軸帶發(fā)電機變頻器介紹

王進

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軸帶發(fā)電機變頻器介紹

王進

（泰州口岸船舶有限公司技術(shù)部，江蘇 泰州 225321）

在船舶運營過程中，燃油費用占船舶管理成本的比例較大，為了降低運營成本，同時，隨著全球綠色船舶、智能船舶的推廣，更多的船舶嘗試通過選擇安裝軸帶發(fā)電機及變頻器，從而充分利用船舶主機所儲備的冗余功率實現(xiàn)節(jié)能和節(jié)約目的，使主機既能正常運行，又能帶動軸帶發(fā)電機發(fā)電以滿足船舶正常航行的電力需要，提高船舶整體運行的經(jīng)濟性，并可大大降低發(fā)電噪聲，改善機艙環(huán)境。而軸帶發(fā)電機變頻器的使用，將使軸帶發(fā)電機的使用效益最大化，相比于傳統(tǒng)解決方案具有不可替代的作用。從幾個方面介紹了軸帶發(fā)電機變頻器，從而對軸帶發(fā)電機變頻器有更深的認識。

遠洋船舶；軸帶發(fā)電機；變頻器；船用電站

1 軸帶發(fā)電機變頻器的性能特點

1.1 方案對比

目前采用的軸帶發(fā)電機，根據(jù)螺旋槳的形式大致可以分成以下兩種類型[1]。

一類為變距槳船舶的軸帶發(fā)電機，它通過變距槳調(diào)節(jié)的方式使主機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不變，因此可以采用一般的三相交流同步發(fā)電機組。另一類為定距槳船舶的軸帶發(fā)電機，其主機轉(zhuǎn)速是變化的，經(jīng)常采用的是帶轉(zhuǎn)速補償裝置或頻率補償裝置的船用交流發(fā)電機組。

這類軸帶系統(tǒng)具體也分為兩種不同的結(jié)構(gòu)類型：①采用齒輪箱等機械裝置提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的永磁同步軸帶發(fā)電機系統(tǒng)；②通過采用變頻器調(diào)節(jié)補償?shù)玫胶泐l穩(wěn)壓交流電。在傳統(tǒng)的定速軸帶發(fā)電機系統(tǒng)中，軸帶發(fā)電機由船舶的主機驅(qū)動，而主機同時也負責驅(qū)動船舶的螺旋槳。在這種解決方案中，船舶電網(wǎng)頻率與螺旋槳的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速的任何變化都會對電網(wǎng)頻率產(chǎn)生直接影響。因此，推進力和船速只能通過控制螺旋槳螺距，這會導致主機承受非期望負荷，不僅降低了效率，而且增加了二氧化碳排放量。

軸帶發(fā)電機變頻器支持的主機轉(zhuǎn)速范圍十分廣泛，而且能夠隨時優(yōu)化螺旋槳螺距和主機轉(zhuǎn)速，以達到期望的航行速度。此外，無論主機轉(zhuǎn)速如何，該軸帶發(fā)電機變頻器都能夠保持穩(wěn)定的電壓和頻率。

1.2 降低燃油消耗

當軸帶發(fā)電機變頻器安裝于軸帶發(fā)電機輸出系統(tǒng)和配電系統(tǒng)之間，軸帶發(fā)電機可以獨立于軸轉(zhuǎn)速使用，以優(yōu)化船舶在每條航線的運行。同時，軸帶發(fā)電機變頻器還支持軸帶發(fā)電機與輔機并聯(lián)運行。這意味著與輔機相比主機更低的燃油消耗率的益處能夠得以充分利用。如果輔機使用船用柴油替代重質(zhì)燃油，兩者差異將更加明顯；輔機的潤滑油和維護成本相對高于主機的相應(yīng)成本。當軸帶發(fā)電機安裝于電機與配電系統(tǒng)之間，通過讓電機作為電動機或發(fā)電機運行，動力輸出（PTO）功能能輕松擴展為PTI（動力輸入）綜合功能。

1.3 在主機發(fā)生故障時能夠安全靠港

實際上，軸帶發(fā)電機變頻器使用輔機發(fā)的電可以控制軸帶發(fā)電機速度（電動模式）。因此，如果主機出現(xiàn)故障，輔機可以用于轉(zhuǎn)動主軸。這一功能使得在主機發(fā)生故障的情況下能夠繼續(xù)操縱船舶，增加冗余并提高安全性，使船舶成功駛?cè)敫劭诨颡毩踩２础?/p>

PTI模式還能在裝貨或卸貨期間對主機進行更多的維護工作，這是因為如果船舶被要求離開泊位，它能夠移到錨地。

1.4 更加安全

備用推進裝置至關(guān)重要，尤其在船舶必須穿過狹窄海峽、交通繁忙水域和靠近港口時，或在發(fā)電機維護期間。盡管如此，由于額外的安裝成本，船舶通常不使用備用推進-傳動系統(tǒng)。然而，軸帶發(fā)電機變頻器提供了一個適用于多用途操作（例如多種優(yōu)化轉(zhuǎn)速操作）以及在正常操作時使用的系統(tǒng)。在提高安全性之外還能提高燃油效率，增加船舶設(shè)計和運行的靈活性。

