船舶轴带发电机转为推进电动机的功能实现

刘英杰

（交通运输部北海救助局,烟台 264012）

船舶轴带发电机转为推进电动机的功能实现

刘英杰

（交通运输部北海救助局,烟台 264012）

双主机驱动双CPP螺旋桨是目前三用工作船的主要推进方式，这些船舶主机一般都经齿轮箱同时驱动轴带发电机，作为船舶大负载的供应电源，轴带发电机作为推进电动机使用的实例很少。本文主要介绍和分析某艘船舶轴带发电机转变为推进电动机使用，实现单主机驱动双桨过程中，电机如何实现异步启动、同步运行及失步保护功能。通过这种设计在提高船舶设备利用率同时，大大提高了船舶低速航行的经济性和稳定性。

轴带发电机 推进电动机 异步 同步

0 引言

船舶推进技术的快速发展带动了船舶业的飞速发展，特别是电力推进技术的成熟，使船舶的机动性、可靠性有了显著提高，而电力推进方式则是作业精度要求高的海洋工程船舶的首选。但相对于传统推进方式的船舶，电力推进船舶的唯一缺点是造价过高，这使得一些对作业精度要求不苛刻的工作船仍然采用传统推进方式。作为传统推进方式的典型代表就是两台主机分别通过变速齿轮箱和轴系驱动可变螺距螺旋桨（CPP）。这种船舶在全速航行时，一般采用双机双桨操作模式。在考虑经济性需低速航行时往往采用单机单桨压舵的操作模式。双桨船舶采用单桨航行不仅会降低操纵性能，也会影响功效的发挥。这种船舶的设备配置还有一个共性，一般主机均驱动大容量的轴带发电机，主要用于船舶作业时侧推和拖缆机的电力供应。鉴于低速航行时这些设备一般不运行，为提高船舶在此种状态下的操纵性和经济性，我们在一艘船舶的设计时提出将轴带发电机的工作模式由单纯的发电模式，转变为发电和电动两种模式，并通过推进齿轮箱结构的变换，实现单台主机驱动双桨的目的。这其中通过三个环节设计，最终实现功能的要求：1）电机异步启动；2）牵入同步运行；3）失步保护。

1 推进系统基本情况

该船舶推进系统基本配置为：主机2台；推进齿轮箱2台；CPP2台；轴带发电机（可作为推进电动机运行）2台。推进系统齿轮箱为垂直偏心双速比输出型式，内部设置了3套液压驱动的多摩擦片式离合器，分别为主离合器、PTO（发电模式）离合器和PTI（电动模式）离合器。

图1 主齿轮箱离合器布置原理图

从齿轮箱内离合器布置原理图可知（见图1），主离合器设置在齿轮箱的输入轴上，另外两套离合器均设置在轴带发电机的输入轴上，通过对齿轮箱内三套离合器的状态变换，实现多种螺旋桨运行模式以适应不同的工况需要。

三套离合器均采用软接排方式，以保证接排动作平稳。主离合器通常在主机怠速时进行接排，PTO和PTI离合器具有在额定转速下接排的能力，实际操作中，尽可能采用低速接排方式。软接排是通过控制液压作用于活塞的作用力大小，从而使离合器摩擦片结合度变化，达到平稳离合效果，具体过程这里不详细论述。

2 轴带发电机转变为推进电动机的技术实现

2.1 推进电动（PTI）模式的启动方式选择

在双机均处于额定转速，一台轴发转为电动机运行时，由于两台电机转速相同，将一台改变运行模式，进入同步运行状态后，再停止相应的主机是安全可靠的转换模式，但船舶使用中经常需要或必须在只有一台主机运行的情况下直接实现双桨运行，这就需要一台处于停止状态的轴发被另一台正常运行的轴发启动并带入同步。同步电动机的结构特点决定其本身不具备自启动能力【1】，常用的变频启动、自耦变压器降压启动、外部电机拖动启动等方式都需配备相应的设备，占用机舱宝贵的空间，且经济成本较高。所以只有选择在不增加外围设备，保证机舱空间的前提下实现启动的启动方式。限流异步启动方式成为我们的选择方式。所谓限流异步启动，一方面是在启动过程中对对外供电轴发的输出电流进行限制，使之不会超出本身的负荷能力，另一方面是对由轴发转变过来的同步电动机采用异步启动方式启动。因此，轴发在作为同步电动机使用时在结构上不仅需要符合异步启动的要求，而且在外部控制上也应当具有相应的控制方式。

