船舶推進同步電機PTI/PTO模式研究

陶少琳，路澤文，錢 莊

(武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢 430060)

船舶推進同步電機PTI/PTO模式研究

陶少琳，路澤文，錢 莊

(武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢 430060)

PTI/PTO推進是最近發展起來的一種新型船舶推進方式，兼具傳統柴油機推進和電力推進優點，可實現多種船舶工作模式，具有操控性好、安全、經濟等特點，將是未來船舶推進方式發展方向之一。本文介紹了PTI/PTO推進模式理論和工作模式，便于理解該推進方式，希望有助于船舶推進技術的發展。

PTI/PTO；同步電機；船舶推進；可逆性

0 引 言

隨著船舶技術的發展，船舶推進方式不斷演變，在這種形勢下，出現了軸帶電機PTI/PTO推進方式，可以根據需要使用機械推進、電力推進等多種運行模式，滿足船舶在多種工況下運行需求，在此推進方式下軸帶電機根據船舶工作模式在電動機和發電機之間相互轉換，同時兼做能量輸出和輸入設備，不僅可以節省設備成本，也可以優化船舶機艙設計，便于現場安裝和施工，PTI/PTO軸帶電機混合推進是一種比較有前途的推進方式。

在PTI/PTO推進系統中，同步發電機在電動機和發電機之間相互轉換是PTI/PTO推進系統核心技術，PTI/PTO系統配置和控制都是圍繞電動機和發電機轉換展開，為了掌握PTI/PTO推進系統的核心技術，首先對同步發電機在電動機和發電機原理進行研究。

1 PTI/PTO推進系統理論基礎-同步電機的可逆性

1.1 同步電機可逆性原理

根據同步發電機理論，轉子主極軸線超前氣隙合成磁場軸線θi角，轉子將受到定子側切向電磁轉矩，當θi越大，電磁轉矩就越大，通過電磁轉矩作用，將機械能轉化成電磁功率就越大。時空矢量圖如圖1[1]。

從圖1看出，凸極同步發電機轉子受到定子側切向電磁轉矩，當θi越大，電磁轉矩就越大，通過電磁轉矩作用，將機械能轉化成電磁功率就越大，θi稱為電機的內功率角，因為同步電機漏抗遠小于同步電抗，可以近似認為θi≈θ。根據該理論，如果θi變化，機械能轉化成電磁功率值也會變化，當θi為0時，機械能轉化成電磁功率也為0，即沒有功率輸出，如果θi為負值時，轉子將從定子側吸收能量，此時同步發電機從轉變成電動機，這就是同步發電機可逆原理。

根據同步電機的可逆性原理，同步電機的內功率角θi變化時的時空矢量圖如圖2[1]。

當θ角減至零時，發電機變為空載，其輸入功率正好抵償空載損耗，相量圖如圖2（b）所示。繼續減少原動機輸入功率，則θ和Tem變為負值，表明電機要從電網吸收一部分電功率，與原動機輸入功率一起與空載損耗平衡，以維持轉子的同步旋轉。如果進一步減小原動機功率，直至停止原動機，就變成了空轉的同步電動機，空載損耗必須全部由電網輸入的電功率供給。

如果在電機軸上再加上機械負載，則負值的θ角和Tem會更大，θi亦為負值。主極磁場落后于氣隙合成磁場，電磁轉矩為驅動性質、拖動軸上機械負載一道旋轉，電機進入電動機運行狀態，將電網輸入的電能轉換成機械能。此時電機的相量圖如圖2（c）所示。

根據上分析，從發電機狀態進入電動機狀態的過程中，功率角θ和電磁功率Tem均由正值變為負值，電磁轉矩由制動性質變為驅動性質，機電能量轉換過程也發生逆變，此時同步發電機轉變到了同步電動機，同步電機可以在發電機與電動機之間的相互逆轉，這為船舶推進系統PTI/PTO模式提供了理論依據，船舶推進系統PTI/PTO所有配置和控制都是圍繞同步電機可逆性展開的。

