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船舶电力推进系统TheIntroductionofMarineElectricPropulsionSystem(MEPS)MEPS:WHAT’s&WHY•MEPSisapropulsionsysteminwhichpropellersaredrivenbyelectricmotorsEnergysources：FossilAtomic…PropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine...FuelCellOtherloadsMechanicalEnergyElectricenergyExampleofMEPS•船舶电力推进是船舶推进方式中的一种。船舶电力推进系统是指由电动机驱动螺旋桨推动船舶行进的推进系统。船舶电力推进方式的应用已经有170年的历史。1838年，第一艘电动实验船诞生，从那时起到20世纪初，是电力推进船的试验时期。这段时期中的电力推进装置大多采用蓄电池作为动力源，用直流电机作为推进电机，功率一般在75KW以下电力推进船舶的市场趋势•包括核动力在内的新一代军用舰船将无一例外地采用电力推进及综合电力系统。美国会已经通过听证，同意弗吉尼亚级核潜艇采用综合电力系统。美海军部长Danzig说：“Changesinpropulsionsystemsarefundamentalandoffundamentalimportance.Thus,wearemovingforwardtoembraceatechnology,electricdrivetechnology,and...theintegratedpowersystemthatcomeswithit,todriveNavyships.Thisisaveryfundamentalstep....We'retakingitbecausewe'vejudgedthatthetechnologyisripeenoughtoreachit....”•油价的高企可能使电力推进迅速用于新的领域•将广泛应用于滚装船、邮轮、集装箱船、化学品及LNG船、高速船、离岸工作船（钻井船）等•在民用船方面，电力推进系统的产值目前仍约占15％左右，约USD800M。但至2013年预测电力推进系统的产值将增长5～6倍，达到USD4bn～5bn，约为现有动力系统总产值的70～80％•原动机与推进器机械连接的系统在很多场合已经不能满足船东对船舶功能及指标的需求—大型主机及其轴系占据了巨大空间，其刚性的连接，制约了全船的布置，例如小水线面船、滚装船、豪华邮轮等都不能接受这种系统。集装箱船会因此而损失装箱空间，而舰艇则需要更多的武器弹药空间。—中高速发动机经过传动齿轮与推进器连接会产生巨大的噪声和振动，不能满足豪华轮关于舒适性的要求，以及舰艇关于隐蔽性的要求—船舶的可操纵性不良。柴油机在最低稳定转速下不能运行；低速时扭矩减小；不能制动减速，不能迅速反转。许多现代船舶要求实现DP：DynamicPositioning，如钻井船、豪华邮轮等；近零转速大扭矩，如破冰船、自航疏浚船等，要求更短的避碰距离。电力推进的调速和倒车等主要由电气控制实现，因而具有良好的机动性和优良的操作性。推进电机的转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩，因此能得到最佳的工作特性。•—经济性好。电力推进配置有多台中速机用于发电，可根据用电负荷选择投入运行的发电机组台数，使运行机组始终运行于高效工作区，保持燃油消耗率最低，实现最大的经济性，提高续航力，降低运行成本。根据SIEMENS公司统计，同等功率的船，电力推进要比内燃机推进耗油减少10%左右，按航速折算可提高0.5节—电力推进的柔性布置允许采用新的效率更高的推进方式，例如360o回转螺旋桨，对置反向螺旋桨，串联桨等—推进能与其它能量不能统一调配，设备能力冗余效率低下。柴油机在70％转速下（50％扭矩）油耗迅速提高。