国际电气工程先进技术译丛 船舶电力系统.pdf

书书书国际电气工程先进技术译丛船 舶 电 力 系 统S h i p b o a r dE l e c t r i c a l P o w e r S y s t e m s（美）M u k u n dR.P a t e l 著汤天浩许晓彦谢卫姚刚译吴英秦审机 械 工 业 出 版 社本书共有 1 3章，所涉及的内容适用于船舶、港口、海洋平台，以及制造厂、化工厂、冶炼厂等其他工业厂房的电力系统。书中回顾了有关电气设备、电缆、故障电流分析、系统继电保护、蓄电池以及经济运行的基础理论知识。本书所提供的基础理论知识适用于电力领域的任何情况，包括陆上电力系统和船舶电力系统。所以，比起那些海洋工程学科所要求的传统电机课程教材，本书包含的内容更加全面和完整。因此，作者建议将本书用作电力系统教材。书中每个章节的正文、习题和问题部分均有大量的事例，学生可对这些例子进行小组讨论以加强对基本概念的理解。本书首先对交流电路的相关知识择重点进行简要的回顾，在此基础上进行深入讨论。本书适合海洋电气工程专业的本科生和研究生学习，也可供从事商业船舶和军用船舶建造的专业工程师，船舶使用者，港口运行人员，船级社，机械设备建造商，研究机构以及大学为从事商业和军事船舶电力系统研究的学生和教授使用。译者序 船舶电力系统是一本国外优秀的学术专著，其作者在电气工程领域长期从事电力系统的研发工作，并在美国海运学院任教，具有丰富的理论与实践知识，对船舶电气工程也有深入的了解和经验。因此，本书的内容全面，涵盖了船舶电力系统的各个方面，包括发电、配电和用电的各个环节；论述深入，从系统结构、理论方法，到系统设计、分析及运行，深入浅出，循序渐进。而且选材新颖，不仅有传统的船舶电力系统，还包括了电力推进船舶的电力系统；不仅有民用船舶，也涉及海洋工程船舶和军用舰船；特别是在提倡节能减排的今天，书中许多观点和论述，比如功率因数改善、电能质量控制、能效优化与能量管理、储能技术，以及经济性分析等，对于当今船舶电力系统的设计都具有很好的学习和借鉴意义。由于本书的内容丰富、内涵深入，不仅全面涵盖电气工程的各个领域，包括：电力系统、电机理论、电力传动、电缆和电器、电气保护等，还涉及机械、热力学、电化学、经济学等其他学科，给本书的翻译带来许多困难和挑战。上海海事大学电力传动与控制研究所承担了本书翻译，许晓彦教授翻译了绪论、第 1 3章和第 6、7章；谢卫教授翻译了第 4、5章；姚刚老师翻译了第9、1 0章，并翻译了全部插图及完成了最后的排版工作；我本人负责其余章节的翻译及全书的统稿。我们的研究生协助翻译了部分章节的初稿，我的女儿汤希诺在法国学习经济管理，帮助翻译了第1 1章电力的经济使用。因此，本书是集体智慧的结晶，我的各位同事及学生付出了辛勤的劳动和专业贡献，对此，向他们表示由衷的感谢。本书的成功还应感谢吴英秦教授的帮助，他曾在美国密歇根大学获得轮机工程博士，后来又长期从事电气工程的教学和研究工作，曾任台湾清云科技大学电气工程系教授兼电力与信息学院院长。因为他的跨界经历，使他既通晓电气工程，也了解船舶与轮机工程，成为本书的最佳主审。非常感谢他以渊博的学识和专业精神，审阅了本书，提出了许多宝贵的修改意见，使本书增色添彩。特别是在审阅本书期间，他的眼睛因白内障而动手术，在康复中还不辞辛劳，使我深受感动。特别应该感谢机械工业出版社，他们慧眼识珠发现了本书的价值，出资引进了版权，使国内的读者能够有机会了解国际的先进理念和技术。也十分感谢出版社的赏识和信任，选择我和我的团队来承担翻译工作，并给予了理解、宽容和支持，使我们在充分自由的学术氛围内完成工作。本书适用于船舶与海洋电气工程领域的研究、设计人员，以及工程师，为船舶电力系统的设计、研发和制造提供理论指导和技术依据；也为相关专业的本科生和研究生学习提供了一本学术参考书。本书同样适用于船舶和航运管理和使用者、船级社、电气和机械设备建造商、港口和海洋工程的从业人员及研究设计机构。