船舶軸帶發電—電動系統的原理及控制

孟永奇 李保來 蘭建軍

（1. 海軍駐太原地區軍代表室，太原 030027；2. 山西汾西重工有限責任公司北京研發中心， 北京 100097）

1 引言

通常船舶的動力系統和電力系統是兩個獨立的系統。動力系統是由船用主機、主軸、變速箱及推進螺旋槳等主要部件組成；電力系統通常是由數臺柴油發電機組組成船舶電站，為全船的電氣負載供電。這種船舶動力、電力系統的獨立配置存在著以下問題：

其一，船用主機的額定功率是根據船舶的最大載重量和最大船速配置的，通常功率很大，車載重量較小、經濟巡航、低速航行等工況下，往往船用主機的實際功率較小，長期處于輕載運行，這一方面造成大部分時間主機設備容量不能充分發揮利用，另一方面主機在輕載下運行的效率很低，造成能源浪費，另外柴油機長期在輕載下運行容易形成積碳，對柴油機的運行也會帶來不利影響。

其二，由于動力和電力系統是兩個獨立的系統，一旦某一系統發生故障，不能相互支持作為備用能源，對全船的可靠性提高帶來不利影響。一般船舶電站通常由數臺柴油發電機組組成，具有冗余設計，一旦某臺電站組發生故障，可以啟動備用機組運行，不會對全船供電造成重大影響，但動力系統的主機往往只有一臺或兩臺，一旦發生故障，輕者會使船舶動力配置失衡，重者會使船舶失去動力，對船舶的安全性造成嚴重影響。

其三，由于動力和電力系統相互獨立，不能相互進行“動力借用”，使得整個船舶動力總容量配置較大，且在各種運行工況下，動力調配模式很少，不能實現靈活的動力調配，達到最節能優化的經濟航行。

為了解決以上問題，船舶設計專家們提出了軸帶發電機的設想，并對工程中得到了成功應用，即在主軸變速箱上設置一個副軸作為動力輸出，帶動了一臺發電機，在主機輕載運行時投入該軸帶發電機為船舶提供部分電力，這樣就可以少投入一些柴油發電機組甚至切除所有電站等柴油機組，由軸帶發電機向全船供電。從而大大節省了燃料消耗突現了節能運行，同時也解決了主機長期輕載運行的積碳等問題。因此這一解決方案可以很好地解決了上述第一個問題。但對第二個和第三個問題卻仍不能得到很好地解決，為解決第二個問題，國外造船界提出了“帶我回家”（take me home）的概念，即在主機發生故障時，不致使全船失去動力，依靠船上的電站機組提供動力，通過軸帶發電機可逆電動運行，把船舶“開回家”，這一概念的提出受到了船東的極大歡迎，許多國外船只均采用了這一先進技術，大大提高了船舶的安全性和可靠性。這種技術的關鍵，是如何實現軸帶發電機的可逆運行問題，解決了軸帶發電機的可逆運行，不僅可以實現“帶我回家”的夢想，第三個問題——靈活調配船舶動力，實現優化節能航行迎刃而解。

目前船舶軸帶發電——電動系統的需求量逐年上升。特別是遠洋船舶、特種作業船舶及遠海捕撈船，為了船舶的航行安全和便于作業，迫切需要配置該系統。但這種技術僅掌握在國外少數一些大公司手中，我國是造船大國，需要配置該系統時，主要依賴進口，對我國的船舶建造構成很大的限制。本文在詳細分析了船舶軸帶發電——電動系統的技術特點、技術難點及對各種設備的技術要求的基礎上，針對船舶的實際需要提出了一套完整的解決方案，并對該方案的系統組成、工作原理及起動、運行控制策略等進行了詳細論述。

