西莫论坛研讨会第七期——船舶混合动力系统技术概要及解决方案

电机BOY

学到了不少新知识！
支持楼主！

long98194

提问李总：
1、船舶电网类似于孤网运行，这对发电机要求很高，在负载不断变化中如何去维持相对稳定的电压和频率？
2、柴油发电机组转速高，噪音大，在船舶中如何克服？若加隔音罩，本身船舶空间有限，有没有其他更好的手段？

long98194

继续提问提问李总：
柴油发电机组放到船舶中如何避免与船舶本体产生共振？

zane2662200

李老师，交流励磁无刷同步电机如何实现变速恒频的呢，同步电机不是转速一改变，频率也跟着变吗？还有，现在的船舶上用的交流励磁机都有哪些，能给科普一下吗？非常感谢！{:soso_e121:}

标准答案

回答一下10楼张老五同学的问题：

问个问题
现在汽车的混动，有轻混，重混，还有纵向和横向之类的区分，船舶有这样的差别么
第二个问题，汽车的混动，离不开蓄电池的支持，那船舶需要蓄电池么？不算潜艇这样的。如果有，那蓄电池一般是怎么样的规模

1 汽车的混合动力俺是外行，真没听说过“轻混，重混，纵向和横向”等术语，也不知道是什么概念，还请这方面的专家多给以科普，俺也想知道这些。不过我猜“轻混，重混”可能是指混合动力中两种动力的比例（即是机械动力占主要成分还是电动力占主要成分）问题的吧？如果是这样，那么船舶也有这样的问题，只是没有特别叫出这个概念而已，另外目前采用混合动力装置的船舶，多以机械动力为主，电动力为辅，否则就干脆采用全电力推进系统了，所以很少有“轻混，重混”之说的。关于“纵向和横向”的概念我更不知，是不是指两种动力设备的耦合方式或安装呀？如果是这样，船舶也存在各种耦合或安装方式，如我前面所说的有的通过齿轮箱来耦合，有的是穿轴式直连的。再次声明，我不太了解汽车动力，以上都是根据自己的猜测胡乱回答的，如有不当，就当我没说。

2 关于船舶混合动力是否需要蓄电池支持的问题，这大概是车和船的最主要的区别之一，车辆通常电网较小，用电设备也少，车辆的能源主要用于驱动，车一旦回家人去车空，全车停电。而船则不同（不包括一些特别小的民船），船舶的电网相对车辆是比较大的，无论是航行还是停泊，船上一般是不能停电的，除了推进动力外，船舶的生活及其它辅助设备用电也不容忽视。因此船舶电站总是在不停地运行着（有时靠了岸也可以接岸电）。由于车上一般没有电站，因此车辆在电动装置驱动时，其能源必须来自蓄电池，而采用机械动力驱动、电动刹车等工况电动装置发电时，发出的电能也主要用于充电。因此车上必须有蓄电池支持。船舶则不然，虽然船舶上也有蓄电池，但那不是因为混合动力所要求的，主要用于UPS电源，电池容量比较小，不能用于推进动力。船舶混合动力主要借助于船舶电网做支持，电动系统推进时电源来自船舶电网，电动系统发电时，输出的电能也馈送到船舶电网，只是此时可以少投入一些电站辅机而已。当然，不排除有些特殊船舶需要有大量的储能设备来工作，这些就不多说了，一是这种船舶极少极特殊，二是不便说，你懂的。

标准答案

回答一些23楼龙版主的问题：
提问李总：
1、船舶电网类似于孤网运行，这对发电机要求很高，在负载不断变化中如何去维持相对稳定的电压和频率？
2、柴油发电机组转速高，噪音大，在船舶中如何克服？若加隔音罩，本身船舶空间有限，有没有其他更好的手段？