对于机动性大的船舶，使用电力推进，尽管多了能量转换环节，但总能耗反而下降。在很多船舶中推进能的比重及重要性已经大大下降，要求建立统一的能量管理系统（IFES）•—电能储备大：电站由多台发电机组成，一方面满足设备的冗余要求，另一方面，电能储备大。对军用舰船来说，当降低推进功率到零时，所有的电能储备都可应用于支持高能武器的发射•—适合环保：采用电力推进更有利于船舶控制环境污染。对同一功率船舶而言，采用电力推进，由于原动机可以采用几台中速柴油机或采用燃气轮机联合装置，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油的喷射及燃烧质量好，有利于实现节能减排•—安全性好：电力推进使用多台原动机，个别机组的故障只对船速有一定的影响，不会导致丧失动力。目前的电力推进系统多采用两套以上的推进系统，可互为备用。在CYCLO推进系统中，同步电动机的定子有两组相互独立的绕组，运行中一组出了故障，电动机仍可减载运行•电力拖动及其控制系统已经有了飞跃的发展，在大功率可控硅技术支撑之下，船舶电力推进系统在性价比上已经具有足够的竞争力。据GE报道其所生产的可调速驱动器，25年来在性能大幅提高的同时价格已降低至原有的50％～20％。随着高温超导体（HTS）及永磁（PW）技术的突破，未来将有新的发展。正在研制的HTS的IFES已经达到100MW，将首先装备海军。而吊舱技术的进展又将使商用船舶的电力推进大行其道。可以预见，在本世纪船舶电力推进必将迅速崛起，而成为主流的推进方式。船舶电力推进技术的发展史TheHistoryofMEPS•人类对电能的发现和利用已经有200年左右的历史－1795年，富兰克林发现电流－1800年，伏尔泰发明电池，人类第一次有了可使用的电能－1831年，法拉第发现电磁感应，打开了电能与机械能的转换之门－1834年，Davenport发明了第一台使用电刷及半圆环（机械换流器）的直流电动机，并用伏尔泰电池为电源作了电力机车模型，正是这个模型使卡尔.马克思欣喜若狂－1882年，爱迪生采用同样的原理用蒸汽机作为原动机发电，并将直流电用于照明－1886年，WilliamStanley发明变压器－1882～1892年，NikolaTelsa发现旋转磁场原理，发明无刷的交流感应电动机及发电机，并实现了多相功率配送，开始了爱迪生与威斯汀豪斯的交、直流之战：TheWarofCurrents。最终爱迪生失败—1900年10月12日，第一艘美海军潜水艇下水，采用汽油机和电动机驱动，载重64吨，航速6节－1911年，第一艘柴油机船下水（二冲程4x250/370）－1913年，第一艘柴油－电力推进船Tynemount下水，1644吨，300HP/400RPM。但因起动负载过大而未成功，1914年改装，1916年被击沉于大西洋－1917年，世界大战爆发刺激了海军的发展，期间电力推进在舰船中得到了很快的发展。电力推进的德国潜艇击沉了共650万吨商船；美新墨西哥级战斗舰为蒸汽透平电力推进，功率已达40，000HP－1918年电力在世界的迅速应用，使得列宁说出了“共产主义等于苏维埃+电气化”的名言－1920年，S/SNOMANDY邮轮下水，功率达到29MW，采用蒸汽透平为原动机，以同步发电机及同步电动机组成的电力传动来带动螺旋桨。而同期使用电力推进的航空母舰其功率已达到180，000HP－1934年，第一艘使用变距浆的船只下水。在其专利问世30年以后的这项技术，使交流电机可能用于电力推进。－第二次世界大战期间：约有300艘水面舰艇采用电力推进技术。而主要的技术方案或为交流同步电力传动，或为直流发电、直流电动机驱动。由于其固有缺点，因而限制了其应用。在民用船方面，除了豪华轮及破冰船之外，很少采用。而柴油机潜艇只有采用电力推进，因为在水下航行电池是唯一的能源。在二战中惨烈的大西洋之战，德国有千余艘潜艇击沉。而其水下航速仅6节/小时。此后在军用方面，1960年美建造了电力推进的Tullibee号核潜艇（1988年退役），1974年建造了Lipscomb号核潜艇。