2 軸帶發電——電動系統技術要求及特點

2.1 發電工況技術要求和特點

船舶軸帶發電——電動系統在發電工況時，原動機為船用主機，通過變速齒箱上的副軸驅動可逆行的電機作為發電運行，因此發電機的轉速受船舶主軸轉速的制約。一般來講，船舶推進系統的螺旋槳分定矩槳和變矩槳兩種，所謂定矩槳是指螺旋槳的槳矩角是固定的，船舶的推力依靠調節主軸的轉速來調節，因此這種推進系統的主軸轉速是變化的，從而使得發電機的輸入轉速也是變化的。所謂變矩槳是指螺旋槳的槳矩角是可調的，船舶的推力依靠調節螺旋槳的槳矩角調節，而主軸的轉速是恒定的。上述兩種推進系統所配的軸帶發電機技術要求有很大的不同，對定矩槳系統，由于軸帶發電機的輸入轉速是變化的，必須通過一定的技術手段來保證發電機在變速驅動的情況下，輸出恒頻恒壓，即實現變速恒頻恒壓運行，才能保證軸帶發電機系統與船舶電站的并聯運行或獨立穩定供電，這是這種推進系統下軸帶發電機系統最大的技術特點和技術難點，通常這種推進系統下所配的軸帶發電機不能是通常的同步發電機，應該是一些特殊的電機，如同步電機（永磁或電勵磁）或異步電機加全功率變流器組成的系統，亦或雙饋電機加專門的交流勵磁系統。對于變矩槳推進系統，由于軸帶電機的轉速是恒定的，可以用常規的同步發電機作為軸帶電機即可實現恒頻恒壓輸出，系統簡單，造價低廉。

2.2 電動工況技術需求和特點

當軸帶發電——電動系統作為電動工況運行時，電源來自船舶電站，負載是整個推進系統的軸系和螺旋槳。其特點是電源容量較小，機械負載的轉動慣量很大，對定槳矩螺旋槳推進系統而言，要求軸帶電機作電動運行時轉速保持恒定或基本恒定，通過調節螺旋槳的槳矩角來調節船舶推力，軸帶電機的機械負載；屬于恒速變轉矩負載，可采用一般的同步電機或異步電機即可滿足其要求。而對變槳矩螺旋槳推進系統，則要求軸帶電機作電動運行時必須能夠調速，通過調節電機轉速來改變船舶推進主軸的轉速，進而改變螺旋槳的推力和扭矩。電機的機械負載屬于變速轉矩負載。此時軸帶電機除選用常規的同步電機或異步電機外，還要考慮調速裝置方能實現此功能。

2.3 軸帶發電——電動系統需考慮的技術問題

根據船舶軸帶發電——電動系統的技術要求及特點，在設計該系統解決方案時應重點解決好以下技術問題。

(1)發電運行時與船舶電站的并聯運行及獨立供電問題

通常軸帶發電機可享用永磁同步電機、普通電勵磁同步電機、無刷電勵磁同步電機、雙饋異步電機或鼠籠異步電機等。若采用普通電勵磁同步電機或無刷同步電機，且推進系統變為槳矩螺旋槳時，由于驅動轉速恒定，則在發電工況下主軸驅動與其它原動機驅動無異，發電機并聯運行和獨立運行均不存在任何問題，無需特殊設計即可滿足要求。但對定矩槳推進系統，由于驅動轉速變化，使得發電機的頻率和電壓均會隨著轉速的變化而變化，以至于無法直接與船舶電站并聯運行和獨立供電，必須通過變頻器來實現變速恒頻恒壓控制，才能實現并聯運行和正常的獨立供電。此時電機也需進行專門設計，以滿足變速運行要求。若采用永磁同步電機，由于其端電壓隨負載、轉速的變化而變化，則無論是定矩槳還是變矩槳，均需配置全功率變頻器才能實現良好的并聯運行特性和獨立供電特性，若采用雙饋機，則轉子上必須配備轉差功率變頻器方可滿足并聯運行要求，但仍不能實現（或很難實現）獨立供電要求，因此對于需要軸帶電機獨立供電的系統，不宜采用鼠籠異步電機。

