王世振

粵電4輪軸帶發(fā)電機跳閘的故障處理與思考

王世振

(廣東粵電船舶管理有限公司，廣東 510000）

文章介紹了粵電4輪軸帶發(fā)電機故障跳閘后無法啟動的故障現象，為了消除軸帶發(fā)電機無法啟動故障，從本輪軸帶發(fā)電機的控制原理、故障現象、臨時應急處理、最終解決措施等多方面進行分析，提出解決方案，并通過實船驗證，消除故障，恢復軸帶發(fā)電機正常運行。解決故障的思路，以及對軸帶發(fā)電機運行管理的總結可以供船舶電氣管理人員參考。

軸帶發(fā)電機 故障分析 解決方案

0 引言

隨著近年來國家推出“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略，節(jié)能減排成為了現代船舶的必然趨勢。軸帶發(fā)電機，利用主機推進的余能進行發(fā)電，在現代船舶中應用越來越廣泛。因此，對軸帶發(fā)電機的管理、維護與故障處理能力就顯得尤為重要[1]。

從20世紀70年代軸帶發(fā)電機系統的初步裝船，經歷幾十年的發(fā)展至今，軸帶發(fā)電機以其節(jié)能、穩(wěn)定可靠得到了廣泛應用。目前，軸帶發(fā)電裝置主要有變矩槳軸帶發(fā)電機、定矩槳定速軸帶發(fā)電機、定矩槳恒頻軸帶發(fā)電機三種形式[2]，如圖1所示。

變矩槳船舶主機轉速恒定，軸帶發(fā)電機輸出電能頻率亦恒定；

定矩槳船舶主機轉速會受海況及油門影響，主機轉速存在一定波動，為使軸帶發(fā)電機輸出電能頻率恒定，定矩槳定速軸帶發(fā)電機是在主機推進軸與軸帶發(fā)電機之間裝有機械控制的定速裝置，當主機推進軸轉速發(fā)生變化時，軸帶發(fā)電機的轉速基本保持恒定；

定矩槳恒頻軸帶發(fā)電機是利用大功率晶閘管變流技術，對軸帶發(fā)電機輸出電能進行整流和逆變來實現恒頻控制[3]。

1 某輪軸帶發(fā)電裝置簡介

本輪軸帶發(fā)電裝置采用定矩槳定速軸帶發(fā)電形式，安裝于主機中間軸上，包括OMEGA離合器和發(fā)電機兩部分。OMEGA離合器作用在于，通過增速齒輪和離合器，使軸帶發(fā)電機轉速保持恒定，不受主機轉速影響，來實現發(fā)電機頻率恒定作用。軸帶發(fā)電機具體參數如表1所示。

圖1 軸帶發(fā)電機主要形式

表1 軸帶發(fā)電裝置參數：

1）軸帶發(fā)電機工作背景

當船舶離泊主機定速后，且轉速超過65 rpm時，就滿足了軸帶發(fā)電機的使用條件。在主配電板軸帶發(fā)電機控制屏上，按下離合器接入按鈕，活塞將在液壓油的作用下，移向離合盤，以將主機主軸的能量傳遞給離合器驅動齒輪，離合器將主機轉速通過三級齒輪加速至恒定轉速1 200 rpm,用于驅動發(fā)電機發(fā)電。當按下離合器脫開按鈕時，液壓油壓消失，活塞在彈簧的作用下，返回至初試位置，離合器脫開，發(fā)電機停止。

2）軸帶發(fā)電機恒頻控制原理

當主機轉速受海況等條件影響發(fā)生波動時，為防止軸帶發(fā)電機頻率隨之波動，需控制離合器輸出轉速恒定，使發(fā)電機轉速維持在1200 rpm恒定。控制原理圖如圖2所示，包括PID控制器，主機轉速傳感器和發(fā)電機轉速發(fā)電機傳感器，Omega控制閥和Omega閥組成。轉速控制是通過改變Omega閥⑦的油壓實現的，而Omega閥⑦前有兩個Omega控制閥④和⑤， Omega控制閥④帶有比例電磁閥，可以實時通過控制比例電磁閥的電流，來改變Omega控制閥④的油壓，進而控制Omega閥⑦油壓和軸帶發(fā)電機轉速；而Omega控制閥⑤僅為簡單的減壓閥。

圖2 軸帶發(fā)電機控制原理圖

（①主機轉速傳感器②發(fā)電機轉速傳感器③PID控制器④帶比例電磁閥的OMEGA控制閥 ⑤OMEGA控制閥 ⑥正常/應急轉換電磁閥⑦OMEGA控制閥）

軸帶發(fā)電機有正常和應急兩種工作模式，可在主配電板內通過選擇開關來控制正常/應急轉換電磁閥⑥實現轉換。

選擇應急模式下，液壓油通過Omega控制閥⑤送往Omega閥⑦，不具備實時調節(jié)油壓和轉速的作用，發(fā)電機頻率將隨電網負荷和主機轉速變化而變化。并且當主機轉速低于65 rpm時，將觸發(fā)跳閘信號使離合器脫開，發(fā)電機跳閘。

