孟永奇 李保來 蘭建軍

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

1 引言

通常船舶的動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是兩個獨立的系統(tǒng)。動力系統(tǒng)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(tǒng)通常是由數(shù)臺柴油發(fā)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(tǒng)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(jù)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(jīng)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(fā)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(tǒng)是兩個獨立的系統(tǒng)，一旦某一系統(tǒng)發(fā)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(shù)臺柴油發(fā)電機組組成，具有冗余設計，一旦某臺電站組發(fā)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(tǒng)的主機往往只有一臺或兩臺，一旦發(fā)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(tǒng)相互獨立，不能相互進行“動力借用”，使得整個船舶動力總?cè)萘颗渲幂^大，且在各種運行工況下，動力調(diào)配模式很少，不能實現(xiàn)靈活的動力調(diào)配，達到最節(jié)能優(yōu)化的經(jīng)濟航行。

為了解決以上問題，船舶設計專家們提出了軸帶發(fā)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(fā)電機，在主機輕載運行時投入該軸帶發(fā)電機為船舶提供部分電力，這樣就可以少投入一些柴油發(fā)電機組甚至切除所有電站等柴油機組，由軸帶發(fā)電機向全船供電。從而大大節(jié)省了燃料消耗突現(xiàn)了節(jié)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(fā)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(fā)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(shù)，大大提高了船舶的安全性和可靠性。這種技術(shù)的關鍵，是如何實現(xiàn)軸帶發(fā)電機的可逆運行問題，解決了軸帶發(fā)電機的可逆運行，不僅可以實現(xiàn)“帶我回家”的夢想，第三個問題——靈活調(diào)配船舶動力，實現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能航行迎刃而解。

目前船舶軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)的需求量逐年上升。特別是遠洋船舶、特種作業(yè)船舶及遠海捕撈船，為了船舶的航行安全和便于作業(yè)，迫切需要配置該系統(tǒng)。但這種技術(shù)僅掌握在國外少數(shù)一些大公司手中，我國是造船大國，需要配置該系統(tǒng)時，主要依賴進口，對我國的船舶建造構(gòu)成很大的限制。本文在詳細分析了船舶軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)的技術(shù)特點、技術(shù)難點及對各種設備的技術(shù)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(tǒng)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(fā)電——電動系統(tǒng)技術(shù)要求及特點

2.1 發(fā)電工況技術(shù)要求和特點

船舶軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)在發(fā)電工況時，原動機為船用主機，通過變速齒箱上的副軸驅(qū)動可逆行的電機作為發(fā)電運行，因此發(fā)電機的轉(zhuǎn)速受船舶主軸轉(zhuǎn)速的制約。一般來講，船舶推進系統(tǒng)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(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，因此這種推進系統(tǒng)的主軸轉(zhuǎn)速是變化的，從而使得發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)速也是變化的。所謂變矩槳是指螺旋槳的槳矩角是可調(diào)的，船舶的推力依靠調(diào)節(jié)螺旋槳的槳矩角調(diào)節(jié)，而主軸的轉(zhuǎn)速是恒定的。上述兩種推進系統(tǒng)所配的軸帶發(fā)電機技術(shù)要求有很大的不同，對定矩槳系統(tǒng)，由于軸帶發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)速是變化的，必須通過一定的技術(shù)手段來保證發(fā)電機在變速驅(qū)動的情況下，輸出恒頻恒壓，即實現(xiàn)變速恒頻恒壓運行，才能保證軸帶發(fā)電機系統(tǒng)與船舶電站的并聯(lián)運行或獨立穩(wěn)定供電，這是這種推進系統(tǒng)下軸帶發(fā)電機系統(tǒng)最大的技術(shù)特點和技術(shù)難點，通常這種推進系統(tǒng)下所配的軸帶發(fā)電機不能是通常的同步發(fā)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(tǒng)，亦或雙饋電機加專門的交流勵磁系統(tǒng)。對于變矩槳推進系統(tǒng)，由于軸帶電機的轉(zhuǎn)速是恒定的，可以用常規(guī)的同步發(fā)電機作為軸帶電機即可實現(xiàn)恒頻恒壓輸出，系統(tǒng)簡單，造價低廉。