(2)電動運行時的起動問題

通常同步電機具有較好的發電性能，但在電動運行時無法自起動是其最大的技術缺陷，雙饋電機雖具有良好的發電性能和電動性能，但由于其結構上存在滑環碳刷系統，在可靠性和維修性方面存在較大隱患，鼠籠異步電機在電動性能和起動性能方面較為優越，但發電性能較差。因此解決同步電機的起動問題成為軸帶電機系統的最關鍵問題，對永磁同步電機而言，由于必須配置全功率變頻器，采用變頻器來起動永磁電機是非常方便的。對普通的電勵磁同步電機也可采用變頻器來起動，但由于仍存在滑環碳刷裝置，一般不常采用。對無刷同步電機而言，由于主機的勵磁來自勵磁機經旋轉整流器供給，在電機未起動前，勵磁機不發電主機就沒有勵磁電流而無法建立磁場，因此即使采用變頻器也無法起動，必須采取其它的措施才能解決其起動問題。

(3)軸帶系統的運行控制問題

為了保證系統的正常運行，需配置專門的控制系統，來實現各種運行工況的切換、系統起停、各種工況下的有功、無功負載調節及均載等功能。

由于船舶軸帶發電——電動系統存在以上技術特點和技術難點，使得目前國內尚無成熟的技術和設備，系統主要依賴進口。現就一種可行的解決方案論述如下。

3 系統組成及工作原理

3.1 系統組成

系統組成如圖1所示。該船采用變矩槳雙機雙槳推進系統，即船上有兩臺主機，雙主軸雙螺旋槳，每個主軸上通過變速箱輸出一個動力副軸，經液壓離合器與軸帶電機相聯，由于螺旋槳為變矩槳，主軸轉速和軸帶電機轉速恒定，因此軸帶電機采用無刷同步電機，為了解決無刷同步電機在電動工況下的起動問題，同軸上各加裝了一臺輔助起動馬達，起動馬達由專門的變頻器供電用于起動?？刂葡到y根據不同的運行工況，控制軸帶電機、起動變頻器、液壓離合器等部件的起停、功能切換，有功無功負載調節及均載等。船舶電站由數臺柴油發電機組組成。

圖1

3.2 各種運行工況下的工作原理

該系統可實現以下四種工況運行

① 工況Ⅰ：軸帶電動工況（PTO工況）

當船舶處于經濟巡航狀態時，兩臺主機處于輕載運行狀態，利用主機的富余容量，使其在帶動螺旋槳的同時，帶動軸帶電機處于發電狀態，并根據船上的用電需求實現與船舶電站的并聯運行成獨立運行。

②工況Ⅱ：軸帶電動工況（ PTI工況）

當主機發生故障時，為使船舶不失動力，可用船舶電站作為電源為軸帶電機供電，軸帶電機處于領先地位電動狀態帶動螺旋槳使船舶低速航行，實現“帶我回家”(Take me home)的目的，確保船舶安全。

③工況Ⅲ：并機推進工況

當船舶需要高速航行時，可采用軸帶電機和主機并機推進的方式，以增大推進功率，實現高速航行。

④工況Ⅳ：單機雙槳推進工況

當一臺主機發生故障時，若只開動一臺主機帶動一套主軸推進系統，會使船舶動力失衡，必須靠舵來強行保持船舶的穩定運行。此時可采用單機雙槳的運行工況，即開動一臺主機，另一主機停止工作，使工作主機在推進螺旋槳的同時，帶動其軸帶電機處于電動狀態，這樣就能實現單主機運行，雙槳推進的目的，仍能保證船舶動力的平衡。

4 系統的起動及控制

4.1 系統的起動

軸帶電機處于發電狀態時，電機被原動機拖動，不存在系統的啟動問題，只需考慮軸帶電機與船舶電站的并聯運行即可，由于軸帶電機為同步電機且輸入轉速恒定，因此它與其它發電機組的并聯運行操作無異。

