劉英杰

（交通運(yùn)輸部北海救助局,煙臺(tái) 264012）

船舶軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)

劉英杰

（交通運(yùn)輸部北海救助局,煙臺(tái) 264012）

雙主機(jī)驅(qū)動(dòng)雙CPP螺旋槳是目前三用工作船的主要推進(jìn)方式，這些船舶主機(jī)一般都經(jīng)齒輪箱同時(shí)驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，作為船舶大負(fù)載的供應(yīng)電源，軸帶發(fā)電機(jī)作為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用的實(shí)例很少。本文主要介紹和分析某艘船舶軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)電動(dòng)機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)單主機(jī)驅(qū)動(dòng)雙槳過程中，電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)異步啟動(dòng)、同步運(yùn)行及失步保護(hù)功能。通過這種設(shè)計(jì)在提高船舶設(shè)備利用率同時(shí)，大大提高了船舶低速航行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

軸帶發(fā)電機(jī) 推進(jìn)電動(dòng)機(jī) 異步 同步

0 引言

船舶推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了船舶業(yè)的飛速發(fā)展，特別是電力推進(jìn)技術(shù)的成熟，使船舶的機(jī)動(dòng)性、可靠性有了顯著提高，而電力推進(jìn)方式則是作業(yè)精度要求高的海洋工程船舶的首選。但相對(duì)于傳統(tǒng)推進(jìn)方式的船舶，電力推進(jìn)船舶的唯一缺點(diǎn)是造價(jià)過高，這使得一些對(duì)作業(yè)精度要求不苛刻的工作船仍然采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式。作為傳統(tǒng)推進(jìn)方式的典型代表就是兩臺(tái)主機(jī)分別通過變速齒輪箱和軸系驅(qū)動(dòng)可變螺距螺旋槳（CPP）。這種船舶在全速航行時(shí)，一般采用雙機(jī)雙槳操作模式。在考慮經(jīng)濟(jì)性需低速航行時(shí)往往采用單機(jī)單槳壓舵的操作模式。雙槳船舶采用單槳航行不僅會(huì)降低操縱性能，也會(huì)影響功效的發(fā)揮。這種船舶的設(shè)備配置還有一個(gè)共性，一般主機(jī)均驅(qū)動(dòng)大容量的軸帶發(fā)電機(jī)，主要用于船舶作業(yè)時(shí)側(cè)推和拖纜機(jī)的電力供應(yīng)。鑒于低速航行時(shí)這些設(shè)備一般不運(yùn)行，為提高船舶在此種狀態(tài)下的操縱性和經(jīng)濟(jì)性，我們?cè)谝凰掖暗脑O(shè)計(jì)時(shí)提出將軸帶發(fā)電機(jī)的工作模式由單純的發(fā)電模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電和電動(dòng)兩種模式，并通過推進(jìn)齒輪箱結(jié)構(gòu)的變換，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)主機(jī)驅(qū)動(dòng)雙槳的目的。這其中通過三個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)功能的要求：1）電機(jī)異步啟動(dòng)；2）牽入同步運(yùn)行；3）失步保護(hù)。

1 推進(jìn)系統(tǒng)基本情況

該船舶推進(jìn)系統(tǒng)基本配置為：主機(jī)2臺(tái)；推進(jìn)齒輪箱2臺(tái)；CPP2臺(tái)；軸帶發(fā)電機(jī)（可作為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行）2臺(tái)。推進(jìn)系統(tǒng)齒輪箱為垂直偏心雙速比輸出型式，內(nèi)部設(shè)置了3套液壓驅(qū)動(dòng)的多摩擦片式離合器，分別為主離合器、PTO（發(fā)電模式）離合器和PTI（電動(dòng)模式）離合器。

圖1 主齒輪箱離合器布置原理圖

從齒輪箱內(nèi)離合器布置原理圖可知（見圖1），主離合器設(shè)置在齒輪箱的輸入軸上，另外兩套離合器均設(shè)置在軸帶發(fā)電機(jī)的輸入軸上，通過對(duì)齒輪箱內(nèi)三套離合器的狀態(tài)變換，實(shí)現(xiàn)多種螺旋槳運(yùn)行模式以適應(yīng)不同的工況需要。