2.2 電動工況技術(shù)需求和特點

當軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)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(tǒng)的軸系和螺旋槳。其特點是電源容量較小，機械負載的轉(zhuǎn)動慣量很大，對定槳矩螺旋槳推進系統(tǒng)而言，要求軸帶電機作電動運行時轉(zhuǎn)速保持恒定或基本恒定，通過調(diào)節(jié)螺旋槳的槳矩角來調(diào)節(jié)船舶推力，軸帶電機的機械負載；屬于恒速變轉(zhuǎn)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(tǒng)，則要求軸帶電機作電動運行時必須能夠調(diào)速，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來改變船舶推進主軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩負載。此時軸帶電機除選用常規(guī)的同步電機或異步電機外，還要考慮調(diào)速裝置方能實現(xiàn)此功能。

2.3 軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)需考慮的技術(shù)問題

根據(jù)船舶軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)的技術(shù)要求及特點，在設計該系統(tǒng)解決方案時應重點解決好以下技術(shù)問題。

(1)發(fā)電運行時與船舶電站的并聯(lián)運行及獨立供電問題

通常軸帶發(fā)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(tǒng)變?yōu)闃芈菪龢獣r，由于驅(qū)動轉(zhuǎn)速恒定，則在發(fā)電工況下主軸驅(qū)動與其它原動機驅(qū)動無異，發(fā)電機并聯(lián)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(tǒng)，由于驅(qū)動轉(zhuǎn)速變化，使得發(fā)電機的頻率和電壓均會隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，以至于無法直接與船舶電站并聯(lián)運行和獨立供電，必須通過變頻器來實現(xiàn)變速恒頻恒壓控制，才能實現(xiàn)并聯(lián)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(zhuǎn)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(xiàn)良好的并聯(lián)運行特性和獨立供電特性，若采用雙饋機，則轉(zhuǎn)子上必須配備轉(zhuǎn)差功率變頻器方可滿足并聯(lián)運行要求，但仍不能實現(xiàn)（或很難實現(xiàn)）獨立供電要求，因此對于需要軸帶電機獨立供電的系統(tǒng)，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(fā)電性能，但在電動運行時無法自起動是其最大的技術(shù)缺陷，雙饋電機雖具有良好的發(fā)電性能和電動性能，但由于其結(jié)構(gòu)上存在滑環(huán)碳刷系統(tǒng)，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(yōu)越，但發(fā)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(tǒng)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(huán)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(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供給，在電機未起動前，勵磁機不發(fā)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(tǒng)的運行控制問題

為了保證系統(tǒng)的正常運行，需配置專門的控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)各種運行工況的切換、系統(tǒng)起停、各種工況下的有功、無功負載調(diào)節(jié)及均載等功能。

由于船舶軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)存在以上技術(shù)特點和技術(shù)難點，使得目前國內(nèi)尚無成熟的技術(shù)和設備，系統(tǒng)主要依賴進口?，F(xiàn)就一種可行的解決方案論述如下。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示。該船采用變矩槳雙機雙槳推進系統(tǒng)，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(jīng)液壓離合器與軸帶電機相聯(lián)，由于螺旋槳為變矩槳，主軸轉(zhuǎn)速和軸帶電機轉(zhuǎn)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(tǒng)根據(jù)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(diào)節(jié)及均載等。船舶電站由數(shù)臺柴油發(fā)電機組組成。

圖1

3.2 各種運行工況下的工作原理

該系統(tǒng)可實現(xiàn)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(jīng)濟巡航狀態(tài)時，兩臺主機處于輕載運行狀態(tài)，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(fā)電狀態(tài)，并根據(jù)船上的用電需求實現(xiàn)與船舶電站的并聯(lián)運行成獨立運行。