1 你说的没错，船舶电站通常是由数台柴油发电机组并联组成，电网容量较小，类似于孤网运行。确实存在电网电压和频率波动的问题，要想是船舶电网稳定，一方面是依靠船舶电源设备要求很高，如电机的强励能力、柴油机及电机的的瞬态性能等都很苛刻；二是依靠电能的科学调度和管理，这方面都有专门的计算机管理系统。另外需要说明的是船舶电网小是相对于陆上大电网而言的，其实一般的船舶电站也有几个兆瓦的容量，这相对于一个普通的村镇或一个中大型车间的电源容量，且船上的用电设备容量也是与之匹配的，也不会太大，因此还不至于使船舶电网出现很大的波动和崩溃。除此之外，对船上的大型负载启动、加载及解列，都会采取一些措施，使之尽量减小对电网的冲击。对特别娇气的设备通常还需要自己解决稳压电压的问题。总之，通过以上综合治理，完全可以保证船舶电网的正常运行。
2 柴油发电机组转速高，噪音大，对高档的船舶通常是加隔音罩，虽然船舶空间有限，但并不是那么紧张，特别是大型船舶机舱空间还是很宽敞的，况且隔音罩并不会增加多大空间。一般的船舶是没有隔音罩的，通常机组安装在底舱，而生活工作的舱室通常远离那里布置。另外对离机舱较近的舱室通常在内装修时会专门做隔音处理，我在船上调试时，开开门噪音很大，但关上门还是很安静的，不知你是否坐过客船，你在室内、甲板上没有听到太大的噪音吧，但如果你去机舱，那里还是很吵的。再就是现在船舶设备越来越重视噪音问题，通常发电机都采用水冷IP54结构，柴油机也需要进行专门的消音措施。

crc

问下李队长：
1.主轴变速箱上带的能做发电和电动两种状态运行的电机，目前最多的是什么类型的电机？
2.这种电机有什么设计要点，一般需要注意些什么？设计的时候与普通发电-电动机区别有些什么？功率密度大概是什么水平？
3.您在7楼提到一种特殊无刷异步/同步电机，转子绕组设计有什么特别之处吗？如果是一种绕线式转子，那么在同步发电时，两相并一相再与另一相串联，会不会存在励磁磁场不均的情况？它的发电功率比电动时功率能相差多少？这种情况下，它的极数，相数该怎么判定呢？既然从转子上通入直流励磁，那么它如何实现无刷？是同轴再带个旋转整流器吗？
4.方便的话，能否说说第5类混动方案里的交流励磁无刷同步电机大概是个什么运行情况和原理？
希望李队长多多指导，谢谢！！

normahxh_002

李老师讲的不错啊

标准答案

回复24楼问题
继续提问提问李总：
柴油发电机组放到船舶中如何避免与船舶本体产生共振？


       首先在船舶设计时需要进行大量的振动模态仿真计算，得到船舶的各种振型及固有频率；同样对柴油发电机组也需要进行大量的振动模态仿真，以便在方案设计和各设备的设计选型阶段尽量避免共振。
      在机组设计及与船体的安装设计时采取一定的减震措施，其中各设备的安装方面就有减震器，要求比较高的船舶，整个机组还要进行二次减震设计，即所谓的双层隔震，还有更甚者会将机组置于一个浮筏上减震，总之减震措施还是可以解决共振问题的。

long98194

提问李队长：船舶电网中中性点如何处理？直接接地？还是非直接接地？系统有没防雷要求？
根据现行电网电压等级规定船舶电网属于非直接接地系统，但是船舶一般在河海中，跟陆地上的电网有所不同，居于安全考虑和特殊场合，如何处理？

标准答案

zane2662200 发表于 2014-6-12 09:24
李老师，交流励磁无刷同步电机如何实现变速恒频的呢，同步电机不是转速一改变，频率也跟着变吗？还有，现在 ...

回复25楼的问题：

李老师，交流励磁无刷同步电机如何实现变速恒频的呢，同步电机不是转速一改变，频率也跟着变吗？还有，现在的船舶上用的交流励磁机都有哪些，能给科普一下吗？非常感谢！

1 交流励磁无刷同步电机是指无刷同步电机的励磁机采用交流励磁，其目的是为了解决电动运行时的启动问题，众所周知，无刷同步电机的主机中的励磁电流是由同轴的励磁机经旋转整流器提供的，在启动时，由于转子静止，励磁机是不可能发电的，这样主机中就没有磁场，即使使用变频器也无法启动这种无刷同步电机，因此才特殊设计了一种交流励磁的励磁机，即在静止时，给励磁机的励磁绕组通入交流电，使励磁机作为变压器，在其转子中感应变压器电势，这样就能够在无刷同步电机的主机中建立磁场，以便在电动运行时启动，在启动过程中，随着转速的升高，逐步降低交流励磁的频率，当达到同步转速时，励磁机的励磁频率也减小到0（即直流），这样就变成一台普通的无刷同步电机了。这种解决方案必须与变频器配套组成，如我前面第5方案，既然采用了变频器，那么实现变速恒频就是轻而易举的事了。
2 现在的船舶上采用的交流励磁通常有两种情况，一是我前述的这种，二是采用有刷或无刷双馈电机，即我前面讲到的第4种方案。目前这样的船舶应用实例还比较少，听说西门子公司曾经用前方案为一型国外的船舶做了个设计，后一种方案长江航运的一型内河船舶有应用。

标准答案

crc 发表于 2014-6-12 15:15
问下李队长：
1.主轴变速箱上带的能做发电和电动两种状态运行的电机，目前最多的是什么类型的电机？
2.这 ...

