可作電動(dòng)機(jī)使用的船舶軸帶發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行狀態(tài)切換方法

樊雙英，岳躍進(jìn)

（1. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097；2. 中船重工電機(jī)股份有限公司，山西 太原 030027）

可作電動(dòng)機(jī)使用的船舶軸帶發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行狀態(tài)切換方法

樊雙英1，岳躍進(jìn)2

（1. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097；2. 中船重工電機(jī)股份有限公司，山西 太原 030027）

一種可作電動(dòng)機(jī)使用的船舶軸帶發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行狀態(tài)切換方法，解決了現(xiàn)有的作為軸帶發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電與電動(dòng)兩種功能切換的技術(shù)難題。通過研究實(shí)現(xiàn)了當(dāng)船舶主機(jī)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時(shí)，將軸帶發(fā)電機(jī)用作電動(dòng)機(jī)，并用它驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，使船舶安全返回港口。

軸帶發(fā)電機(jī)；發(fā)電與電動(dòng)切換；電機(jī)起動(dòng)

0 引言

經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展使得海運(yùn)已經(jīng)成為最重要的運(yùn)輸方式之一。在船舶航運(yùn)費(fèi)用中，燃料費(fèi)用占50%～60%，國(guó)際石油危機(jī)的爆發(fā)及航運(yùn)的發(fā)展又令國(guó)際航運(yùn)造船界對(duì)于節(jié)能措施的要求越來越強(qiáng)烈。船舶主機(jī)采用重油作為燃料，價(jià)格便宜；燃油發(fā)電機(jī)使用輕質(zhì)燃油，價(jià)格高。而船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是由船舶主機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)供電的裝置，可充分利用主機(jī)10%～15%的功率儲(chǔ)備裕量，使主機(jī)運(yùn)行在高效率、低能耗的狀態(tài)，節(jié)省了輕質(zhì)燃油。對(duì)于貨船，一般來說其電站功率為主機(jī)額定功率的5%左右，軸帶發(fā)電機(jī)完全能滿足船舶正常運(yùn)行的電力需要。自20世紀(jì)70年代初軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開始裝船，至今已有30多年的發(fā)展歷史，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于大、中型集裝箱船上[1-2]。

隨造船技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)船舶運(yùn)行安全性的要求越來越高，當(dāng)船舶主機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)等緊急情況時(shí)，可由發(fā)電機(jī)組向軸帶發(fā)電機(jī)供電(將軸帶發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī))，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，保證船舶可緊急航行回到港口。通常把軸帶發(fā)電機(jī)的這種運(yùn)行模式稱為“POWETTAKE-IN”模式[3]。由于現(xiàn)在大部分船舶使用的都是無刷同步發(fā)電機(jī)，要以電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行時(shí)無法直接起動(dòng)。要使軸帶發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)這種功能，就必須解決軸帶發(fā)電機(jī)在作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的起動(dòng)問題，并實(shí)現(xiàn)該機(jī)的發(fā)電和電動(dòng)的兩種可逆運(yùn)行狀態(tài)的切換。

1 基本結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)運(yùn)行，如將靜止的同步電動(dòng)機(jī)通入勵(lì)磁電流后直接投入電網(wǎng)，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子上承受的是交變的脈振轉(zhuǎn)矩，平均值為零。因此，同步電動(dòng)機(jī)不能自起動(dòng)，而必須借助其他方法，至今，起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)最普遍使用的方法是采用阻尼繞組[4]。

本文提供了一種可作電動(dòng)機(jī)使用的船舶軸帶發(fā)電機(jī)，并能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)與發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)切換。