同樣由于軸帶電機為同步電機，當其作電動狀態運行時，不能自起動，因此必須采取相應的技術措施來解決系統的起動問題。通常同步電機有三種起動方法：即異步起動法、變頻起動法和輔助電動機起動法。前兩種起動方法不僅需要配備價格昂貴的起動裝置，成本較高，更為嚴重的是對無刷同步發電機而言，由于主勵磁繞組不能引出，前兩種起動方法對電機可能造成嚴重損傷，甚至不能起動，必須對電機進行特殊設計，在技術上難度很大，為此該系統采用輔助電動機法進行起動，但這種方法仍存在著起動轉矩較小等問題，為提高起動轉矩，起動電動機選用較大極數的異步電動機。另外由于主軸推進系統轉動慣量很大且摩擦轉矩很大，直接用起動電機來起動整個軸系需要起動容量很大，造成設備成本很大，為減少起動電機容量，本系統采用分步起動方式，即首先脫開主軸系統只用變頻器和起動電機來起動軸帶電機，待軸帶電機空載起動并網完成后，再用液壓離合器以柔性節拍將主軸系統投入聯接。由于同步電機存在靜態穩定問題，為保證同步電機在起動主軸時不失步在主軸系統投入過程中，必須科學控制液壓離合器的投入節拍和轉矩以控制軸帶電機轉矩不超過電機的最大轉矩。對主軸推進系統而言，起動過程中的轉矩為：式中：Tst：起動轉矩（電機的轉矩）；J：主軸轉動慣量；T0：主軸系統摩擦轉矩；ω：主軸角速度。

由①式得

式中：n——主軸轉速。

以上兩式表明，在主軸系統起動過程中，主軸轉速的增大，與軸系轉動慣量成反比，與電機轉矩減去摩擦轉矩之差在時間上的積分成正比，在軸系轉動慣量一定時，主軸轉速的增量與圖 2陰影部分的面積成正比。由圖2可見，在起動過程中必須限定電機轉矩不超過某一安全轉矩，在此基礎上盡量縮短起動時間，為此在液壓離合器的控制方面應該盡量縮短時間，即在較短時間內使電機轉矩達到設定值，并維持此設定值不變直至將主軸起動到額定轉速。

圖2

4.2 各種工況下的控制策略

① 對工況Ⅰ，發電機制勵磁控制與常規發電機組控制基本相同，即主要以使發電機恒壓及并聯運行時無功功率分配合理為控制目標。

② 對工況Ⅱ，為保證軸帶電機的穩定運行和盡量降低電樞電流軸帶電機的勵磁控制應在較低轉矩時按功率因數為1控制目標；高轉矩時按某一特定函數使無功電流隨轉矩的增大而增大，同時還要限定電樞電流，確保電機不過流。

③ 對工況Ⅲ，主要考慮在軸帶電機與主機并機推進時，科學合理地分配二者的轉矩。由于系統中軸帶電機采用了勵磁控制，沒有實施電樞控制，因此該工況的控制主要由主機調速系統實現。

④ 對工況Ⅳ，由于軸帶電機一臺處于發電狀態，一臺處于電動狀態，因此對系統的控制主要圍繞兩臺電機的有功和無功功率與分配和兩套主軸推進系統的推力均衡為目標，此時兩臺軸帶電機的勵磁應為一臺主動一臺從動，保證兩臺電機穩定運行。

5 結束語

上述軸帶發電—電動系統已經成功應用于粵海火車輪渡項目中，經過陸上系統聯調，系泊試驗和航行試驗，各工況下設備運行良好，達到了預期效果。該系統具有系統簡單、功能強大、控制靈活、操作簡單等特點，該系統的研發成功填補了國內大型船舶軸帶發電—電動系統的空白，也為其它類型（如定槳矩推進系統）的軸帶發電—電動系統的研發奠定了技術基礎，該系統所形成的技術可推廣到其它特種船舶和運洋船舶中，應用前景廣闊。

[1]許實章. 電機學. 北京: 機械工業出版社, 1990.

[2]陳伯時. 電力拖動自動控制系統. 北京: 機械工業出版社, 2003.

[3]范欽珊, 劉燕, 王琪. 理論力學. 北京: 清華大學出版社, 2004.

[4]彭鴻才. 電機原理及拖動. 北京: 機械工業出版社,1996.

[5]謝傳鋒. 動力學. 北京：高等教育出版社，1999.