選擇正常模式下，主機轉速在65～83 rpm范圍時，由PID控制器控制軸帶發(fā)電機轉速在恒定1 200 rpm，可以實現恒頻60 Hz。具體控制是通過檢測主機轉速和軸帶發(fā)電機轉速，由PID控制器比較轉速偏差，計算后輸出DC 50～700 mA電流信號至比例電磁閥，將電信號轉變?yōu)橐簤盒盘枺瑢崟r調節(jié)Omega控制閥④、Omega閥⑦油壓，實現軸帶發(fā)電機轉速調節(jié)。當轉速在62～65 rpm范圍時，也能實現恒轉差控制，對應輸出頻率為57 ～60 Hz，而不會觸發(fā)離合器脫開信號。

3 故障分析及解決措施

3.1 故障現象

某日，船舶在定速航行途中，主機轉速68 rpm，軸帶發(fā)電機單機運行向電網供電。突然出現全船失電，主機停車，伴隨S/G LOW ALARM REV 和S/G LOW TRIP REV報警。值班輪機員第一時間啟動NO.1柴油發(fā)電機合閘，恢復主配電板供電。輪機長也迅速趕到機艙，大家按照備車程序啟動NO.2柴油發(fā)電機并網，然后陸續(xù)恢復為主機服務的各種泵。輪機長帶著輪機員一起檢查主機無問題，嘗試啟動主機，一切都很順利，主機慢慢再次加速到海速68 rpm。定速兩小時后，主機無異常，轉速穩(wěn)定，此時嘗試啟動軸帶發(fā)電機，卻發(fā)現主配電板軸帶發(fā)電機控制屏上，指示燈127 OMEGA clutch engage possible與指示燈126 M/E revolution possible均不亮，軸帶發(fā)電機無法啟動。

3.2 故障分析

由于指示燈127 OMEGA clutch engage possible與指示燈126 M/E revolution possible同時不亮，且主機轉速已達到軸帶發(fā)電機啟動允許轉速65 rpm，首先考慮是轉速信號未能到達軸帶發(fā)電機啟動電路所致。于是查閱圖紙，檢修軸帶發(fā)電機啟動故障。

控制電路如圖3所示，指示燈127 OMEGA clutch engage possible受繼電器X23控制，繼電器X23受軸帶發(fā)電機一系列啟動聯鎖控制，具體包括X18(無主機倒車信號)、X20T（無主機完車信號）、X22（無離合器跳閘信號）、X26（無軸發(fā)滑油低壓報警信號）、X10（無離合油低壓信號）、X16（無ME low revolution信號）。其中，X22（離合器跳閘信號）又受TM7（SG low rev. trip）、X17（SG轉速高）、X19（主機應急停）、X27（PID發(fā)出檢測異常）、X29（PID發(fā)出直接耦合）控制。TM7受繼電器X15控制，X15受TB33端子排上EC1與EC6開關信號控制。指示燈126 M/E revolution possible受繼電器X16(SG low rev. alarm)控制，X16受TB33端子排上EC1與EC7開關信號控制。

圖3 指示燈信號電氣邏輯圖

3.3 臨時處理措施

根據圖紙，通過檢測，證實故障確實為時間繼電器TM7和繼電器X16動作異常所致，而TM7和繼電器X16控制信號分別來自接線端子TB33上EC1與EC6(SG low rev. trip)、EC1與EC7(SG low rev. alarm),測量進一步發(fā)現，TM7和繼電器X16動作異常，是由于EC1與EC6和EC1與EC7這兩路信號均為斷開，而當前主機轉速為68 rpm，正常應該閉合。為了進一步驗證，在軸發(fā)控制屏后面找到接線端子排，如圖4所示，分別在EC1與EC6和EC1與EC7之間各外接一個開關，先后手動將兩個開關接通短接兩路信號，然后發(fā)現配電屏上指示燈126 M/E revolution possible與指示燈127 OMEGA clutch engage possible均點亮，恢復正常，嘗試啟動軸帶發(fā)電機，離合器電磁閥等均正常動作，電壓頻率也正常。臨時用兩個外接開關，模擬轉速信號，消除軸帶發(fā)電機啟動故障。

圖4 接線端子排

3.4 故障根源

根據上述，已查明軸帶發(fā)電機無法啟動故障原因在于EC1與EC6(SG low rev. trip)、EC1與EC7(SSG low rev. alarm)兩路信號不正常。于是，進一步查閱接線圖，如圖5所示。沿著接線端子TB33往上查，EC6與EC7接至主機遙控接線端子CN 5的CN 522 和CN 523，公共端EC1連至CN517。查閱主機遙控接線圖知，CN 522 和CN 523分別由主機遙控電路板B4上Z162和Z144，公共端連至Z161、Z143，最終查出Z161、Z162和Z143、Z144兩路信號分別是由主機遙控一塊數字量輸出電路板B4的CH47、CH48兩個通道輸出控制繼電器IR50和IR49的常開觸點。測量發(fā)現，這塊數字量輸出電路板CH47、CH48這兩個通道損壞，無正確數字量輸出去控制相應繼電器。因此，找到信號故障根源，是由主機遙控數字量輸出電路板故障引起。