②工況Ⅱ：軸帶電動工況（ PTI工況）

當主機發(fā)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(tài)帶動螺旋槳使船舶低速航行，實現(xiàn)“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(xiàn)高速航行。

④工況Ⅳ：單機雙槳推進工況

當一臺主機發(fā)生故障時，若只開動一臺主機帶動一套主軸推進系統(tǒng)，會使船舶動力失衡，必須靠舵來強行保持船舶的穩(wěn)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(tài)，這樣就能實現(xiàn)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(tǒng)的起動及控制

4.1 系統(tǒng)的起動

軸帶電機處于發(fā)電狀態(tài)時，電機被原動機拖動，不存在系統(tǒng)的啟動問題，只需考慮軸帶電機與船舶電站的并聯(lián)運行即可，由于軸帶電機為同步電機且輸入轉(zhuǎn)速恒定，因此它與其它發(fā)電機組的并聯(lián)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(tài)運行時，不能自起動，因此必須采取相應的技術(shù)措施來解決系統(tǒng)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(fā)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(shù)上難度很大，為此該系統(tǒng)采用輔助電動機法進行起動，但這種方法仍存在著起動轉(zhuǎn)矩較小等問題，為提高起動轉(zhuǎn)矩，起動電動機選用較大極數(shù)的異步電動機。另外由于主軸推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量很大且摩擦轉(zhuǎn)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(tǒng)采用分步起動方式，即首先脫開主軸系統(tǒng)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(wǎng)完成后，再用液壓離合器以柔性節(jié)拍將主軸系統(tǒng)投入聯(lián)接。由于同步電機存在靜態(tài)穩(wěn)定問題，為保證同步電機在起動主軸時不失步在主軸系統(tǒng)投入過程中，必須科學控制液壓離合器的投入節(jié)拍和轉(zhuǎn)矩以控制軸帶電機轉(zhuǎn)矩不超過電機的最大轉(zhuǎn)矩。對主軸推進系統(tǒng)而言，起動過程中的轉(zhuǎn)矩為：式中：Tst：起動轉(zhuǎn)矩（電機的轉(zhuǎn)矩）；J：主軸轉(zhuǎn)動慣量；T0：主軸系統(tǒng)摩擦轉(zhuǎn)矩；ω：主軸角速度。

由①式得

式中：n——主軸轉(zhuǎn)速。

以上兩式表明，在主軸系統(tǒng)起動過程中，主軸轉(zhuǎn)速的增大，與軸系轉(zhuǎn)動慣量成反比，與電機轉(zhuǎn)矩減去摩擦轉(zhuǎn)矩之差在時間上的積分成正比，在軸系轉(zhuǎn)動慣量一定時，主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩不超過某一安全轉(zhuǎn)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(nèi)使電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。

圖2

4.2 各種工況下的控制策略

① 對工況Ⅰ，發(fā)電機制勵磁控制與常規(guī)發(fā)電機組控制基本相同，即主要以使發(fā)電機恒壓及并聯(lián)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(wěn)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(zhuǎn)矩時按功率因數(shù)為1控制目標；高轉(zhuǎn)矩時按某一特定函數(shù)使無功電流隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。由于系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)。

④ 對工況Ⅳ，由于軸帶電機一臺處于發(fā)電狀態(tài)，一臺處于電動狀態(tài)，因此對系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

上述軸帶發(fā)電—電動系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于粵海火車輪渡項目中，經(jīng)過陸上系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，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(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、功能強大、控制靈活、操作簡單等特點，該系統(tǒng)的研發(fā)成功填補了國內(nèi)大型船舶軸帶發(fā)電—電動系統(tǒng)的空白，也為其它類型（如定槳矩推進系統(tǒng)）的軸帶發(fā)電—電動系統(tǒng)的研發(fā)奠定了技術(shù)基礎，該系統(tǒng)所形成的技術(shù)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(yè)出版社, 1990.

[2]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)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(yè)出版社,1996.

[5]謝傳鋒. 動力學. 北京：高等教育出版社，1999.