船舶軸帶發電機轉為推進電動機的功能實現

劉英杰

（交通運輸部北海救助局,煙臺 264012）

船舶軸帶發電機轉為推進電動機的功能實現

劉英杰

（交通運輸部北海救助局,煙臺 264012）

雙主機驅動雙CPP螺旋槳是目前三用工作船的主要推進方式，這些船舶主機一般都經齒輪箱同時驅動軸帶發電機，作為船舶大負載的供應電源，軸帶發電機作為推進電動機使用的實例很少。本文主要介紹和分析某艘船舶軸帶發電機轉變為推進電動機使用，實現單主機驅動雙槳過程中，電機如何實現異步啟動、同步運行及失步保護功能。通過這種設計在提高船舶設備利用率同時，大大提高了船舶低速航行的經濟性和穩定性。

軸帶發電機 推進電動機 異步 同步

0 引言

船舶推進技術的快速發展帶動了船舶業的飛速發展，特別是電力推進技術的成熟，使船舶的機動性、可靠性有了顯著提高，而電力推進方式則是作業精度要求高的海洋工程船舶的首選。但相對于傳統推進方式的船舶，電力推進船舶的唯一缺點是造價過高，這使得一些對作業精度要求不苛刻的工作船仍然采用傳統推進方式。作為傳統推進方式的典型代表就是兩臺主機分別通過變速齒輪箱和軸系驅動可變螺距螺旋槳（CPP）。這種船舶在全速航行時，一般采用雙機雙槳操作模式。在考慮經濟性需低速航行時往往采用單機單槳壓舵的操作模式。雙槳船舶采用單槳航行不僅會降低操縱性能，也會影響功效的發揮。這種船舶的設備配置還有一個共性，一般主機均驅動大容量的軸帶發電機，主要用于船舶作業時側推和拖纜機的電力供應。鑒于低速航行時這些設備一般不運行，為提高船舶在此種狀態下的操縱性和經濟性，我們在一艘船舶的設計時提出將軸帶發電機的工作模式由單純的發電模式，轉變為發電和電動兩種模式，并通過推進齒輪箱結構的變換，實現單臺主機驅動雙槳的目的。這其中通過三個環節設計，最終實現功能的要求：1）電機異步啟動；2）牽入同步運行；3）失步保護。

1 推進系統基本情況

該船舶推進系統基本配置為：主機2臺；推進齒輪箱2臺；CPP2臺；軸帶發電機（可作為推進電動機運行）2臺。推進系統齒輪箱為垂直偏心雙速比輸出型式，內部設置了3套液壓驅動的多摩擦片式離合器，分別為主離合器、PTO（發電模式）離合器和PTI（電動模式）離合器。

圖1 主齒輪箱離合器布置原理圖

從齒輪箱內離合器布置原理圖可知（見圖1），主離合器設置在齒輪箱的輸入軸上，另外兩套離合器均設置在軸帶發電機的輸入軸上，通過對齒輪箱內三套離合器的狀態變換，實現多種螺旋槳運行模式以適應不同的工況需要。

三套離合器均采用軟接排方式，以保證接排動作平穩。主離合器通常在主機怠速時進行接排，PTO和PTI離合器具有在額定轉速下接排的能力，實際操作中，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合度變化，達到平穩離合效果，具體過程這里不詳細論述。

2 軸帶發電機轉變為推進電動機的技術實現

2.1 推進電動（PTI）模式的啟動方式選擇

在雙機均處于額定轉速，一臺軸發轉為電動機運行時，由于兩臺電機轉速相同，將一臺改變運行模式，進入同步運行狀態后，再停止相應的主機是安全可靠的轉換模式，但船舶使用中經常需要或必須在只有一臺主機運行的情況下直接實現雙槳運行，這就需要一臺處于停止狀態的軸發被另一臺正常運行的軸發啟動并帶入同步。同步電動機的結構特點決定其本身不具備自啟動能力【1】，常用的變頻啟動、自耦變壓器降壓啟動、外部電機拖動啟動等方式都需配備相應的設備，占用機艙寶貴的空間，且經濟成本較高。所以只有選擇在不增加外圍設備，保證機艙空間的前提下實現啟動的啟動方式。限流異步啟動方式成為我們的選擇方式。所謂限流異步啟動，一方面是在啟動過程中對對外供電軸發的輸出電流進行限制，使之不會超出本身的負荷能力，另一方面是對由軸發轉變過來的同步電動機采用異步啟動方式啟動。因此，軸發在作為同步電動機使用時在結構上不僅需要符合異步啟動的要求，而且在外部控制上也應當具有相應的控制方式。