希望本书的翻译和出版为国内的相关领域从业人员提供学术参考和技术借鉴，促进中国的造船和海洋工程的技术进步和发展有所贡献。汤天浩2 0 1 3年 8月于上海船舶电力系统致谢船舶电力系统在商船和军用船舶上的广泛应用使其集成了越来越多的新技术。没有多方面的帮助，我是没有办法完成本书的写作的。我非常幸运地得到了该领域中诸多组织及个人的全力帮助，他们鼓励我及时完成了本书的写作并在写作过程中提出了很多宝贵的建议。在此，我深深感谢美国商船学院研究生项目负责人 J o s eF e m e n i a 教授、工程学院院长 D a v i dP a l m e r 博士、以及教务处长 S h a s h i K u m a r 博士对我从事科研、发表论文并促使我完成本书写作的支持。该校的本科生、研究生，以及军官学员来自世界各地，运用他们的专业知识和我就专门问题进行针对性探讨，使我受益匪浅。他们是 D a v i d C o n d r o n，A r t h u r F a h e r t y，B i l l F r o s t，J a m e s H o g a n，D e r-r i c kK i r s c h，E n r i q u eM e l e n d e z，D a n aWa l k e r，B i l l V e i t，R a u l O s i g i a n 等。一些造船厂和机构提供了船舶电力技术最新的数据和报告，对我所需的帮助不遗余力的提供支持。同时，泰勒弗朗西斯（T a y l o r a n dF r a n c i s）/C R C出版社（C R CP r e s s L L C）的高级编辑 J o n a t h a nP l a n t 耐心地鼓励我在许多困扰中完成这本书。我还要感谢 A n t h o n yJ.I n d e l i c a t o 少尉、美国海军后备队（R e t.），以及韦伯海军基本结构学会（We b bI n s t i t u t eo f N a v a l A r c h i t e c t u r e）的 J o h nH e n-n i n g s 教授，他们全面审阅了此书并提出了非常有价值的意见。还要感谢我的妻子 S a r l a 和我的孙子 R a y n a 和 D h r u v，他们非常理解地把本该和他们在一起度过的时间留给我安心写作。在此衷心感谢各方给我的大力支持和鼓励。M u k u n dR.P a t e l亚德利，美国宾夕法尼亚州前言本书作者在电气领域有着3 0年的工作经验，曾任职于通用电气、洛克希德-马丁公司和威斯汀豪斯电气公司，并且已在位于纽约金斯角城的美国海运学院有着1 5年的教学经历。作者籍此为基础编著本书，首次全面涵盖了电力系统各个方面的内容，包括设计、分析和运行，其中的一些具体细节从未在其他单册教材中涉及。书中着重介绍了船舶电力系统相关内容，适合于海洋电气工程专业的本科生和研究生学习。而作为一本参考书，本书同样适合以下人员和机构：从事商业船舶和军用船舶建造的专业工程师、船舶使用者、港口运行人员、船级社、机械设备建造商、研究机构以及大学等。本书共有 1 3章，所涉及的内容适用于船舶、港口、海洋平台，以及制造厂、化工厂、冶炼厂等其他工业厂房的电力系统。书中回顾了有关电气设备、电缆、故障电流分析、系统继电保护、蓄电池以及经济运行的基础理论知识。可见，本书所提供的基础理论知识适用于电力领域的任何情况，包括陆上电力系统和船舶电力系统。所以，比起那些海洋工程学科所要求的传统电机课程教材，本书包含的内容更加全面和完整。因此，作者建议将本书用作电力系统教材。书中每个章节的正文、习题和问题部分均有大量的事例，学生可对这些例子进行小组讨论以加强对基本概念的理解。本书首先对交流电路的相关知识择重点进行简要的回顾，在此基础上进行深入讨论。