三套離合器均采用軟接排方式，以保證接排動(dòng)作平穩(wěn)。主離合器通常在主機(jī)怠速時(shí)進(jìn)行接排，PTO和PTI離合器具有在額定轉(zhuǎn)速下接排的能力，實(shí)際操作中，盡可能采用低速接排方式。軟接排是通過控制液壓作用于活塞的作用力大小，從而使離合器摩擦片結(jié)合度變化，達(dá)到平穩(wěn)離合效果，具體過程這里不詳細(xì)論述。

2 軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 推進(jìn)電動(dòng)（PTI）模式的啟動(dòng)方式選擇

在雙機(jī)均處于額定轉(zhuǎn)速，一臺(tái)軸發(fā)轉(zhuǎn)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，將一臺(tái)改變運(yùn)行模式，進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)后，再停止相應(yīng)的主機(jī)是安全可靠的轉(zhuǎn)換模式，但船舶使用中經(jīng)常需要或必須在只有一臺(tái)主機(jī)運(yùn)行的情況下直接實(shí)現(xiàn)雙槳運(yùn)行，這就需要一臺(tái)處于停止?fàn)顟B(tài)的軸發(fā)被另一臺(tái)正常運(yùn)行的軸發(fā)啟動(dòng)并帶入同步。同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其本身不具備自啟動(dòng)能力【1】，常用的變頻啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、外部電機(jī)拖動(dòng)啟動(dòng)等方式都需配備相應(yīng)的設(shè)備，占用機(jī)艙寶貴的空間，且經(jīng)濟(jì)成本較高。所以只有選擇在不增加外圍設(shè)備，保證機(jī)艙空間的前提下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的啟動(dòng)方式。限流異步啟動(dòng)方式成為我們的選擇方式。所謂限流異步啟動(dòng)，一方面是在啟動(dòng)過程中對(duì)對(duì)外供電軸發(fā)的輸出電流進(jìn)行限制，使之不會(huì)超出本身的負(fù)荷能力，另一方面是對(duì)由軸發(fā)轉(zhuǎn)變過來的同步電動(dòng)機(jī)采用異步啟動(dòng)方式啟動(dòng)。因此，軸發(fā)在作為同步電動(dòng)機(jī)使用時(shí)在結(jié)構(gòu)上不僅需要符合異步啟動(dòng)的要求，而且在外部控制上也應(yīng)當(dāng)具有相應(yīng)的控制方式。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鼠籠式異步啟動(dòng)是船舶最常見的電機(jī)啟動(dòng)方式。當(dāng)電機(jī)定子繞組接入三相交流電后，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而啟動(dòng)運(yùn)行。為此除在保留電機(jī)發(fā)電時(shí)需要的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈外，在勵(lì)磁線圈外表面設(shè)置類似的鼠籠，鼠籠通常由嵌入磁極表面的銅條組成，銅條兩端用短路環(huán)連接[2]，在異步啟動(dòng)時(shí)起到鼠籠轉(zhuǎn)子的作用。異步啟動(dòng)后期對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組投入勵(lì)磁牽入同步，轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)差率為零，鼠籠中沒有電流，實(shí)現(xiàn)異步啟動(dòng)的功能，勵(lì)磁繞組開始作用，保證電機(jī)的同步運(yùn)行。

2.3 異步啟動(dòng)和同步接入的控制實(shí)現(xiàn)

軸發(fā)在作為電動(dòng)機(jī)使用的啟動(dòng)階段，雖然通過轉(zhuǎn)子內(nèi)埋鼠籠的方式滿足了異步啟動(dòng)的基本條件，但在此期間的轉(zhuǎn)子繞組和勵(lì)磁回路的工作狀態(tài)，也會(huì)影響電機(jī)的啟動(dòng)。異步啟動(dòng)同時(shí)，勵(lì)磁繞組切割定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果勵(lì)磁繞組處于開路狀態(tài)，繞組兩端會(huì)感應(yīng)出很高的電壓，可能導(dǎo)致繞組被擊穿。如果勵(lì)磁繞組形成回路，可能產(chǎn)生較大電流，以致燒壞繞組或勵(lì)磁整流元件。為此在異步啟動(dòng)時(shí)需對(duì)勵(lì)磁繞組的工作狀態(tài)進(jìn)行適時(shí)控制，以達(dá)到相應(yīng)的條件。