1.2 凸極同步電動機啟動

因為同步電動機的原理特點，這里需要說明同步電動機的啟動方式。同步電動機只有在定子旋轉磁場與轉子勵磁磁場相對靜止時，才能得到電磁轉矩，穩定地實現能量轉換。如將靜止的同步電動機通入勵磁電流后直接投入電網，則定子旋轉磁場瞬間可以建立，將以同步轉速相對于轉子磁場運動，此時轉子靜止，而旋轉磁場轉速比較快，轉子還沒有來得及轉動，定子磁場已經過去了，使得轉子承受交變的脈振轉矩，平均值為0，同步電動機不能自起動，因此借助其它起動方法。同步電動機的常用起動方法有下列3種：

1）輔助電動機起動

該啟動方式簡單可靠，但是需要單獨配置電動機；

2）變頻起動

該啟動方式需配置變頻裝置，增加成本和電站控制難度，也會產生船舶電網諧波，給現場布置和安裝帶來難度，一般僅用于復雜和高端船舶；

3）異步起動

該啟動需要軸帶同步電機帶有阻尼環，但僅適用于中小容量的同步電機，不適用于大容量電機。

2 PTI/PTO推進系統

船舶PTI/PTO推進利用同步電機可逆性特點，推進系統中的同步電機在電動機和發電機轉換，實現推進系統變速箱PTI/PTO能量轉換，從而實現PTI/PTO推進系統各種工作模式，不僅增強船舶推進系統功能，降低船舶燃油損耗，而且減少成本，減少現場設備布置和施工，具有較好的發展前景，目前主要由一家國外著名公司研究，技術逐步成熟，開始在船舶上運用。

根據船舶推進系統配置，船舶推進PTI/PTO系統可以分為推進系統、配電系統、控制系統三大部分。

2.1 PTI/PTO推進系統

為分析船舶PTI/PTO推進系統，以船舶典型PTI/PTO推進系統為例討論，如圖3所示[2]。

根據圖中系統配置，該系統包含如下主要設備：

1）推進系統：柴油機、減速齒輪箱、可逆式同步電機、同軸起動電機、可調漿推進器；

2）配電系統：配電板、輔助柴油發電機組；

3）控制系統為整個系統服務，可以放置在配電板中，或者采用單獨控制柜，圖中沒有單獨表示；

圖3系統中可逆式同步電機是船舶推進PTI/PTO系統核心，可逆式同步電機既可作為同步電動機運行，也可作為軸帶同步發電機運行，同步電機的可逆性決定了PTI/PTO推進系統特性。為理解PTI/PTO推進系統工作模式，下面對各工作模式進行分析。

2.2 PTI/PTO推進系統工作模式

根據同步電機特性，PTI/PTO推進系統工作模式如下[3]：

1）軸帶推進（PTO）

此時2臺主機工作，為船舶提供推進動力，同時齒輪箱與同步電機嚙合輸出功率（PTO），此工作模式主機也作為同步電機原動機，同步電機作為發電機運行，通過配電板提供全船電源，輔助發電機組不工作，該模式下可以充分發揮主機功率，是PTI/PTO推進系統常用的工作模式，該工作模式充分利用主機功率，提高了船舶經濟性。

2）電力推進（PTI）

此時船舶主機不工作，輔助發電機工作，提供同步電機作為電動機運行的電源，通過齒輪箱向推進器輸入功率（PTI），提供船舶航行動力，該模式可以在船舶主機出現故障時利用輔助發電機提供推進動力，因此該工作模式提高了船舶生命力。

3）混合推進（BOOSTER）

此時2臺主機工作，為推進器提供動力，同時輔助發電機工作，提供同步電機作為電動機運行的電源，為船舶推進提供輔助推力，此時同步電機通過齒輪箱向推進器輸入功率（PTI），保證船舶高速航行，該工作模式增加了船舶功能。

4）電軸推進（PTI/PTO）

此時1臺主機工作，作為推進動力，同時帶動1臺同步電機作軸帶發電機，為另1臺同步電機作電動機運行提供電源，2臺同步電機作電軸運行，使船舶低速航行，此時輔助發電機工作，為船舶負載提供電源，此工作模式下1臺同步電機通過齒輪箱向推進器輸入功率（PTI），另1臺則通過齒輪箱向同步電機輸出功率（PTO），該工作模式增加了船舶功能。

