tǒng)發(fā)電機和電動機特性的自動調(diào)節(jié)方法（1）調(diào)節(jié)發(fā)電機磁通的系統(tǒng)（2）調(diào)節(jié)電動機磁通的系統(tǒng)4.4恒功率系統(tǒng)4.4.2三繞組發(fā)電機系統(tǒng)三繞組發(fā)電機系統(tǒng)是主發(fā)電機具有三個激磁繞組的系統(tǒng)，它屬于調(diào)發(fā)電機磁通的系統(tǒng)，發(fā)電機的外特性和電動機機械特性均為凸形。4.4恒功率系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖和作用原理三繞組發(fā)電機系統(tǒng)原理圖三繞組發(fā)電機系統(tǒng)特性自動調(diào)節(jié)過程4.4恒功率系統(tǒng)三繞組發(fā)電機系統(tǒng)的優(yōu)缺點(1)恒功率調(diào)節(jié)精確度比只有差復(fù)激繞組的兩繞組發(fā)電機系統(tǒng)要高；(2)空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)電流有一定限制；(3)系統(tǒng)比較簡單，過渡過程時間較短。(1)具有三繞組，體積和重量較一般他激機大，他激繞組的控制功率也較大，因此只適于小容量系統(tǒng)使用。優(yōu)點缺點4.5恒電流系統(tǒng)4.5.1基本原理主回路電流保持恒定的一種發(fā)電機—電動機系統(tǒng)。所有的發(fā)電機和電動機都串聯(lián)在一個回路中，發(fā)電機供給恒定的電流，發(fā)電機電壓則根據(jù)需要的功率可自動調(diào)節(jié)。4.5恒電流系統(tǒng)恒電流推進系統(tǒng)特點（1）一個公共電站可以串聯(lián)接入工作狀態(tài)不同的幾臺電動機。（2）恒電流系統(tǒng)推進電站的總功率可以由一臺或幾臺發(fā)電機串聯(lián)來承擔。（3）恒電流系統(tǒng)中各臺電動機裝置功率的總和可以大于主發(fā)電機總的裝置功率。（4）由于恒電流系統(tǒng)電流總維持恒定不變。4.5恒電流系統(tǒng)4.5.2恒電流系統(tǒng)的靜特性伏安特性機械特性4.5恒電流系統(tǒng)（1）恒電流系統(tǒng)具有極好的下垂特性，因此不會出現(xiàn)過大的轉(zhuǎn)矩，也不會出現(xiàn)過大的電流。（2）由于系統(tǒng)經(jīng)常工作在特性的下垂部分，當負載力矩變化時，轉(zhuǎn)速變化非常靈敏，即系統(tǒng)具有極軟的調(diào)節(jié)特性。（3）輕載或失載時，有飛車危險，與串激電動機調(diào)節(jié)特性類似。因此恒電流推進裝置應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)速負反饋和飛車保護裝置。4.5恒電流系統(tǒng)4.5.3恒電流系統(tǒng)的應(yīng)用范圍因為恒電流系統(tǒng)是改變電動機磁通調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，所以它必須應(yīng)用在負載是恒力矩特性或轉(zhuǎn)矩隨速度上升而增大的場合。4.5恒電流系統(tǒng)特別適于具備下例條件的場合：（1）有兩臺以上的電動機負載，由一公共主電站供電，當一臺主電動機調(diào)速時，要求不影響另外幾臺電動機的工作和調(diào)節(jié)。同時這些電動機的功率在同一數(shù)量級上；（2）發(fā)電機的總功率小于由它供電的電動機的總功率，而這些電動機不同時工作或不同時滿載工作；（3）在需要轉(zhuǎn)速隨阻力矩增加而自動降低之處。4.5恒電流系統(tǒng)主要應(yīng)用于下述船舶：（1）挖泥船（2）拖網(wǎng)漁船（3）渡輪（4）消防船（5）消磁船4.6帶整流輸出的交流發(fā)電機-直流電動機推進系統(tǒng)4.6.1交流發(fā)電機的設(shè)計特點（1）來自發(fā)電機本身電源；（2）自動勵磁調(diào)節(jié)器；（3）勵磁機勵磁繞組；（4）交流勵磁機電樞；（5）旋轉(zhuǎn)整流器；（6）發(fā)電機勵磁繞組；（7）發(fā)電機電樞；（8）橋式整流器；（9）直流輸出端。無刷同步發(fā)電機原理圖4.6帶整流輸出的交流發(fā)電機-直流電動機推進系統(tǒng)發(fā)電機整體式的雙層結(jié)構(gòu)下層：發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、風扇、交流勵磁機定子及轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器軸承等部件。上層：空氣冷卻器、整流裝置、勵磁裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置等部件。上下層之間在風路和電路上都是相溝通的。4.6帶整流輸出的交流發(fā)電機-直流電動機推進系統(tǒng)采用整體式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點（1）結(jié)構(gòu)緊湊，各部件統(tǒng)一布置，空間利用率高。（2）可以采用閉式自通風方式解決電機內(nèi)部各部的冷卻問題，在應(yīng)急情況下亦可采用開式風冷。（3）發(fā)電機交流電纜均封閉在殼體內(nèi)直接連接到整流裝置，引線距離短，對外界無線電干擾小。4.6帶整流輸出的交流發(fā)電機-直流電動機推進系統(tǒng)4.6.2十二相發(fā)電機整流橋連接方式及整流特性十二相15°相帶繞組交流發(fā)電機有四個互相位移15°的Y接繞組，每個Y接繞組各自接成三相橋式整流，根據(jù)設(shè)計需要，四個橋可以接成串聯(lián)，也可以接成并聯(lián)，還可以接兩個橋并聯(lián)后再串聯(lián)以及兩橋先串聯(lián)后并聯(lián)。4.6帶整流輸出的交流發(fā)電機-直流電動機推進系統(tǒng)4.6.3采用交—直系統(tǒng)的優(yōu)點（1）可以采用高經(jīng)濟性、高轉(zhuǎn)速原動機與交流發(fā)電機直接耦合（