可作電動機使用的船舶軸帶發電機及其運行狀態切換方法

樊雙英，岳躍進

（1. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097；2. 中船重工電機股份有限公司，山西 太原 030027）

可作電動機使用的船舶軸帶發電機及其運行狀態切換方法

樊雙英1，岳躍進2

（1. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097；2. 中船重工電機股份有限公司，山西 太原 030027）

一種可作電動機使用的船舶軸帶發電機及其運行狀態切換方法，解決了現有的作為軸帶發電機實現發電與電動兩種功能切換的技術難題。通過研究實現了當船舶主機出現緊急停機故障時，將軸帶發電機用作電動機，并用它驅動螺旋槳轉動，使船舶安全返回港口。

軸帶發電機；發電與電動切換；電機起動

0 引言

經濟全球化的發展使得海運已經成為最重要的運輸方式之一。在船舶航運費用中，燃料費用占50%～60%，國際石油危機的爆發及航運的發展又令國際航運造船界對于節能措施的要求越來越強烈。船舶主機采用重油作為燃料，價格便宜；燃油發電機使用輕質燃油，價格高。而船舶軸帶發電機系統是由船舶主機驅動發電機供電的裝置，可充分利用主機10%～15%的功率儲備裕量，使主機運行在高效率、低能耗的狀態，節省了輕質燃油。對于貨船，一般來說其電站功率為主機額定功率的5%左右，軸帶發電機完全能滿足船舶正常運行的電力需要。自20世紀70年代初軸帶發電機系統開始裝船，至今已有30多年的發展歷史，軸帶發電機系統被廣泛應用于大、中型集裝箱船上[1-2]。

隨造船技術的不斷發展，對船舶運行安全性的要求越來越高，當船舶主機出現故障停機等緊急情況時，可由發電機組向軸帶發電機供電(將軸帶發電機作為電動機)，帶動螺旋槳轉動，保證船舶可緊急航行回到港口。通常把軸帶發電機的這種運行模式稱為“POWETTAKE-IN”模式[3]。由于現在大部分船舶使用的都是無刷同步發電機，要以電動機方式運行時無法直接起動。要使軸帶發電機實現這種功能，就必須解決軸帶發電機在作為電動機運行時的起動問題，并實現該機的發電和電動的兩種可逆運行狀態的切換。

1 基本結構

同步電機實現電動運行，如將靜止的同步電動機通入勵磁電流后直接投入電網，則定子旋轉磁場以同步轉速相對于轉子磁場運動，轉子上承受的是交變的脈振轉矩，平均值為零。因此，同步電動機不能自起動，而必須借助其他方法，至今，起動同步電動機最普遍使用的方法是采用阻尼繞組[4]。

本文提供了一種可作電動機使用的船舶軸帶發電機，并能實現電動與發電運行狀態切換。

船舶軸帶發電機的基本結構原理如下：圖1所示，包括電機機座2和電機驅動軸1，在電機機座2上分別設置有電機接線盒7和可同時提供三相交流勵磁電流和直流勵磁電流的勵磁電源6，在電機機座2內分別設置有交流電機定子三相繞組3和勵磁機定子三相繞組9，在電機驅動軸1上從左向右依次設置有交流電機轉子集中繞組4、旋轉整流器5和勵磁機轉子三相繞組8，交流電機定子三相繞組3的三相繞組的三相引接線與電機接線盒7中的三相接線端子U、V、W對應連接在一起，交流電機轉子集中繞組4的正端引接線與旋轉整流器5的正接線端子連接在一起，交流電機轉子集中繞組4的負端引接線與旋轉整流器5的負接線端子連接在一起，勵磁機轉子三相繞組8的三相繞組的三相引接線與旋轉整流器5的三相接線端子對應連接在一起，勵磁機定子三相繞組9中的三相繞組的三相引接線與三極直流開關11的三個輸出端子對應連接，三極直流開關11的三個輸入端子中的任意兩個端子短接后與勵磁電源6的直流正接線端子F1連接在一起，三極直流開關11的未短接輸入端子與勵磁電源6的直流負接線端子F2連接在一起，勵磁機定子三相繞組9中的三相繞組的三相引接線還與三相交流開關10的三個輸出端對應連接，三相交流開關10的三個輸入端與勵磁電源6的三個交流端子UF、VF、WF對應連接。

圖1 結構原理圖

2 工作機理

常規的同步發電機是由主機與勵磁機組成[5]，其設計原理圖，如圖2所示，勵磁機為主機轉子提供勵磁。由于原勵磁機定子繞組為集中繞組由直流供電，這樣電機在零轉速的情況下，勵磁機轉子不能切割磁場，因而，勵磁機轉子不會產生電壓，也就沒法提供給主機轉子勵磁。

而要實現電機電動運行又能起動，我們將勵磁機進行新的設計，其設計原理如圖 3所示，勵磁定子繞組更改為三相分布繞組，電機起動時，輸入勵磁機定子三相繞組輸入三相交流電，勵磁機本質上是一個交流異步電機，勵磁機的定子采用交流進行勵磁，這樣即使在零轉速下，仍然可產生旋轉的磁場，這個旋轉的磁場在切割轉子繞組時會在轉子繞組感應出交流電，進而為同步電機提供勵磁，使同步電機有能力實現自起動。

該可作電動機使用的船舶軸帶發電機運行狀態切換方法，如圖4所示。

圖2 常規同步發電機原理圖

圖3 新型軸帶發電機

圖4 發電與電動的切換

作為電動運行時，打開三極直流開關 11，接通勵磁電源6中三個交流端子UF、VF、WF，閉合三相交流開關10，為勵磁機定子提供三相交流電，實現船舶軸帶發電機處于電動運行狀態。

由電動運行轉換為發電運行時，將三相交流開關10斷開，將三極直流開關11閉合時，勵磁電源6中二個直流端子F1、F2接通直流電源，為勵磁機定子繞組9提供直流勵磁電，實現了船舶軸帶發電機處于發電運行狀態。

[1] 李亮, 劉以建, 喻多祥. 船舶軸帶發電機的發展與新方法的研究[M]. 船電技術, 2009, 29(5): 59-63.

[2] 尹志斌, 孫培廷, 黃連中. 船用主機軸帶發電機[J].世界海運, 2002, 25 (3):98-102.

[3] 李飛. 軸帶發電機的 PTI模式紹[J]. 江蘇船舶，2005(2): 25-29.

[4] Stephen J, 劉新正, 蘇少平, 等. 電機學(第五版)[M]. 北京: 電子工業出版社, 2002.

[5] 黃國治, 傅豐禮. 中小旋轉電機設計手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2003.

Ship Shaft Generator used as Electric Motor and its Operating Status Switching Method

FAN Shuang-ying1, YUE Yue-jin2
(1. Beijing CSE ElectricTechnology Co., Ltd., Beijing 100097, China; 2. CSIS Electrical Machinery Science &Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

A ship shaft generator used as electric motor and its operating status switching method can solve the technical problem of shaft generator’s function switching between power generation and electric motion. Based on the research, it is found feasible that the shaft generator can be used as electric motor when failure (emergency stop) occurs to the main engine of the ship. The shaft generator is used to drive the propeller and the ship can thus return to the port safely.

shaft generator; switching method of motor and generator; motor starting

T18

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.008

樊雙英（1974-），女，碩士，研究方向：電機電氣及控制。