3.5 最終解決措施

在TB33端子排處接兩個外接開關的臨時處理措施，雖能消除軸帶發(fā)電機啟動故障，但并非長久之計。原因在于，首先每次啟動軸帶發(fā)電機之前需要依次接通兩個開關，較為麻煩。更重要是，短接后失去了軸帶發(fā)電機的低轉速報警和保護作用。但船上缺乏主機遙控數字量輸出電路板備件，亦無法更換，且咨詢岸基，備件采購周期較長。

經過船上繼續(xù)研究，查閱圖紙，從主機轉速探頭著手，本輪共有五個主機轉速探頭，為接近開關式，其中探頭1、2為一組，探頭3和4為一組，兩組信號分別送往集控臺的兩個轉速信號處理電路板FV1和FV2，將兩組轉速脈沖信號成比例變換為DC -10～10V電壓信號，且轉速0 rpm對應電壓0V，轉速100 rpm對應電壓10 V，兩個探頭為一組是為了根據兩個探頭脈沖信號的相位關系，來判斷主機旋轉方向。FV1的輸出用于駕駛臺和集控室所有轉速表，用于轉速指示，FV2的輸出送往主機遙控做轉速閉環(huán)控制。第五個探頭是主機超速保護，送往主機遙控安保系統。

既然轉速信號被處理成-10～10 V電壓信號，那么僅僅需要兩個簡單的電壓比較器，讓FV輸出的轉速電壓信號分別與6.5 V電壓和6.2 V電壓進行比較，比較結果控制相應繼電器動作，比如FV電壓信號大于6.5 V時，繼電器動作，常開點閉合。再把兩個繼電器的常開點分別接至Z161、Z162和Z143、Z144，即可實現原有功能，而且FV控制電路距離主機遙控Z161、Z162、Z143、Z144距離較近，操作起來方便。

電壓比較器屬于最基本的模擬電路板，隨便電子器件供應商均能提供，甚至淘寶上都能輕易夠得，且價格及其低廉。于是，聯系供應商提供了一個電壓比較器電路板，包括4個通道的電壓比較器，開始實施。從FV電路板處引出DC24V電源作為電壓比較器電源，將FV2轉速電壓信號接至兩個比較器同相輸入端，將24 V電源經過兩個可調電位器后分別接至兩個反相輸入端，并通過調節(jié)電位器，分別將兩個反相輸入端電壓電壓調制6.5 V和6.2 V，兩個繼電器的常開點分別接至Z161、Z162和Z143、Z144。接線完畢，如圖5所示，拆除原外接兩個開關，在離泊時，啟動主機試驗和調試，在不同轉速下觀察，電壓比較器輸出繼電器動作都正確。經過反復測試，功能均正常。軸帶發(fā)電機啟動投入使用，也都無異常，故障徹底消除。

4 總結

此次故障引發(fā)了船舶管理人員的思考。本輪主機定速時通常航行在68 rpm，航行中如有遇到風浪時，主機轉速會在65～68 rpm波動，風浪再大時，主機轉速甚至會頻繁低于62 rpm，此時，一般都會啟動柴油發(fā)電機替換軸帶發(fā)電機。但是主配電板上指示燈126與127會頻繁閃爍，以往由于軸帶發(fā)電機已停掉，未引起管理人員重視，實際上轉速頻繁在65 rpm左右波動時，指示燈頻繁閃爍，就意味著主機遙控電路板CH47、CH48兩個數字量輸出通道會頻繁動作，繼電器IR50和IR49也會頻繁動作，將會影響其電壽命。因此吸取教訓，在今后的使用管理中，如遇大風浪轉速波動厲害時，停掉軸帶發(fā)電機后，可切斷電壓比較器的電源或酌情加油門，防止繼電器在臨界點頻繁動作。

絕大多數故障，都是維護管理疏忽所致。針對本輪軸帶發(fā)電機，日常需要加強從電氣到液壓系統的維護管理，包括油位、濾器、軸承、油溫、OMEGA閥清潔、OMEGA控制閥、各電磁閥、壓力開關、轉速探頭、PID控制器等等。

圖5 FV轉速信號處理電路與電壓比較器接線

[1] 郝廣君. 軸帶發(fā)電機在二沖程主機上的發(fā)展介紹及應用[J]. 造船技術, 2019(4): 1-4, 34.

[2] 殷宗學, 周海濤, 王遠, 等. 船舶軸帶發(fā)電機選型及節(jié)能分析[J]. 船電技術, 2021, 41(10): 20-23.

[3] 蘇國強, 胡偉. 某船軸帶發(fā)電機頻率波動過大分析及處理[J]. 航海技術, 2023(1): 29-32.

Trouble shooting and thinking on the trip of shaft generator at Yudean four-wheel shipping

Wang Shizhen

（Guangdong Yudean Shipping Management Co., Ltd, Guangzhou 510000, Guangdong, China）

U665.1

A

1003-4862（2023）11-0054-04

2023-04-04

王世振（1976-），男，研究方向：船舶輪機與自動化。E-mail:15153606139@163.com