8 000 m3自航式絞吸挖泥船驅(qū)動(dòng)電軸系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

龍 瑋

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著我公司業(yè)務(wù)領(lǐng)域的開拓以及挖泥船國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快，我公司產(chǎn)品也向船用電機(jī)行業(yè)發(fā)展，尤其是挖泥船業(yè)務(wù)訂單日益增多，船用電機(jī)規(guī)格也逐漸增大。我國(guó)傳統(tǒng)的挖泥船曾采用液壓驅(qū)動(dòng)水下泥泵，既不環(huán)保，效率也偏低，因此現(xiàn)在多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵；另外，由于船舶電網(wǎng)的容量有限，直接啟動(dòng)泥泵電動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的較大沖擊電流對(duì)電力設(shè)備和電網(wǎng)、甚至船體造成的損傷都不容小覷，而用柴油發(fā)電機(jī)帶動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵鉸刀能很好的解決這一缺陷。

本項(xiàng)目同步發(fā)電機(jī)是我公司為目前國(guó)內(nèi)乃至世界最大的8 000 m3自航式絞吸挖泥船8 000 kW鉸刀驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)配套的船用水下泥泵電軸系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)，采用無(wú)刷勵(lì)磁，整個(gè)電軸系統(tǒng)中原動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)，柴油機(jī)通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)相連，而發(fā)電機(jī)一對(duì)一的通過電纜線與4 000 kW的泥泵電動(dòng)機(jī)連接，此類電纜我們通常稱之為電軸，由柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、齒輪箱以及連接電纜組成的傳動(dòng)鏈我們稱為電軸系統(tǒng)。由于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間無(wú)需聯(lián)軸器連接，可以減少船體空間對(duì)整個(gè)系統(tǒng)布置的限制。此次設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)安裝于船艙內(nèi)，可以大大減少鹽霧腐蝕，增加電機(jī)壽命，電動(dòng)機(jī)由于通過橋架連接吸泥泵和鉸刀直接進(jìn)入水下作業(yè)，因此被放置在船艙外的甲板上。

對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足異步電機(jī)起動(dòng)要求的同時(shí)減小電機(jī)尺寸，在保證性能的前提下，選用國(guó)產(chǎn)材料，同時(shí)滿足客戶要求。

1 電軸系統(tǒng)運(yùn)行原理

整個(gè)電軸系統(tǒng)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)采用強(qiáng)勵(lì)的方式，帶勵(lì)磁機(jī)，發(fā)電機(jī)通過聯(lián)軸器與柴油機(jī)相連，空載起動(dòng)至80%額定轉(zhuǎn)速后開始投勵(lì)；由于發(fā)電機(jī)通過連接電纜直接給電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)在頻率和電壓均下降的情況下開始起動(dòng)。吸泥泵電動(dòng)機(jī)相對(duì)于帶鉸刀的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的負(fù)載要大一些，因此本項(xiàng)目選取吸泥泵電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)的一部分進(jìn)行分析。泥泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的大電流勢(shì)必造成發(fā)電機(jī)端電壓的瞬態(tài)跌落，由于發(fā)電機(jī)同泥泵電動(dòng)機(jī)容量相近，電壓的跌落值必然很大，從而使泥泵電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩大大降低，為保證泥泵電動(dòng)機(jī)的成功起動(dòng)，必須根據(jù)泥泵電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩曲線，控制發(fā)電機(jī)端電壓的跌落幅值，以滿足泥泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求。

2 規(guī)格和技術(shù)參數(shù)

2.1 同步發(fā)電機(jī)的規(guī)格和技術(shù)參數(shù)

功 率：5 375 kVA

額定電壓：6300 V

額定電流：493 A

極 數(shù)：6 P

頻 率：50 Hz

轉(zhuǎn) 速：1 000 r/min

功率因數(shù)：0.8

相 數(shù)：3

定子繞組接法：Y

絕緣等級(jí)：F(B級(jí)考核)

工 作 制：S1(連續(xù)定額)

冷卻方法：IC 86W

安裝型式：IM 1101

防護(hù)等級(jí)：IP44(本體)IP54(出線盒)

2.2 勵(lì)磁機(jī)基本參數(shù)(勵(lì)磁機(jī)交流側(cè))

額定功率：26.83 kVA

額定頻率：133.33 Hz

額定電樞線電壓：67.67 V

額定轉(zhuǎn)速：1 000 r/min

三相電樞接法：Y

2.3 勵(lì)磁機(jī)所帶旋轉(zhuǎn)整流盤額定直流輸出參數(shù)

功 率：22.45 kW

電 壓：75.5 V

電 流：297 A

3 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)思路

同步發(fā)電機(jī)通過電纜線與異步電動(dòng)機(jī)相連，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的大電流，對(duì)同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生巨大的沖擊，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓瞬間跌落，同時(shí)使得電動(dòng)機(jī)的端電壓也大幅下降。電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與端電壓的平方成正比，使得電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很低；如果過低，電動(dòng)機(jī)將無(wú)法起動(dòng)成功，電動(dòng)機(jī)變成堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。即使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩稍大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如果起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，大電流的長(zhǎng)時(shí)間起動(dòng)過程也將使電動(dòng)機(jī)的線圈發(fā)熱嚴(yán)重。因此要避免該情況的發(fā)生，在電磁設(shè)計(jì)時(shí)要保證同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，控制好異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證電動(dòng)機(jī)在安全的時(shí)間內(nèi)正常起動(dòng)。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓突降值根據(jù)下面公式進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)用戶提供的泥泵負(fù)載特性曲線如圖1所示，發(fā)電機(jī)端電壓跌落瞬間，要保證電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩高于0.25負(fù)載轉(zhuǎn)矩，才能使電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。因此我們將該條件作為依據(jù)之一進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)。

