海上和水下运载器电力传动方案

海上和水下电动运载器的集成电气传动推进系统比传统的机械传动系统更强调IPS配置的重要性。集成电气传动推进系统能为未来武器系统增加可用功率，从而改善作战能力。它还能快速恢复供电，从而减小运载器在危机情况下的易损性。从控制和运行角度来看，集成电气传动推进系统既经济又可靠。它有最佳的操纵和定位性能，而且可以极大地减小振动和噪声。

多年以来，直流电机都在电力推进系统中占据了统治地位，因为直流电机起动转矩和制动转矩很大而且反转能力较强。由于换向器电压的限制，直流电机的工作电压不能太高。但是大功率、高速度和宽速度范围是推进技术发展新趋势。所以直流电机在先进推进系统中的应用有限^{［18，20］}。

固态器件的发展使诸如多相异步电机和电励磁同步电机一类的交流电机在推进系统中的应用成为可能。依靠电力电子变换器，交流电机可实现不同的转矩—转速特性。通过采用多电平电力电子变换器，交流电机可满足20～30MW大功率推进的需求^［2］。但是变频交流传动会出现谐波导致的振动和低速转矩脉动。

图8-13 永磁同步电机的驱动

研究人员就开关磁阻电机（Switched Reluctance Machines，SRM）和永磁（Permanent Magnet，PM）电机（如永磁无刷直流电机＜PM-BLDC＞和永磁同步电机＜PMSM＞）在海上和水下运载器推进系统中的应用作了大量的工作。与传统电机相比，这些电机在效率、转矩重量比、维护性、动态性能、可靠性和耐用性方面有许多优势^{［19～21］}。具备无槽电枢和多路绕组的直流电机也可用于推进系统^［18］。这些电机可以为多级形式，每级可由单个电力电子变换器控制。在图8-13中永磁同步电机的例子中，主直流总线通过DC/AC逆变器驱动永磁同步电机。(www.xing528.com)

在上述情况中，因为每部分定子由一个变换器供电，所以供电更可靠，只要协调好各个变换器即可。在紧急情况下，即使定子中某个绕组出现故障，电机也能在低功率下运行，从而提高战斗中运载器的生存能力。

美国海军还在关注高温超导（High Temperature Superconducting，HTS）电机在推进系统中的应用。采用高温超导电机可获得较高的功率密度。它能极大地减小机舱，而且也不会像永磁电机那样存在电磁干扰问题。由于推进负载是大功率恒定负载，它与电气总线的集成会带来电力系统的稳定问题。直流电机一般被用在甲板插座、船舱通风扇和水泵这类场合。电磁发射器采用带循环换流器的直流同步电机^［22］。本书也介绍了运载器应用领域中的先进电机驱动技术。

本章的说明足以让我们对现代海上和水下运载器高级配电和电气负载的形式有较全面的了解。可以看出，电机是整个系统中最重要的电气负载之一。消防泵、钻井系统、起重和装卸系统、电磁发射器、紧急开门器、挖掘机、空调系统、鼓风机、压缩机、加热器和电力推进系统都安装了电机。因此，各种类型的常规电机和先进电机都会用于基于电力电子的变速传动中。

如前所述，电力推进是海上和水下运载器的主要电气负载，采用电力电子功率优化可以节省大量的功率。在这种情况下电机的选择非常重要。一般来讲，如邮轮或渡轮一类的运载器，它们有一对主推进器使用同步电机，还有一些小的推进器使用异步电机。这类推进系统中的电机基本都是速度范围较宽的低速可变速电机（150～200r/min），它们的功率在20～40MW之间，用于驱动单个推进器。对于水下运载器来说，它对电压要求也是变化的^［18］。