船舶軸帶發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理如下：圖1所示，包括電機(jī)機(jī)座2和電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸1，在電機(jī)機(jī)座2上分別設(shè)置有電機(jī)接線盒7和可同時(shí)提供三相交流勵(lì)磁電流和直流勵(lì)磁電流的勵(lì)磁電源6，在電機(jī)機(jī)座2內(nèi)分別設(shè)置有交流電機(jī)定子三相繞組3和勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組9，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸1上從左向右依次設(shè)置有交流電機(jī)轉(zhuǎn)子集中繞組4、旋轉(zhuǎn)整流器5和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組8，交流電機(jī)定子三相繞組3的三相繞組的三相引接線與電機(jī)接線盒7中的三相接線端子U、V、W對(duì)應(yīng)連接在一起，交流電機(jī)轉(zhuǎn)子集中繞組4的正端引接線與旋轉(zhuǎn)整流器5的正接線端子連接在一起，交流電機(jī)轉(zhuǎn)子集中繞組4的負(fù)端引接線與旋轉(zhuǎn)整流器5的負(fù)接線端子連接在一起，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組8的三相繞組的三相引接線與旋轉(zhuǎn)整流器5的三相接線端子對(duì)應(yīng)連接在一起，勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組9中的三相繞組的三相引接線與三極直流開關(guān)11的三個(gè)輸出端子對(duì)應(yīng)連接，三極直流開關(guān)11的三個(gè)輸入端子中的任意兩個(gè)端子短接后與勵(lì)磁電源6的直流正接線端子F1連接在一起，三極直流開關(guān)11的未短接輸入端子與勵(lì)磁電源6的直流負(fù)接線端子F2連接在一起，勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組9中的三相繞組的三相引接線還與三相交流開關(guān)10的三個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接，三相交流開關(guān)10的三個(gè)輸入端與勵(lì)磁電源6的三個(gè)交流端子UF、VF、WF對(duì)應(yīng)連接。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2 工作機(jī)理

常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)是由主機(jī)與勵(lì)磁機(jī)組成[5]，其設(shè)計(jì)原理圖，如圖2所示，勵(lì)磁機(jī)為主機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁。由于原勵(lì)磁機(jī)定子繞組為集中繞組由直流供電，這樣電機(jī)在零轉(zhuǎn)速的情況下，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子不能切割磁場(chǎng)，因而，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子不會(huì)產(chǎn)生電壓，也就沒法提供給主機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。

而要實(shí)現(xiàn)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行又能起動(dòng)，我們將勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原理如圖 3所示，勵(lì)磁定子繞組更改為三相分布繞組，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸入勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組輸入三相交流電，勵(lì)磁機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)交流異步電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)的定子采用交流進(jìn)行勵(lì)磁，這樣即使在零轉(zhuǎn)速下，仍然可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)在切割轉(zhuǎn)子繞組時(shí)會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出交流電，進(jìn)而為同步電機(jī)提供勵(lì)磁，使同步電機(jī)有能力實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)。

該可作電動(dòng)機(jī)使用的船舶軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換方法，如圖4所示。

圖2 常規(guī)同步發(fā)電機(jī)原理圖

圖3 新型軸帶發(fā)電機(jī)

圖4 發(fā)電與電動(dòng)的切換

作為電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，打開三極直流開關(guān) 11，接通勵(lì)磁電源6中三個(gè)交流端子UF、VF、WF，閉合三相交流開關(guān)10，為勵(lì)磁機(jī)定子提供三相交流電，實(shí)現(xiàn)船舶軸帶發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

由電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為發(fā)電運(yùn)行時(shí)，將三相交流開關(guān)10斷開，將三極直流開關(guān)11閉合時(shí)，勵(lì)磁電源6中二個(gè)直流端子F1、F2接通直流電源，為勵(lì)磁機(jī)定子繞組9提供直流勵(lì)磁電，實(shí)現(xiàn)了船舶軸帶發(fā)電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

[1] 李亮, 劉以建, 喻多祥. 船舶軸帶發(fā)電機(jī)的發(fā)展與新方法的研究[M]. 船電技術(shù), 2009, 29(5): 59-63.

[2] 尹志斌, 孫培廷, 黃連中. 船用主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)[J].世界海運(yùn), 2002, 25 (3):98-102.

[3] 李飛. 軸帶發(fā)電機(jī)的 PTI模式紹[J]. 江蘇船舶，2005(2): 25-29.

[4] Stephen J, 劉新正, 蘇少平, 等. 電機(jī)學(xué)(第五版)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

[5] 黃國(guó)治, 傅豐禮. 中小旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2003.

Ship Shaft Generator used as Electric Motor and its Operating Status Switching Method

FAN Shuang-ying1, YUE Yue-jin2
(1. Beijing CSE ElectricTechnology Co., Ltd., Beijing 100097, China; 2. CSIS Electrical Machinery Science &Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

A ship shaft generator used as electric motor and its operating status switching method can solve the technical problem of shaft generator’s function switching between power generation and electric motion. Based on the research, it is found feasible that the shaft generator can be used as electric motor when failure (emergency stop) occurs to the main engine of the ship. The shaft generator is used to drive the propeller and the ship can thus return to the port safely.

shaft generator; switching method of motor and generator; motor starting

T18

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.008

樊雙英（1974-），女，碩士，研究方向：電機(jī)電氣及控制。