本书的特点有：本书是唯一一本涵盖了电气工程师所有需求的书；详细地描述了在各类实际电力系统中所用的电池，这在传统的电力系统书籍中是找不到的；书中复杂的电力概念用简明的机械学和水力学进行类比以清楚地进行解释，即使水利工程师也能轻易读懂；水利工程标准在书中也简明地给予了介绍，以拓宽学生的视野；本书在公式中采用可视化的长后缀以使这些公式能被方便地使用，不像有些书中采用字母符号般难记。由于书中所用到的数据来自不同的参考标准 国际标准和英国标准，所以本书在前面列出了详尽的单位换算公式，并附有常用的电力工业术语表。希望本书可以补充电力领域相关知识的欠缺，并作为经典参考书籍为从事商业和军事船舶电力系统研究的学生和教授所使用。M u k u n dR.P a t e lK i n g s P o i n t，N e wY o r k缩略语A C 交流A h 电池的安培小时（简称：安时）C B 断路器D o D 电池的放电深度D C 直流E M F 电动势h p 马力k比例系数L V 低压M V 中压H V 高压P F 功率因数P M永磁铁R P M 每分钟转速（r/m i n）S o C 蓄电池充电状态V R 电压调节k v a r 无功千伏安 平方根K V L 基尔霍夫电压定律R M S 方均根T h 戴维南（电压源或阻抗）O C 开路（负荷终端开路）S C 短路（负荷终端短路）S S 稳态（交流或直流）S y n 同步的A 正弦相量的幅度 A 相量的相角约定：下列记法在本书变量中通用：小写字母代表时变的变量（电流、电压、功率等）。大写字母代表电流、电压、功率等的固定值（直流或交流的方均根）。带有波浪帽子表示的字母（如 V或 I）表示带有幅度（方均根值）和参照正弦波下（通常为电压）相角差 的正弦变化的交流相量。目录译者序致谢前言缩略语第 1章交流电基础11.1 电流、电压、功率和能量11.2 交流电流21.3 交流相量41.4 相量代数的回顾71.5 单相交流电源电路91.6 交流功率的复数形式1 61.7 无功功率1 91.8 三相交流系统2 0第 2章船舶电力系统构架2 82.1 船舶驱动装置的种类2 82.2 电气设计任务2 82.3 电力负荷分析2 92.4 电力系统的配置3 22.5 冷烫/岸电电源4 02.6 效率和可靠性4 02.7 船舶电路设计4 12.8 船舶模拟器4 12.9 系统采用的单位制4 2第 3章电力设备的共同特性4 53.1 法拉第定律和电压方程4 53.2 机械力和力矩4 63.3 牛顿第三定律的电气等效方程4 83.4 电机的功率损耗4 83.5 最大效率工作点4 93.6 戴维南等效模型5 03.7 电压降及其控制5 23.8 电源之间的负荷分配5 43.9 设备的额定功率5 73.1 0 温度对电阻的影响5 9第 4章交流发电机6 34.1 输出特性6 44.2 电路模型6 54.3 输出功率6 54.4 瞬态稳定极限7 14.5 瞬态稳定的等面积判据7 34.6 转速和频率的调节7 74.7 同步发电机的负荷分配7 84.8 发电机的同步运行7 94.9 励磁方法8 24.1 0 短路比8 34.1 1 自动电压调节器8 3第 5章交直流电动机8 75.1 感应电动机8 85.2 同步电动机9 85.3 电动机的功率和线电流1 0 15.4 两用电动机1 0 35.5 电压不平衡的影响1 0 45.6 直流电动机1 0 75.7 交直流通用（串励）电动机1 0 85.8 船舶电力推进特种电动机1 0 95.9 转矩和转速的比较1 0 9第 6章变压器1 1 36.1 变压器的分类1 1 46.2 电力变压器的类型1 1 56.3 额定容量的选择1 1 76.4 变压器冷却的分类1 1 86.5 三相变压器的连接1 1 96.6 开路联结和闭合联结1 2 06.7 励磁冲击电流1 2 16.8 单线图模型1 2 36.9 三绕组变压器1 2 46.1 0 百分比和标幺值1 2 56.1 1 不同电压下的等效阻抗1 2 86.1 2 变压器的等效连续电路