但这些传统的电力推进装置维修困难，性能不佳，并不成功。•—传统的电力推进一般都采用“直流发电机组或交流-整流发电机组-直流电动机”的“供电-用电”模式。直流电动机拥有调速系统简单、调速性能好等优点，但其缺点也是显而易见的。直流电动机结构复杂、体积大，并有功率及转速极限，同时电刷和机械换向器在换向时易产生火花，存在安全隐患，且检查维修困难，故很长一段时期电力推进只应用在一些工程船舶及潜艇上。此外，电力推进一般采用原动机-发电机-电动机-螺旋桨的形式，与原动机-齿轮箱-螺旋桨的直接推进形式相比，增加了一次机械能与电能的能量转换。在当时的电能变换、电机制造和控制技术条件下，增加一次能量转换使得系统的传动效率明显降低，这也成为限制电力推进技术发展与推广应用的主要原因之一－1947年，美贝尔实验室发现半导体。这是二十世纪最伟大的发明之一，以至于我们可以把二十世纪的后五十年称为硅世纪。期间，半导体的应用向着两个极端的领域迅猛发展。在微电子方面，大规模集成电路的硅芯片（wafercore）是构成全部的绚烂的信息世界的基础；而在强电的转换和传递方面，可控硅的应用使大功率电能的电子控制得以实现，产生了一门新的学科PowerElectronics•—自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的迅速发展，大功率交流电机的变频调速技术日臻成熟，基于晶闸管整流/逆变方案和IGBT器件方案的船舶电力推进技术迅速发展。高效电能变换的电力电子技术，先进的电机制造技术和控制技术，使得电力推进可以摈弃齿轮箱并达到与螺旋桨的灵活匹配，因此尽管能量经过两次变换，仍有可能使得电力推进的效率高于直接推进]•—在其他方面的优异性能，如机动性、可靠性、布置的灵活性等方面都有了突破性的进展，从而使船舶电力推进技术的应用领域不断扩大，除应用于破冰船、挖泥船、渡轮等工程船以外，还广泛应用于油轮、游轮、集装箱船、散货船等中大型常规船舶，显示出了广阔的市场前景。据统计，近年来新建的油轮、渡轮、游轮、集装箱船有30%采用电力推进系统。•—业内专家认为，到2010年，仅仅用于船舶电力推进的电动机和发电机的全球市场份额就将达到每年20亿~40亿美元。可以预计，电力推进将是一种被广泛采用的先进的船舶推进系统半导体的基本原理•在四价元素硅（Sillicon）或锗（Germanium）的晶格中，掺入（doping）三价的原子如铝，可产生电子空穴（hole）；掺入五价原子如磷可产生过剩电子。这两种物质分别具有正价和负价，以P（有hole）及N（有多余电子）为代表。•当P与N相连接时，在结点处空穴、电子互相吸引，中和而形成空区（depletionzone）depletionzone•当对PN结实施加电压时，将产生单向流动现象，即只有在P上加正压或在N上加负电压才促使空区缩小及至最终电子或空穴流向彼极。相反如果在N极加上正电压或P极加上负电压，则只会引起PN结中空区的扩大而不会有电流的产生。PN结就是所谓的二极管Diode，又称整流管。Diode虽然能整流但却并不受控，因此用途有限，以后又发明了三极管NPN或PNP，又称晶体管（BipolarTransistor），它相当于两个背靠背的二极管，其阴极为发射极（Emitter），阳极称为集流极（Collector），中间的P或N称为基极（base）。其中较小的ieb能够得到较大的iec。但由于放大倍数不够（通常为100倍），还不能架起微电流和强电力之间的桥梁。—1958年，美国GE工程师发明了加上门极的四极管，PNPN。这种四极管被称为晶闸管（Thyristor）。这一重大突破的意义在于：1.P-N-P-N的二个三极管构成正反馈、自我放大的回路，使微电流（毫安级）可以触发大电流（最大已至千安级）的完全导通2.这一导通过程是以微秒计的高速过程3.完全导通后晶闸管的压降及热损失极小4.触发后如电压方向不变，则撤去触发电流后，晶闸管仍维持导通直至电压反向，晶闸管这一特点说明它是半控的开关（OnControllableSwitch）,