2.3.1 勵(lì)磁繞組控制的基本原理

圖2 同步電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)過程簡(jiǎn)圖

圖2是實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁回路控制的基本原理簡(jiǎn)圖。R的阻值相當(dāng)于勵(lì)磁繞組直流電阻值的5—10倍。啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)K轉(zhuǎn)到啟動(dòng)位置，R用來降低回路電壓和降低轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的對(duì)異步啟動(dòng)不利的附加轉(zhuǎn)矩作用。異步啟動(dòng)后期，開關(guān)K轉(zhuǎn)到運(yùn)行位置，接通勵(lì)磁回路，進(jìn)入同步運(yùn)行模式。

通過機(jī)械式開關(guān)或接觸器實(shí)現(xiàn)上述功能，對(duì)于高速運(yùn)行的無刷勵(lì)磁電機(jī)是很難實(shí)現(xiàn)的。

2.3.2 晶閘管實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁繞組運(yùn)行控制

圖3 兩種不同轉(zhuǎn)子內(nèi)部回路圖

為解決上述難題，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中采用將一個(gè)晶閘管V30和控制模塊U30及控制回路固定在轉(zhuǎn)子圓盤上的辦法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制（見圖3）。模塊U30又稱點(diǎn)火模塊，主要作用為控制或觸發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路的通電工作，管腳2和3分別接至整流回路的正極和負(fù)極兩側(cè)，當(dāng)電機(jī)定子繞組沒接入電源且轉(zhuǎn)子處于靜止時(shí)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組G3受外部控制處于無電狀態(tài)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中沒有感應(yīng)電流，三相整流回路沒有整流電流產(chǎn)生，模塊管腳2和3兩端電壓為零。其控制管腳4沒有觸發(fā)信號(hào)給V30，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路處于斷開狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組供電進(jìn)行異步啟動(dòng)時(shí)，只要?jiǎng)?lì)磁機(jī)定子繞組G3斷電，勵(lì)磁機(jī)及整流回路中就沒有電流通過，晶閘管V30關(guān)斷，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組G1/M1感應(yīng)的電壓通過并聯(lián)的電阻R30放電，避免勵(lì)磁繞組電壓過高，同時(shí)轉(zhuǎn)子鼠籠在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并逐漸加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的95%左右時(shí)，電源管理系統(tǒng)（這里不進(jìn)行描述）發(fā)出指令，接通勵(lì)磁系統(tǒng)電源，定子繞組G3通電，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出交流電，通過整流電路V1輸出直流電，模塊U30兩端有電，當(dāng)管腳4輸出的脈沖電壓大于10V時(shí)，觸發(fā)晶閘管V30導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路接通，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下牽入同步，完成了異步啟動(dòng)到同步運(yùn)轉(zhuǎn)的過程。

2.4 啟動(dòng)過程中的限流控制

通過以上技術(shù)設(shè)計(jì)，很好地解決了電機(jī)的異步啟動(dòng)問題，但鼠籠電機(jī)的全電壓直接異步啟動(dòng)的啟動(dòng)電流是額定電流的5-7倍[3]，電站系統(tǒng)是無法承受如此大的電流的。為了保證電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)船舶供電系統(tǒng)的安全，我們選擇了限流啟動(dòng)方式，即在異步啟動(dòng)時(shí)，限制軸發(fā)的輸出電流，將其限定在安全電流范圍內(nèi)。軸發(fā)的發(fā)電背包箱內(nèi)設(shè)置了一個(gè)限流模塊，以發(fā)電機(jī)輸出電流為控制對(duì)象，將測(cè)得的實(shí)際電流與設(shè)定電流比較處理后，將信號(hào)提供給自動(dòng)電壓調(diào)整裝置，再由自動(dòng)電壓調(diào)整裝置對(duì)軸發(fā)的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過控制軸發(fā)的端電壓達(dá)到限制輸出電流的目的。在系統(tǒng)進(jìn)入PTI模式運(yùn)行，開始異步啟動(dòng)時(shí)，投入限流模塊，啟動(dòng)過程結(jié)束后將其退出。

3 失步故障及保護(hù)

電機(jī)處于同步運(yùn)行時(shí)，受外部干擾及自身故障影響，可能出現(xiàn)失步故障，即同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，其失步故障通常有3種：

3.1 斷電失步

斷電失步即電源斷開，電動(dòng)機(jī)自行停止運(yùn)行。不論何種原因引起的開關(guān)脫扣，都會(huì)造成電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)而導(dǎo)致PTI模式停止。由于電站管理系統(tǒng)中沒有設(shè)置自整步重新自動(dòng)合閘功能，因而斷電失步不論對(duì)軸發(fā)還是電動(dòng)機(jī)本身都不會(huì)造成損害。此時(shí)應(yīng)查清脫扣原因，排除故障再重新起動(dòng)。