回复28楼的问题：
问下李队长：
1.主轴变速箱上带的能做发电和电动两种状态运行的电机，目前最多的是什么类型的电机？
2.这种电机有什么设计要点，一般需要注意些什么？设计的时候与普通发电-电动机区别有些什么？功率密度大概是什么水平？
3.您在7楼提到一种特殊无刷异步/同步电机，转子绕组设计有什么特别之处吗？如果是一种绕线式转子，那么在同步发电时，两相并一相再与另一相串联，会不会存在励磁磁场不均的情况？它的发电功率比电动时功率能相差多少？这种情况下，它的极数，相数该怎么判定呢？既然从转子上通入直流励磁，那么它如何实现无刷？是同轴再带个旋转整流器吗？
4.方便的话，能否说说第5类混动方案里的交流励磁无刷同步电机大概是个什么运行情况和原理？
希望李队长多多指导，谢谢！！

1  目前船舶轴带电机中，大多还是单一功能的发电机，即只有PTO功能，而且采用轴带电机的船舶也大多是变距浆的船舶，因此这种船舶就配普通的无刷同步电机即可，对于要求具有PTI/PTO两种功能的船舶，如果是变距浆船舶大多采用我前面说的第2种方案，即采用无刷同步电机加辅助启动电动机的方案较为普遍。如果是定距桨的船舶，则采用永磁电机或异步电机或电励磁同步电机加变频器方案的较多，也有些要求不那么高且转速变化范围不大的船舶用第一种方案凑合着用的。
2  关于这类电机的技术特点及设计要点我在6楼已经介绍得很多了，总之要结合具体船舶的具体情况，选择合适的解决方案。如有具体项目我们可以更详细地交流。
3 我在7楼所说的电机只是转子设计成三相绕组，就像双馈电机的转子一样，且提前将任意两相转子绕组的端头短接起来作为励磁绕组的正极或负极，另一相绕组端作为另一极。这样做电动运行是直接短路正负两极，就相当于三相绕组短路，就是一个异步机，否则就是同步机。这种连接不仅不会存在励磁磁场不均的情况，而且气隙磁场的正弦性非常好！因为三相对称绕组通如三相对称交流电流时会产生一个正弦性很好的旋转磁势，其在空间的分布正弦性要比常规单相励磁的正弦性好，而上述接法正是三相绕组在某一相电流达到最大其他两相处于反向各一半的瞬间的状态，此时产生的磁势必然是正弦性很好的（相对于转子）静止的磁势！它的发电功率与电动时功率是差不多的，无论什么运行状态，转速基本一样，只要电压相同，电流没有超过 额定电流， 就可以正常运行。“这种情况下，它的极数，相数该怎么判定呢？”，不明白你这句话想问的意思，这种情况下，它的极数，相数该是多少还是多少，你原理设计是多少就还是多少啊！它的结构与普通的无刷同步电机差不多，只是转子不同而已，当然要带旋转整流器。转换成电动运行时需停机短接正负集电环。
4 第5种方案的原理我已在32楼有解释了，不再赘述。

最后再次感谢你参与讨论！

crc

谢谢李队长的讲解。
还有些不明白的地方：
1.交流励磁无刷同步电机，电动状态在交流励磁的时候，相当于一台异步电动机，此异步电动机转子为绕线式转子，通过旋转整流器为无刷同步电机的转子励磁绕组提供励磁。同时这种方式相当于给交流励磁无刷同步电机加了个启动作用。这样理解对吗？在最后启动到同步速以后，励磁机依然需要直流励磁，
那么此时依然用变频器给其供直流电，这样是不是对变频器的运行不利？
2.  7楼的特种无刷同步/异步电机轴带电机同步发电时，两相并一相再与另一相串联，那么并的两相线圈是不是可以设计的面积比串的那一相少一半？

希望李队长多多指导，谢谢！！

zxf02105

在全电推系统中，异步鼠笼电机在变频器（四象限的）的控制下做PTO应用是否温升会恶化？比如正常工作在110kW的异步电动机做PTO应用输出110kW的电功率，二者温升的差距会不会大？