2.2 電機轉子結構特點

鼠籠式異步啟動是船舶最常見的電機啟動方式。當電機定子繞組接入三相交流電后，在氣隙中產生旋轉磁場，旋轉磁場切割轉子鼠籠導體產生感應電流，電流與旋轉磁場相互作用，產生旋轉力矩而啟動運行。為此除在保留電機發電時需要的轉子勵磁線圈外，在勵磁線圈外表面設置類似的鼠籠，鼠籠通常由嵌入磁極表面的銅條組成，銅條兩端用短路環連接[2]，在異步啟動時起到鼠籠轉子的作用。異步啟動后期對轉子勵磁繞組投入勵磁牽入同步，轉子和定子轉差率為零，鼠籠中沒有電流，實現異步啟動的功能，勵磁繞組開始作用，保證電機的同步運行。

2.3 異步啟動和同步接入的控制實現

軸發在作為電動機使用的啟動階段，雖然通過轉子內埋鼠籠的方式滿足了異步啟動的基本條件，但在此期間的轉子繞組和勵磁回路的工作狀態，也會影響電機的啟動。異步啟動同時，勵磁繞組切割定子繞組產生的旋轉磁場，如果勵磁繞組處于開路狀態，繞組兩端會感應出很高的電壓，可能導致繞組被擊穿。如果勵磁繞組形成回路，可能產生較大電流，以致燒壞繞組或勵磁整流元件。為此在異步啟動時需對勵磁繞組的工作狀態進行適時控制，以達到相應的條件。

2.3.1 勵磁繞組控制的基本原理

圖2 同步電動機異步啟動過程簡圖

圖2是實現勵磁回路控制的基本原理簡圖。R的阻值相當于勵磁繞組直流電阻值的5—10倍。啟動時，開關K轉到啟動位置，R用來降低回路電壓和降低轉子勵磁繞組產生的對異步啟動不利的附加轉矩作用。異步啟動后期，開關K轉到運行位置，接通勵磁回路，進入同步運行模式。

通過機械式開關或接觸器實現上述功能，對于高速運行的無刷勵磁電機是很難實現的。

2.3.2 晶閘管實現勵磁繞組運行控制

圖3 兩種不同轉子內部回路圖

為解決上述難題，在轉子勵磁回路中采用將一個晶閘管V30和控制模塊U30及控制回路固定在轉子圓盤上的辦法實現相應控制（見圖3）。模塊U30又稱點火模塊，主要作用為控制或觸發電機轉子勵磁回路的通電工作，管腳2和3分別接至整流回路的正極和負極兩側，當電機定子繞組沒接入電源且轉子處于靜止時，勵磁機轉子對應的勵磁繞組G3受外部控制處于無電狀態，勵磁機轉子繞組中沒有感應電流，三相整流回路沒有整流電流產生，模塊管腳2和3兩端電壓為零。其控制管腳4沒有觸發信號給V30，轉子勵磁回路處于斷開狀態。當電動機定子繞組供電進行異步啟動時，只要勵磁機定子繞組G3斷電，勵磁機及整流回路中就沒有電流通過，晶閘管V30關斷，轉子勵磁繞組G1/M1感應的電壓通過并聯的電阻R30放電，避免勵磁繞組電壓過高，同時轉子鼠籠在旋轉磁場的作用下啟動旋轉，并逐漸加速。當轉速達到同步轉速的95%左右時，電源管理系統（這里不進行描述）發出指令，接通勵磁系統電源，定子繞組G3通電，勵磁機轉子繞組感應出交流電，通過整流電路V1輸出直流電，模塊U30兩端有電，當管腳4輸出的脈沖電壓大于10V時，觸發晶閘管V30導通，轉子勵磁回路接通，勵磁繞組產生轉子磁場，在定子旋轉磁場作用下牽入同步，完成了異步啟動到同步運轉的過程。