2.2 电机转子结构特点

鼠笼式异步启动是船舶最常见的电机启动方式。当电机定子绕组接入三相交流电后，在气隙中产生旋转磁场，旋转磁场切割转子鼠笼导体产生感应电流，电流与旋转磁场相互作用，产生旋转力矩而启动运行。为此除在保留电机发电时需要的转子励磁线圈外，在励磁线圈外表面设置类似的鼠笼，鼠笼通常由嵌入磁极表面的铜条组成，铜条两端用短路环连接[2]，在异步启动时起到鼠笼转子的作用。异步启动后期对转子励磁绕组投入励磁牵入同步，转子和定子转差率为零，鼠笼中没有电流，实现异步启动的功能，励磁绕组开始作用，保证电机的同步运行。

2.3 异步启动和同步接入的控制实现

轴发在作为电动机使用的启动阶段，虽然通过转子内埋鼠笼的方式满足了异步启动的基本条件，但在此期间的转子绕组和励磁回路的工作状态，也会影响电机的启动。异步启动同时，励磁绕组切割定子绕组产生的旋转磁场，如果励磁绕组处于开路状态，绕组两端会感应出很高的电压，可能导致绕组被击穿。如果励磁绕组形成回路，可能产生较大电流，以致烧坏绕组或励磁整流元件。为此在异步启动时需对励磁绕组的工作状态进行适时控制，以达到相应的条件。

2.3.1 励磁绕组控制的基本原理

图2 同步电动机异步启动过程简图

图2是实现励磁回路控制的基本原理简图。R的阻值相当于励磁绕组直流电阻值的5—10倍。启动时，开关K转到启动位置，R用来降低回路电压和降低转子励磁绕组产生的对异步启动不利的附加转矩作用。异步启动后期，开关K转到运行位置，接通励磁回路，进入同步运行模式。

通过机械式开关或接触器实现上述功能，对于高速运行的无刷励磁电机是很难实现的。

2.3.2 晶闸管实现励磁绕组运行控制

图3 两种不同转子内部回路图

为解决上述难题，在转子励磁回路中采用将一个晶闸管V30和控制模块U30及控制回路固定在转子圆盘上的办法实现相应控制（见图3）。模块U30又称点火模块，主要作用为控制或触发电机转子励磁回路的通电工作，管脚2和3分别接至整流回路的正极和负极两侧，当电机定子绕组没接入电源且转子处于静止时，励磁机转子对应的励磁绕组G3受外部控制处于无电状态，励磁机转子绕组中没有感应电流，三相整流回路没有整流电流产生，模块管脚2和3两端电压为零。其控制管脚4没有触发信号给V30，转子励磁回路处于断开状态。当电动机定子绕组供电进行异步启动时，只要励磁机定子绕组G3断电，励磁机及整流回路中就没有电流通过，晶闸管V30关断，转子励磁绕组G1/M1感应的电压通过并联的电阻R30放电，避免励磁绕组电压过高，同时转子鼠笼在旋转磁场的作用下启动旋转，并逐渐加速。当转速达到同步转速的95%左右时，电源管理系统（这里不进行描述）发出指令，接通励磁系统电源，定子绕组G3通电，励磁机转子绕组感应出交流电，通过整流电路V1输出直流电，模块U30两端有电，当管脚4输出的脉冲电压大于10V时，触发晶闸管V30导通，转子励磁回路接通，励磁绕组产生转子磁场，在定子旋转磁场作用下牵入同步，完成了异步启动到同步运转的过程。

