8 000 m3自航式绞吸挖泥船驱动电轴系统同步发电机的设计理念及结构特点

龙 玮

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着我公司业务领域的开拓以及挖泥船国产化进程的加快，我公司产品也向船用电机行业发展，尤其是挖泥船业务订单日益增多，船用电机规格也逐渐增大。我国传统的挖泥船曾采用液压驱动水下泥泵，既不环保，效率也偏低，因此现在多采用电动机驱动泥泵；另外，由于船舶电网的容量有限，直接启动泥泵电动机时产生的较大冲击电流对电力设备和电网、甚至船体造成的损伤都不容小觑，而用柴油发电机带动异步电动机驱动泥泵铰刀能很好的解决这一缺陷。

本项目同步发电机是我公司为目前国内乃至世界最大的8 000 m3自航式绞吸挖泥船8 000 kW铰刀驱动电动机配套的船用水下泥泵电轴系统同步发电机，采用无刷励磁，整个电轴系统中原动机为柴油机，柴油机通过联轴器与发电机相连，而发电机一对一的通过电缆线与4 000 kW的泥泵电动机连接，此类电缆我们通常称之为电轴，由柴油机、同步发电机、异步电动机、齿轮箱以及连接电缆组成的传动链我们称为电轴系统。由于发电机和电动机之间无需联轴器连接，可以减少船体空间对整个系统布置的限制。此次设计，发电机安装于船舱内，可以大大减少盐雾腐蚀，增加电机寿命，电动机由于通过桥架连接吸泥泵和铰刀直接进入水下作业，因此被放置在船舱外的甲板上。

对发电机进行优化设计，满足异步电机起动要求的同时减小电机尺寸，在保证性能的前提下，选用国产材料，同时满足客户要求。

1 电轴系统运行原理

整个电轴系统由柴油机驱动同步发电机，发电机采用强励的方式，带励磁机，发电机通过联轴器与柴油机相连，空载起动至80%额定转速后开始投励；由于发电机通过连接电缆直接给电动机供电，电动机在频率和电压均下降的情况下开始起动。吸泥泵电动机相对于带铰刀的电动机起动时的负载要大一些，因此本项目选取吸泥泵电动机作为系统的一部分进行分析。泥泵电动机起动时的大电流势必造成发电机端电压的瞬态跌落，由于发电机同泥泵电动机容量相近，电压的跌落值必然很大，从而使泥泵电动机的起动力矩大大降低，为保证泥泵电动机的成功起动，必须根据泥泵电动机的起动力矩曲线，控制发电机端电压的跌落幅值，以满足泥泵电动机起动要求。

2 规格和技术参数

2.1 同步发电机的规格和技术参数

功 率：5 375 kVA

额定电压：6300 V

额定电流：493 A

极 数：6 P

频 率：50 Hz

转 速：1 000 r/min

功率因数：0.8

相 数：3

定子绕组接法：Y

绝缘等级：F(B级考核)

工 作 制：S1(连续定额)

冷却方法：IC 86W

安装型式：IM 1101

防护等级：IP44(本体)IP54(出线盒)

2.2 励磁机基本参数(励磁机交流侧)

额定功率：26.83 kVA

额定频率：133.33 Hz

额定电枢线电压：67.67 V

额定转速：1 000 r/min

三相电枢接法：Y

2.3 励磁机所带旋转整流盘额定直流输出参数

功 率：22.45 kW

电 压：75.5 V

电 流：297 A

3 发电机设计思路

同步发电机通过电缆线与异步电动机相连，电动机起动时的大电流，对同步发电机产生巨大的冲击，导致发电机的机端电压瞬间跌落，同时使得电动机的端电压也大幅下降。电动机的起动转矩与端电压的平方成正比，使得电动机的起动转矩很低；如果过低，电动机将无法起动成功，电动机变成堵转状态。即使起动转矩稍大于负载转矩，如果起动时间过长，大电流的长时间起动过程也将使电动机的线圈发热严重。因此要避免该情况的发生，在电磁设计时要保证同步发电机的机端电压，控制好异步电动机的起动转矩，保证电动机在安全的时间内正常起动。发电机的机端电压突降值根据下面公式进行计算：