2.4 啟動過程中的限流控制

通過以上技術設計，很好地解決了電機的異步啟動問題，但鼠籠電機的全電壓直接異步啟動的啟動電流是額定電流的5-7倍[3]，電站系統是無法承受如此大的電流的。為了保證電機啟動運行時船舶供電系統的安全，我們選擇了限流啟動方式，即在異步啟動時，限制軸發的輸出電流，將其限定在安全電流范圍內。軸發的發電背包箱內設置了一個限流模塊，以發電機輸出電流為控制對象，將測得的實際電流與設定電流比較處理后，將信號提供給自動電壓調整裝置，再由自動電壓調整裝置對軸發的勵磁電流進行調節，通過控制軸發的端電壓達到限制輸出電流的目的。在系統進入PTI模式運行，開始異步啟動時，投入限流模塊，啟動過程結束后將其退出。

3 失步故障及保護

電機處于同步運行時，受外部干擾及自身故障影響，可能出現失步故障，即同步電動機的轉子轉速低于定子旋轉磁場的轉速，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，電動機自行停止運行。不論何種原因引起的開關脫扣，都會造成電動機停轉而導致PTI模式停止。由于電站管理系統中沒有設置自整步重新自動合閘功能，因而斷電失步不論對軸發還是電動機本身都不會造成損害。此時應查清脫扣原因，排除故障再重新起動。

3.2 帶勵失步

帶勵失步指因供電電壓降低引起同步電動機的電磁轉矩下降，同時在電動機轉子勵磁基本正常的情況下，因電動機負荷大幅突增，導致同步電動機轉速下降出現的失步現象。帶勵失步對電動機造成的損害主要在于脈振轉矩長時間（十幾秒或更長）的反復作用，產生疲勞效應，并引起電氣或機械共振，造成定子繞組端部綁扎線崩斷，定子鐵芯松動，繞組絕緣損壞，以及轉子鼠籠條端環連接部位斷裂等故障。帶勵失步時配電板上的電壓表及電流表讀數會發生大幅波動，同時電動機會發出異常聲響、震動等。盡管具有過流保護功能，但因電流波動及反時限影響，有時不能立刻產生脫扣操作，因此極端惡劣海況下建議不選用PTI模式。

3.3 失磁失步

同步電動機轉子內部勵磁回路斷開或外部勵磁控制故障，造成轉子勵磁消失而處于異步運行狀態為失磁失步。此時電動機仍能驅動螺旋槳繼續運行，外部無明顯的噪音和振動。但若長時間運行，會導致轉子勵磁繞組及鼠籠繞組發熱，鼠籠繞組此時起著運轉繞組的作用，時間長了會發熱燒壞。當發生失磁失步時，配電板的功率因數表會從同步運行時的0.96-0.98（容性），降為0.8左右（感性）甚至更低。這時兩個螺旋槳的轉速及軸發與電動機的轉速會出現明顯差異。為了能及時檢測到失磁失步的發生，在配電板的管理系統中設置了無功功率測量裝置，在PTI模式運行時，一旦電動機回路出現感性無功功率并大于一定數值時，就會發出失步報警，同時輸出信號給推進系統，脫開PTI離合器，卸掉電動機負荷，之后脫開電動機主開關停止電機運行。

4 結束語

在船舶設備配置基本不變的情況下，軸帶發電機由單一的發電模式，通過科學的設計和結構改進，并加以適當的外部控制實現發電、電動兩種模式運行，是在傳統推進方式基礎上進行的大膽嘗試，收到良好效果。不僅保證了機艙空間的有效利用，而且大大提升了船舶低速航行時的操縱性和功效的發揮。

[1] 潘再平, 楊莉 .電機、拖動及電力系統[M]. 北京：機械工業出版社, 2015, 297-298.

[2] 李發海, 朱東起. 電機學[M]. 北京： 科學出版社, 2013, 269-270. [3] 湯藴璆. 電機學[M]. 北京： 機械工業出版社, 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，高級工程師。研究方向：船舶電氣。