3.2 帶勵(lì)失步

帶勵(lì)失步指因供電電壓降低引起同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩下降，同時(shí)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁基本正常的情況下，因電動(dòng)機(jī)負(fù)荷大幅突增，導(dǎo)致同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降出現(xiàn)的失步現(xiàn)象。帶勵(lì)失步對(duì)電動(dòng)機(jī)造成的損害主要在于脈振轉(zhuǎn)矩長(zhǎng)時(shí)間（十幾秒或更長(zhǎng)）的反復(fù)作用，產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，并引起電氣或機(jī)械共振，造成定子繞組端部綁扎線崩斷，定子鐵芯松動(dòng)，繞組絕緣損壞，以及轉(zhuǎn)子鼠籠條端環(huán)連接部位斷裂等故障。帶勵(lì)失步時(shí)配電板上的電壓表及電流表讀數(shù)會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出異常聲響、震動(dòng)等。盡管具有過流保護(hù)功能，但因電流波動(dòng)及反時(shí)限影響，有時(shí)不能立刻產(chǎn)生脫扣操作，因此極端惡劣海況下建議不選用PTI模式。

3.3 失磁失步

同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部勵(lì)磁回路斷開或外部勵(lì)磁控制故障，造成轉(zhuǎn)子勵(lì)磁消失而處于異步運(yùn)行狀態(tài)為失磁失步。此時(shí)電動(dòng)機(jī)仍能驅(qū)動(dòng)螺旋槳繼續(xù)運(yùn)行，外部無明顯的噪音和振動(dòng)。但若長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組及鼠籠繞組發(fā)熱，鼠籠繞組此時(shí)起著運(yùn)轉(zhuǎn)繞組的作用，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)發(fā)熱燒壞。當(dāng)發(fā)生失磁失步時(shí)，配電板的功率因數(shù)表會(huì)從同步運(yùn)行時(shí)的0.96-0.98（容性），降為0.8左右（感性）甚至更低。這時(shí)兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速及軸發(fā)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)明顯差異。為了能及時(shí)檢測(cè)到失磁失步的發(fā)生，在配電板的管理系統(tǒng)中設(shè)置了無功功率測(cè)量裝置，在PTI模式運(yùn)行時(shí)，一旦電動(dòng)機(jī)回路出現(xiàn)感性無功功率并大于一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)發(fā)出失步報(bào)警，同時(shí)輸出信號(hào)給推進(jìn)系統(tǒng)，脫開PTI離合器，卸掉電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，之后脫開電動(dòng)機(jī)主開關(guān)停止電機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

在船舶設(shè)備配置基本不變的情況下，軸帶發(fā)電機(jī)由單一的發(fā)電模式，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并加以適當(dāng)?shù)耐獠靠刂茖?shí)現(xiàn)發(fā)電、電動(dòng)兩種模式運(yùn)行，是在傳統(tǒng)推進(jìn)方式基礎(chǔ)上進(jìn)行的大膽嘗試，收到良好效果。不僅保證了機(jī)艙空間的有效利用，而且大大提升了船舶低速航行時(shí)的操縱性和功效的發(fā)揮。

[1] 潘再平, 楊莉 .電機(jī)、拖動(dòng)及電力系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2015, 297-298.

[2] 李發(fā)海, 朱東起. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2013, 269-270. [3] 湯藴璆. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013： 208.

Functional Realization for Marine Shaft Generator to Propulsion Motor

Liu Yingjie

(Beihai Rescue Bureau,The Ministry Of Transport，Yantai 264012,China)

Twin engine driven dual CPP propeller is main propulsion mode of the engineering ship at present. As a power supply for high load, the shaft generator is generally driven by the engine at the same gear box with cpp. Shaft generator as an example of the use of the propulsion motor is very few. This paper mainly introduces and analyzes the transformation of a ship shaft generator to the propulsion motor, how to realize asynchronous start, synchronous operation and out of step protection function in the process of driving dual CPP propeller by single engine. With improving the utilization ratio of ship equipment, the economy and stability of the ship at low speed are greatly improved through this design improvement at the same time.

shaft generator; propulsion motor; asynchronous; synchronous

TM31

A

1003-4862（2016）12-0014-04

2016-07-19

劉英杰（1965-）男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電氣。