根据用户提供的泥泵负载特性曲线如图1所示，发电机端电压跌落瞬间，要保证电动机的输出转矩高于0.25负载转矩，才能使电动机正常起动。因此我们将该条件作为依据之一进行电磁设计。

图1 泥泵负载特性曲线

4 该发电机结构设计特点

4.1 发电机为卧式，一端圆柱轴伸，带平键。采用SKF的球面滚子轴承23052CC/C3W33，考虑到本电机位于船上，有倾斜、摇摆等要求，滚动轴承需经过特殊设计，以满足正常运行要求，发电机总装配如图3所示。由于发电机置于挖泥船舱内，散热环境差，导致轴承的温升相对较高，为保证轴承安全可靠采用高温油脂润滑。

图2 异步电动机起动特性曲线

图3 发电机总装配图

4.2 定子为外压装结构，铁心压装好，VPI整浸后再压入机座。机座为钢板焊接结构，机座焊接后需要作消除应力处理。机座铁心部分两机壁之间加两道中壁，以加强机座刚度及稳定性。

4.3 本电机采用无刷旋转整流励磁方式，整个励磁机装于机座内；即励磁机的转子装于电机轴上，励磁机的定子固定在主电机非轴伸端端盖内侧，从而使电机结构更紧凑。

4.4 发电机采用密闭循环通风，带空-水冷却器，冷却器为整体抽出式，方便维修或更换。冷却器置于发电机顶部。由于该挖泥船在入海口的航道内作业，因此冷却水选用海水，方便且经济。但是作业当中的挖泥船周围水质混浊，含有大量泥沙，加上海水对冷却水管有腐蚀作用，为保证冷却器的使用寿命，增加电机运行的安全性，此次冷却器冷却水管采用耐海水腐蚀的BFe30-1-1铜管，并且采用双管结构形式的冷却水管；在安全监控方面，冷却器装有漏水报警装置。

4.5 发电机带电加热器，参数为AC380 V、2×800 W、50 Hz。

4.6 发电机设有差动保护用互感器3只，满足《钢质海船入级规范》中对船用发电机安全性能的保证要求。

4.7 整流元件的安装较之前做出了改进，老结构的整流元件布置如图4所示装于电机轴上，通过与电机轴的接触散热。电机旋转时，由于离心作用，使得整流元件工作一段时间后容易松动、散热效果变差，曾出现过整流元件温度过高而烧坏的情况。结构改进后，整流元件装于励磁机上，沿轴向固定，励磁机上设有一圆盘，径向方向对整流元件具有止推作用，使得整流元件的安装更加可靠，新结构整流元件布置如图5所示。

5 发电机调试数据

电轴系统设计使异步电动机的调速范围为80%～100%额定转速，异步电动机转矩-转速曲线如图6所示，符合铰刀和泥泵的作业特性。整个系统调试过程中，通过调节柴油机的转速和同步发电机的励磁电流来调节异步电动机的电压和频率，能够使电动机正常起动并调节电动机的转速。调试过程包括空载运行和打清水试验，整个调试过程中，发电机各项温升指标正常，完全满足用户要求。

图4 老结构的整流元件布置

图5 新结构的整流元件布置

图6 电动机转矩-转速曲线

6 结语

项目电机是目前国内及世界最大功率的自航式绞吸挖泥船用水下泥泵电轴系统配套发电机，产品要求高，加工难度大。发电机在设计时充分考虑了起动时发电机拖动容量相当的大型异步泥泵电动机引起的电势跌落而导致的起动转矩变小的情况。通过对电磁方案进行反复调整，并对整个系统起动过程进行仿真，确保了泥泵电动机能正常起动。另外，将发电机电磁与结构设计同现代计算机技术相结合，通过三维设计，优化电机结构，并引进先进的加工技术，使电机最大程度上做到了结构合理、高效、经济。试制完成后的型式试验数据显示电机性能优越，完全能满足技术协议要求。电机的研制过程稳定可靠，通过中国船级社(CCS)认证，取得了CCS的产品检验证书。发电机的先进性达到国际先进水平，形成了技术和市场优势，进一步提升了上电品牌的国内和国际竞争力。