上述是PTI/PTO推進系統典型的工作模式，也有其他PTI/PTO推進系統因為主機配置不同可采用其他工作模式，不具有代表性。

2.3 PTI/PTO推進系統特點

根據前面PTI/PTO模式分析，在同步電機PTI/PTO模式下，可以設置多種推進系統工作模式，總結特點如下：

1）根據主機配置，選擇合適工況，使主機始終工作在最佳模式下，具有良好的經濟性；

2）在主機故障時采用PTI推進，增加推進系統冗余性，增大船舶航行的安全性；

3）同步電機在發電機和電動機之間轉換，只需要1臺同步電機可以實現TI/PTO工作模式，在軸帶發電機配置的基礎上不需要另外增加設備，節省成本，節省空間，減小現場施工量，便于現場安裝；

因為上述特點，船舶PTI/PTO推進模式具有一定的運用前景，將是未來船舶推進方式發展方向之一。

3 PTI/PTO配電系統

PTI/PTO推進模式配電系統與PTI/PTO推進工作模式相適應，滿足船舶配電要求。

船舶PTI/PTO推進模式特點是因為同步電機在發電機和電動機之間轉換，但同時也增加了船舶配電系統難度，PTI/PTO推進模式配電系統具有如下特點：

1）軸帶同步發電機與輔助發電機通常不并網

微信群健康教育組患者的疾病認知度評分、治療依從性評分以及護理滿意度評分等情況顯著優于常規健康教育組,具有統計學意義(p<0.05)。具體情況見表一。

通常情況下，軸帶同步電機在作為發電機運行時，因為推進軸受外界環境影響，如海浪、風向等因素，此時同步發電機擾動比較大，電源品質會受到影響，為保證船舶電網品質，軸帶同步發電機與輔助發電機并網比較復雜[6]，考慮船舶技術和成本原因，同步發電機一般不和輔助發電機組并網，只有負載轉移時進行短時并網，完成負載轉移后退出并網；

2）采用2段匯流排配電方式

根據目前船舶發展趨勢，一般海工船將要求具有DP2以上的定位能力，因此配電系統將采用2段匯流排配電方式，提高船舶配電冗余性；

3）一般采用低壓電力系統

目前PTI/PTO推進模式中的電力推進基本上還是局限于對柴油機推進的一種補充，使用工況有限，功率不大，因此主要采用低壓電力系統，采用船舶高壓電力系統將會比較復雜，需要考慮各種高壓技術性問題，如接地系統、諧波、變壓器預充磁、高壓工藝等[5]，因此還需要進一步研究PTI/PTO，擴大PTI/PTO推進應用范圍，這將是我們以后需要研究的方向。

根據上述PTI/PTO推進模式配電特點，以典型船舶PTI/PTO推進模式電力系統為例進行討論，如圖4所示[7]。

目前在PTI/PTO推進模式電力系統中也有軸帶發電機和輔助發電機組并網的方案，此時為了保證軸帶發電機發電品質，將軸帶發電機發電首先經過變頻器，經過轉化，使得軸帶發電機的電源滿足并網條件，和輔助發電機并網，但是這樣需要增加電力設備，也增加了控制電網控制的復雜性，給現場布置和安裝都帶來了很大的難度，僅用于極少數復雜和高端船舶，一般船舶不采用。

4 PTI/PTO控制原理

PTI/PTO推進系統配電要與船舶工作模式相適應，根據PTI/PTO推進系統模式，配電系統在不同工作模式下的控制如下[3]：

1）軸帶推進（PTO）模式配電控制

此模式下2臺主機工作為船舶提供推進動力，為可調漿提供動力。

此工作模式下，電力系統中主斷路器工作模式如表1所示。（GB1/GB2表示軸帶同步電機主開關，GB3/GB4表示2臺輔助發電機主開關，BT1/BT2在DP2分區供電模式下為open，BT3/BT4需要向全船供電時為CLOSED，BT5為CLOSED，避免2臺變壓器并聯運行，以下工作模式的主開關參考該狀態）。