圖1 泥泵負(fù)載特性曲線

4 該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 發(fā)電機(jī)為臥式，一端圓柱軸伸，帶平鍵。采用SKF的球面滾子軸承23052CC/C3W33，考慮到本電機(jī)位于船上，有傾斜、搖擺等要求，滾動(dòng)軸承需經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，以滿足正常運(yùn)行要求，發(fā)電機(jī)總裝配如圖3所示。由于發(fā)電機(jī)置于挖泥船艙內(nèi)，散熱環(huán)境差，導(dǎo)致軸承的溫升相對(duì)較高，為保證軸承安全可靠采用高溫油脂潤(rùn)滑。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性曲線

圖3 發(fā)電機(jī)總裝配圖

4.2 定子為外壓裝結(jié)構(gòu)，鐵心壓裝好，VPI整浸后再壓入機(jī)座。機(jī)座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)座焊接后需要作消除應(yīng)力處理。機(jī)座鐵心部分兩機(jī)壁之間加兩道中壁，以加強(qiáng)機(jī)座剛度及穩(wěn)定性。

4.3 本電機(jī)采用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁方式，整個(gè)勵(lì)磁機(jī)裝于機(jī)座內(nèi)；即勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子裝于電機(jī)軸上，勵(lì)磁機(jī)的定子固定在主電機(jī)非軸伸端端蓋內(nèi)側(cè)，從而使電機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊。

4.4 發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)通風(fēng)，帶空-水冷卻器，冷卻器為整體抽出式，方便維修或更換。冷卻器置于發(fā)電機(jī)頂部。由于該挖泥船在入海口的航道內(nèi)作業(yè)，因此冷卻水選用海水，方便且經(jīng)濟(jì)。但是作業(yè)當(dāng)中的挖泥船周圍水質(zhì)混濁，含有大量泥沙，加上海水對(duì)冷卻水管有腐蝕作用，為保證冷卻器的使用壽命，增加電機(jī)運(yùn)行的安全性，此次冷卻器冷卻水管采用耐海水腐蝕的BFe30-1-1銅管，并且采用雙管結(jié)構(gòu)形式的冷卻水管；在安全監(jiān)控方面，冷卻器裝有漏水報(bào)警裝置。

4.5 發(fā)電機(jī)帶電加熱器，參數(shù)為AC380 V、2×800 W、50 Hz。

4.6 發(fā)電機(jī)設(shè)有差動(dòng)保護(hù)用互感器3只，滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中對(duì)船用發(fā)電機(jī)安全性能的保證要求。

4.7 整流元件的安裝較之前做出了改進(jìn)，老結(jié)構(gòu)的整流元件布置如圖4所示裝于電機(jī)軸上，通過與電機(jī)軸的接觸散熱。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心作用，使得整流元件工作一段時(shí)間后容易松動(dòng)、散熱效果變差，曾出現(xiàn)過整流元件溫度過高而燒壞的情況。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，整流元件裝于勵(lì)磁機(jī)上，沿軸向固定，勵(lì)磁機(jī)上設(shè)有一圓盤，徑向方向?qū)φ髟哂兄雇谱饔?，使得整流元件的安裝更加可靠，新結(jié)構(gòu)整流元件布置如圖5所示。

5 發(fā)電機(jī)調(diào)試數(shù)據(jù)

電軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)使異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍為80%～100%額定轉(zhuǎn)速，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示，符合鉸刀和泥泵的作業(yè)特性。整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試過程中，通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率，能夠使電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)并調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)試過程包括空載運(yùn)行和打清水試驗(yàn)，整個(gè)調(diào)試過程中，發(fā)電機(jī)各項(xiàng)溫升指標(biāo)正常，完全滿足用戶要求。

圖4 老結(jié)構(gòu)的整流元件布置

圖5 新結(jié)構(gòu)的整流元件布置

圖6 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

6 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目電機(jī)是目前國(guó)內(nèi)及世界最大功率的自航式絞吸挖泥船用水下泥泵電軸系統(tǒng)配套發(fā)電機(jī)，產(chǎn)品要求高，加工難度大。發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了起動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)拖動(dòng)容量相當(dāng)?shù)拇笮彤惒侥啾秒妱?dòng)機(jī)引起的電勢(shì)跌落而導(dǎo)致的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小的情況。通過對(duì)電磁方案進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起動(dòng)過程進(jìn)行仿真，確保了泥泵電動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。另外，將發(fā)電機(jī)電磁與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過三維設(shè)計(jì)，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，并引進(jìn)先進(jìn)的加工技術(shù)，使電機(jī)最大程度上做到了結(jié)構(gòu)合理、高效、經(jīng)濟(jì)。試制完成后的型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示電機(jī)性能優(yōu)越，完全能滿足技術(shù)協(xié)議要求。電機(jī)的研制過程穩(wěn)定可靠，通過中國(guó)船級(jí)社(CCS)認(rèn)證，取得了CCS的產(chǎn)品檢驗(yàn)證書。發(fā)電機(jī)的先進(jìn)性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，形成了技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升了上電品牌的國(guó)內(nèi)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。