1.5 靈活的岸到船連接

所到岸有不同的可用電壓等級用于船舶連接，軸帶發(fā)電機變頻器可用于岸到船連接。該變頻器能夠?qū)⑷魏伟渡想娋W(wǎng)連接至船舶電網(wǎng)。另外，船舶可以在進港后關(guān)閉所有主機和輔機，這有助于節(jié)省燃油和降低二氧化碳和硫的排放。

1.6 多傳動配置

軸帶發(fā)電機變頻器可以配置為多傳動，如可集成貨艙泵和壓載泵的變頻器，從而更加合理地進行船舶電網(wǎng)的分配。

2 軸帶發(fā)電機的安裝方式

軸帶發(fā)電機可以安裝于軸線的不同位置，如圖1所示。圖1中，①直接安裝于主軸，②與齒輪箱一起安裝于主軸。

現(xiàn)有的定速軸帶發(fā)電機也可以通過軸帶發(fā)電機變頻器進行升級。這能夠優(yōu)化主機速度，實現(xiàn)任何航行速度。同時，軸帶發(fā)電機變頻器還能夠保證船舶的電網(wǎng)穩(wěn)定性。軸帶發(fā)電機變頻器還可以連接至船舶的自動化系統(tǒng)，包括電源管理系統(tǒng)（PMS），該變頻器可以由電橋直接控制或通過PMS自動控制。另外，軸帶發(fā)電機變頻器支持廣泛的發(fā)電機類型，例如同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機和感應(yīng)電機。

3 軸帶發(fā)電機的所有操作模式

3.1 PTO（孤島模式和并聯(lián)模式）[2]

如圖2所示，在動力輸出（PTO）操作中，軸帶發(fā)電機作為發(fā)電機運行。軸帶發(fā)電機變頻器可以孤島模式（單個發(fā)電機）運行或與其他輔機并聯(lián)運行。在與其他發(fā)電機并聯(lián)運行時，軸帶發(fā)電機變頻器利用下垂控制（Droop Control）調(diào)節(jié)電壓和頻率。這種情形下，軸帶發(fā)電機變頻器被用作系統(tǒng)的發(fā)電機之一。軸帶發(fā)電機變頻器可以補償電網(wǎng)的不平衡負載，還可以提供無功補償。

圖2 PTO模式：從軸帶發(fā)電機到船舶電網(wǎng)的能量流

3.2 PTI（電動和混合模式）[2]

如圖3所示，在動力輸入（PTI）操作模式中，軸帶發(fā)電機作為電動機運行，電力由輔機提供，而軸帶發(fā)電機變頻器操作電動機。在主機故障時，可以使用安全靠岸功能。主機可從軸線斷開，從而使軸帶發(fā)電機能獨立運行，以便維修主機。軸帶發(fā)電機的電動功率可以用于提高主機功率。軸帶發(fā)電機變頻器可驅(qū)動軸帶發(fā)電機/電動機與主機同步運行。

圖3 PTI模式：從輔機到軸帶發(fā)電機的能量流

3.3 岸到船

軸帶發(fā)電機變頻器為岸上電網(wǎng)連接提供了靈活的解決方案，可接入50 Hz或60 Hz電網(wǎng)，同時支持多種電壓等級。 輔機與岸上電源的切換是無縫的。輔機可在岸上電源與軸帶發(fā)電機變頻器連接時保持運行。在軸帶發(fā)電機變頻器與輔機同步后，可關(guān)閉輔機。這時，軸帶發(fā)電機變頻器將轉(zhuǎn)換為岸上供電為船舶提供所需電力。具體如圖4所示。

圖4 岸到船：從岸上電源到船舶電網(wǎng)的能量流

4 結(jié)束語

我國船舶工業(yè)已被列入振興裝備制造業(yè)的發(fā)展重點。但如何由大變強，值得我們造船人反省和思考。本文從多個方面詳細介紹了相關(guān)軸帶發(fā)電機變頻器的技術(shù)方案，對船舶建造、運營和制造商在選擇船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)時具有一定的借鑒作用。

［1］王炳義.船舶軸帶發(fā)電機的應(yīng)用及發(fā)展［J］.船舶電氣與通信，2015（03）：109-115.

［2］聶延生，劉鎮(zhèn)宇，劉運新，等.船舶軸帶發(fā)電機及其PTO/PTI工作方式的原理和應(yīng)用［J］.航海技術(shù)，2006（04）：42-44.

2095－6835（2019）01－0064－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.064

〔編輯：張思楠〕