表 1 PTO模式下主斷路器工作狀態Tab. 1 The main breakers status under the PTO mode

2）電力推進（PTI）模式配電控制

此模式下2臺主機不工作，輔助發電機工作，通過配電板提供同步電機作為電動機運行的電源。

此工作模式下，電力系統中主斷路器工作模式如表2所示。

表 2 PTI模式下主斷路器工作狀態Tab. 2 The main breakers status under the PTI mode

3）混合推進（BOOSTER）模式配電控制

此模式下2臺主機工作，為推進器提供動力，同時輔助發電機工作，提供同步電機作為電動機運行的電源，2臺軸帶同步電機作為電動機運行，為船舶推進提供輔助推力，增加船舶推進功率，使得船舶高速航行。

控制過程與電力推進（PTI）模式控制相同，因而不再敘述。

此工作模式下，電力系統中主斷路器工作模式如表3所示。

表 3 BOOSTER模式下主斷路器工作狀態Tab. 3 The main breakers status under theBOOSTER mode

4）電軸推進（PTI/PTO）模式配電控制

此模式下1臺主機運行作為推進動力，同時帶動1臺同步電機作軸帶發電機，為另1臺同步電機作電動機運行提供電源。

控制過程分別與上面的PTO和PTI工作模式相同。此工作模式下，電力系統中主斷路器工作模式如表4。

表 4 PTI/PTO模式下主斷路器工作狀態Tab. 4 The main breakers status under thePTI/PTO mode

5 PTI/PTO推進模式發展趨勢

隨著船舶技術發展，目前船舶推進方式主要有下列3種推進方式：

1）電力推進

隨著電力電子技術發展，大功率IGBT逐步成熟，使得船舶電力推進逐步興起，電力推進系統省去推進傳動軸，改善船舶布置，且控制方便，可以根據船舶工程需要靈活布置推進器，極大地擴展船舶功能，滿足海上復雜工程需要，增強了人類海上活動能力，是對傳統柴油機推進的一種顛覆性革命[8]，因此高端工程船舶和海工產品一般都采用電力推進，隨著人類活動逐步向海洋發展，使得電力推進系統發展迅猛。

2）柴油機推進

適合于散貨船，油船等運輸船舶，具有良好的船舶航行經濟性。

3）PTI/PTO推進

介于柴油機推進和電力推進之間，兼具上述電力推進和電力推進的特點。

綜合上述3種推進方式，電力推進將是未來推進方式發展的主流，適用于工程船舶和海洋裝備，但是電力推進電力系統設備成本和維護成本高，完全普及還需要一個過程；對于運輸類船舶，采用柴油機推進，能提高船舶燃油經濟性；PTI/PTO推進則具有上述2種推進方式優點，綜合3種推進方式特點，PTI/PTO推進模式在未來有其一定發展空間，如果PTI/PTO推進能夠得到發展，采用高壓電力系統，增加PTI/PTO推進功率，將會增強PTI/PTO推進船舶功能，有望進一步擴大PTI/PTO推進船舶應用范圍，未來PTI/PTO推進系統將呈現三分天下有其一的局面。

6 結 語

PTI/PTO推進模式是最近發展起來的一種推進方式，目前采用PTI/PTO推進的船舶還很少，隨著船舶推進技術發展，特別隨著精細化造船和綠色造船理念發展，估計后續采用PTI/PTO推進模式的船舶會越來越多，PTI/PTO推進模式涉及的技術十分豐富，需要對PTI/PTO推進系統進行深入分析和研究，進一步提高PTI/PTO推進系統應用范圍。

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Research on PTI/PTO propulsion sytem of ship synchronous motor

TAO Shao-lin, LU Ze-wen, QIAN Zhuang
(Wuchang Shipbuilding Heavy Industry Group Co., Ltd., Wuhan 430060, China)

The PTI/PTO propulsion is a new vessel propulsion method which is developed recentlyit has the advantage of the traditional diesel propulsion and the electrical propulsion, can achieve various vessel work modes, possess the features of good handling, the safety,economic and so on, it will be one of the develop direction of the vessel propulsion mode in the future, the reportintroduces the principle and work modes of the PTI/PTO propulsion, in order that the friends understand the propulsion mode, I hopethe reporthelpful to develop the vessel propulsion technology.

PTI/PTO；synchronous motor；vessel propulsion；reversibility

U661.31+3

A

1672 – 7649(2017)09 – 0105 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.021

2016 – 10 – 11；

2017 – 05 – 17

陶少琳(1961 – )，男，從事船舶技術管理工作。