2.4 启动过程中的限流控制

通过以上技术设计，很好地解决了电机的异步启动问题，但鼠笼电机的全电压直接异步启动的启动电流是额定电流的5-7倍[3]，电站系统是无法承受如此大的电流的。为了保证电机启动运行时船舶供电系统的安全，我们选择了限流启动方式，即在异步启动时，限制轴发的输出电流，将其限定在安全电流范围内。轴发的发电背包箱内设置了一个限流模块，以发电机输出电流为控制对象，将测得的实际电流与设定电流比较处理后，将信号提供给自动电压调整装置，再由自动电压调整装置对轴发的励磁电流进行调节，通过控制轴发的端电压达到限制输出电流的目的。在系统进入PTI模式运行，开始异步启动时，投入限流模块，启动过程结束后将其退出。

3 失步故障及保护

电机处于同步运行时，受外部干扰及自身故障影响，可能出现失步故障，即同步电动机的转子转速低于定子旋转磁场的转速，其失步故障通常有3种：

3.1 断电失步

断电失步即电源断开，电动机自行停止运行。不论何种原因引起的开关脱扣，都会造成电动机停转而导致PTI模式停止。由于电站管理系统中没有设置自整步重新自动合闸功能，因而断电失步不论对轴发还是电动机本身都不会造成损害。此时应查清脱扣原因，排除故障再重新起动。

3.2 带励失步

带励失步指因供电电压降低引起同步电动机的电磁转矩下降，同时在电动机转子励磁基本正常的情况下，因电动机负荷大幅突增，导致同步电动机转速下降出现的失步现象。带励失步对电动机造成的损害主要在于脉振转矩长时间（十几秒或更长）的反复作用，产生疲劳效应，并引起电气或机械共振，造成定子绕组端部绑扎线崩断，定子铁芯松动，绕组绝缘损坏，以及转子鼠笼条端环连接部位断裂等故障。带励失步时配电板上的电压表及电流表读数会发生大幅波动，同时电动机会发出异常声响、震动等。尽管具有过流保护功能，但因电流波动及反时限影响，有时不能立刻产生脱扣操作，因此极端恶劣海况下建议不选用PTI模式。

3.3 失磁失步

同步电动机转子内部励磁回路断开或外部励磁控制故障，造成转子励磁消失而处于异步运行状态为失磁失步。此时电动机仍能驱动螺旋桨继续运行，外部无明显的噪音和振动。但若长时间运行，会导致转子励磁绕组及鼠笼绕组发热，鼠笼绕组此时起着运转绕组的作用，时间长了会发热烧坏。当发生失磁失步时，配电板的功率因数表会从同步运行时的0.96-0.98（容性），降为0.8左右（感性）甚至更低。这时两个螺旋桨的转速及轴发与电动机的转速会出现明显差异。为了能及时检测到失磁失步的发生，在配电板的管理系统中设置了无功功率测量装置，在PTI模式运行时，一旦电动机回路出现感性无功功率并大于一定数值时，就会发出失步报警，同时输出信号给推进系统，脱开PTI离合器，卸掉电动机负荷，之后脱开电动机主开关停止电机运行。

4 结束语

在船舶设备配置基本不变的情况下，轴带发电机由单一的发电模式，通过科学的设计和结构改进，并加以适当的外部控制实现发电、电动两种模式运行，是在传统推进方式基础上进行的大胆尝试，收到良好效果。不仅保证了机舱空间的有效利用，而且大大提升了船舶低速航行时的操纵性和功效的发挥。

[1] 潘再平, 杨莉 .电机、拖动及电力系统[M]. 北京：机械工业出版社, 2015, 297-298.

[2] 李发海, 朱东起. 电机学[M]. 北京： 科学出版社, 2013, 269-270. [3] 汤藴璆. 电机学[M]. 北京： 机械工业出版社, 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

刘英杰（1965-）男，高级工程师。研究方向：船舶电气。