船舶軸帶發電機驅動和主機啟停控制裝置研究

韋家礎，謝永和

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江舟山316021;2.浙江海洋學院，浙江舟山316000)

船舶主機一般都有10%～15%的功率儲備，為了充分利用這一功率裕量，很多船舶采用了軸帶發電機(以下簡稱軸發)，以達到經濟節能的目的。這是因為主機熱效率高，且主要采用價格低廉的重油作為燃料，因而可以降低油耗和油費;航行時柴油發電機組不必運行，機艙內只需軸發運行發電，所以機艙溫度和噪聲較低。由于這些優點，軸發在船舶上的應用日益廣泛，現代大型船舶其功率已達500 kW以上，高的甚至有上萬千瓦。但大多數船舶采用的是定距漿，為適應航行過程中航速變化的需要，主機配用了轉速可調的中、低速柴油機，當轉速變化時，直聯式軸發輸出的交流電頻率和電壓將發生變化，會影響用電設備的正常工作，故需要設法維持軸發轉速恒定或采取措施使輸出頻率和電壓恒定。

1 軸帶發電機裝置和船舶主機啟停裝置簡介

有些船舶軸發采用變流機組這一方法來穩定供電頻率和電壓，如圖1所示。

船舶航行過程中，主機1 轉速值并不恒定，軸發SG 發出的交流電頻率、電壓波動較大，經整流后供給直流電動機M1，再拖動同步電機M2 發電。轉速調節器2根據交流發電機M2的實際轉速測量值n1和給定轉速值n0的偏差，調節可控整流裝置5的控制角α，從而調節M1的電壓以保證其轉速恒定，從而保證M2 發出的交流電頻率恒定，再加上自動電壓調節器AVR的調節，能夠維持電壓恒定。這套系統能夠給船舶電網提供恒頻恒壓的電能，但系統的構成環節較多，且能量經過交流電－直流電－交流電的多次轉換，能量損失大。

圖1 采用變流機組的軸帶發電機裝置

另有軸發系統采用晶闡管變換式整流－逆變穩頻技術，如圖2所示。

圖2 采用晶闡管變換器的軸帶發電機裝置

軸發SG輸出的交流電經過三相整流、濾波后，供給晶闡管逆變為頻率恒定、電壓恒定的交流電。逆變器只提供了電網負載的有功功率，負載的無功功率以及晶闡管逆變器的觸發脈沖則由同步調相機SC 提供，SC的原動機可用電動機或輔柴油機，用來啟動，投入電網后原動機可斷開，SC處于逆功率運行狀態。這類軸發裝置需要調相機SC 一起運行，晶闡管通斷時產生的干擾電磁波會影響電子設備和無線電通信。

另外，推進船舶的大、中型柴油機，普遍采用壓縮空氣啟動系統，該系統主要由空氣壓縮機、啟動空氣瓶、主啟動閥、空氣分配器、氣缸啟動閥和啟動控制閥等設備和管路所組成。這些器件需要占用較多的機艙空間。起動前，由空壓機向氣瓶預充氣至規定壓力(2.5～3.0 MPa)，需要占用一定的備車時間，再者，如果主機試啟動過程中耗氣過多，會導致氣瓶氣壓過低而造成啟動失敗。

如何將軸發驅動和船舶主機啟停裝置這兩套互相獨立的系統合二為一，并且工作可靠、高效節能、結構緊湊，值得探討研究。

2 軸發驅動和主機啟動一體化裝置的研究

液壓傳動易于實現無級調速，與電動或氣動元件相比，同樣的功率下液壓元件的體積最小。液壓技術在船舶上的應用較普遍，如液壓舵機、液壓起貨機、主機液壓調速器等等，技術上成熟可靠。液壓傳動可以使軸發的轉速穩定，圖3為傳動示意圖，主機1通過增速齒輪箱驅動斜盤式變量柱塞泵2，產生高壓油，經油馬達3 驅動軸發4。下面分析速度調節原理。

圖3 采用純液壓傳動的軸帶發電機裝置

圖4中，將油馬達3的給定轉速以正信號輸入比例積分調節器，實際測量轉速以負信號輸入，這兩個轉速值之差為偏差Δu，則PI 調節器輸出信號U0為:

圖4 PI 電子調節器

如果油馬達3的測量轉速n1等于給定轉速n0，那么轉速偏差Δu為0，則PI 調節器的輸出信號UO為0，變量泵2的斜盤角度調整量為0，其排量保持不變;如果主機1的轉速降低，而變量泵2排量暫未變，那么馬達3的轉速將減小，偏差Δu 將增大，UO增大，增加變量柱塞泵2的斜盤角度，加大排量，使得馬達3 恢復給定轉速;如果主機1的轉速高于給定值，變量泵2排量作相反的調節。排量調整速度很快，軸發的轉速基本穩定，能夠保證軸發4的交流電頻率變化在±1%以內，達到供電要求。

但是，純液壓驅動傳送效率不高，泵、馬達的機械效率各以90%計，再加上內泄漏和管路傳輸的能量損失，總效率只有75%左右，四分之一以上的能量轉化成熱量損耗了。如果只采用純液壓驅動，能量損失較多，因此還需要進行改進。齒輪傳動效率較高，最高可達98%，但是齒輪傳動沒有無級調速功能，將行星齒輪傳動和液壓調速相結合形成一體化驅動裝置，發揮各自的優勢，可以獲得穩定的輸出轉速和較高的傳動效率。再綜合考慮增加主機啟動和制動功能，則可以省去氣動啟動系統，騰出更多的機艙空間。下面介紹其特點。

一體化驅動裝置見圖5。

圖5 一體化驅動裝置

如圖5所示，主機1 通過離合器2 驅動太陽輪3、行星輪4、內齒圈6 和同步發電機7。最理想的情況是齒輪傳動比等于軸發同步轉速與主機經濟轉速之速比，那么主機以經濟轉速運行時，變量泵8排量可設為0，液壓馬達9 不轉，液壓系統沒有傳送動力，行星輪架5 不轉動，此時為純齒輪傳動，效率最高。航行期間，若主機不是經濟轉速，比如偏高導致同步發電機7 轉速也偏高，調節變量泵8的斜盤方向，使得行星輪架5 在油馬達9的驅動下，與太陽輪3 同旋向轉動進行補償，使齒圈6 降速，變量泵的調節量由PI調節器控制，直到發電機7 降回同步轉速為止;當發電機7 轉速偏低，則反方向調節，發電機升回同步轉速，發電機恒速恒頻調節得以實現。轉速偏差越小，由液壓系統補償的部分越少，傳動效率越高。因齒輪模數要求取用標準值、而齒數肯定是整數值，故齒輪傳動比不一定正好等于理想的速比，主機以經濟轉速運行時，未經補償的軸發轉速與同步轉速可能會有偏差，這個偏差越小越好，故設計一體化裝置時，要考慮使得齒輪傳動比盡可能接近理想速比。

如果主機1 需要啟動，由船舶柴油發電機提供電能給電動機11，電機啟動成功后離合器10 接合，油馬達9轉換成油泵，油泵8轉換成油馬達驅動太陽輪3 和離合器2 對主機進行啟動。主機達到發火轉速后，噴油燃燒，啟動成功則斷開離合器10;主機順利進入加速程序后，電動機11可斷電。啟動過程中，為減輕阻力，可以先斷開同步發電機7的勵磁電路讓其空轉。主機轉速達到75%額定轉速以上后，接通發電機7的勵磁，發電、并車、轉移負荷、解列柴油發電機。此后由一體化裝置自動調節保持軸發轉速恒定，再加上自動恒壓裝置AVR的調節，供給船舶電網頻率、電壓恒定的交流電。若需要設置主機盤車和慢轉啟動功能，則可以通過控制油泵排量大小分別實現，也可以設置主機3次試啟動功能。

如果主機需要減速停車，一種方式是再生制動，要求先啟動柴油發電機，并車、轉移負荷、軸發與電網脫開;然后接通電機11 和離合器10，調大變量泵8的排量，加大油馬達9的轉速，使電機11處于再生制動狀態，主機和軸系的慣性動能轉換成電能回饋到電網。第二種方式是能耗制動，在主機轉速不高的情況下，要求電機11斷電、電磁閥12 通電，主機的慣性動能轉化為液壓能由節流孔消耗掉，最終完全停車。

3 結束語

文中介紹的一體化裝置能夠實現軸發恒速驅動和主機啟停控制兩種功能，發揮軸發經濟節能的優勢，采用主機回饋制動可以進一步節能。該裝置省去了啟動壓縮氣動系統，所占機艙空間少，結構緊湊，效率高工作可靠，結合電控系統自動調節控制，操縱簡單，具有一定的推廣價值。

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