王進(jìn)

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軸帶發(fā)電機(jī)變頻器介紹

王進(jìn)

（泰州口岸船舶有限公司技術(shù)部，江蘇 泰州 225321）

在船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，燃油費(fèi)用占船舶管理成本的比例較大，為了降低運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)，隨著全球綠色船舶、智能船舶的推廣，更多的船舶嘗試通過(guò)選擇安裝軸帶發(fā)電機(jī)及變頻器，從而充分利用船舶主機(jī)所儲(chǔ)備的冗余功率實(shí)現(xiàn)節(jié)能和節(jié)約目的，使主機(jī)既能正常運(yùn)行，又能帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電以滿足船舶正常航行的電力需要，提高船舶整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，并可大大降低發(fā)電噪聲，改善機(jī)艙環(huán)境。而軸帶發(fā)電機(jī)變頻器的使用，將使軸帶發(fā)電機(jī)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(gè)方面介紹了軸帶發(fā)電機(jī)變頻器，從而對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)變頻器有更深的認(rèn)識(shí)。

遠(yuǎn)洋船舶；軸帶發(fā)電機(jī)；變頻器；船用電站

1 軸帶發(fā)電機(jī)變頻器的性能特點(diǎn)

1.1 方案對(duì)比

目前采用的軸帶發(fā)電機(jī)，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(jī)，它通過(guò)變距槳調(diào)節(jié)的方式使主機(jī)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(jī)組。另一類為定距槳船舶的軸帶發(fā)電機(jī)，其主機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，經(jīng)常采用的是帶轉(zhuǎn)速補(bǔ)償裝置或頻率補(bǔ)償裝置的船用交流發(fā)電機(jī)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(jī)械裝置提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的永磁同步軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；②通過(guò)采用變頻器調(diào)節(jié)補(bǔ)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(jī)系統(tǒng)中，軸帶發(fā)電機(jī)由船舶的主機(jī)驅(qū)動(dòng)，而主機(jī)同時(shí)也負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)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(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生直接影響。因此，推進(jìn)力和船速只能通過(guò)控制螺旋槳螺距，這會(huì)導(dǎo)致主機(jī)承受非期望負(fù)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(jī)變頻器支持的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍十分廣泛，而且能夠隨時(shí)優(yōu)化螺旋槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到期望的航行速度。此外，無(wú)論主機(jī)轉(zhuǎn)速如何，該軸帶發(fā)電機(jī)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(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)變頻器安裝于軸帶發(fā)電機(jī)輸出系統(tǒng)和配電系統(tǒng)之間，軸帶發(fā)電機(jī)可以獨(dú)立于軸轉(zhuǎn)速使用，以優(yōu)化船舶在每條航線的運(yùn)行。同時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)變頻器還支持軸帶發(fā)電機(jī)與輔機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。這意味著與輔機(jī)相比主機(jī)更低的燃油消耗率的益處能夠得以充分利用。如果輔機(jī)使用船用柴油替代重質(zhì)燃油，兩者差異將更加明顯；輔機(jī)的潤(rùn)滑油和維護(hù)成本相對(duì)高于主機(jī)的相應(yīng)成本。當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)安裝于電機(jī)與配電系統(tǒng)之間，通過(guò)讓電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行，動(dòng)力輸出（PTO）功能能輕松擴(kuò)展為PTI（動(dòng)力輸入）綜合功能。

1.3 在主機(jī)發(fā)生故障時(shí)能夠安全靠港

實(shí)際上，軸帶發(fā)電機(jī)變頻器使用輔機(jī)發(fā)的電可以控制軸帶發(fā)電機(jī)速度（電動(dòng)模式）。因此，如果主機(jī)出現(xiàn)故障，輔機(jī)可以用于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。這一功能使得在主機(jī)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?dú)立安全停泊。

PTI模式還能在裝貨或卸貨期間對(duì)主機(jī)進(jìn)行更多的維護(hù)工作，這是因?yàn)槿绻氨灰箅x開(kāi)泊位，它能夠移到錨地。

1.4 更加安全

備用推進(jìn)裝置至關(guān)重要，尤其在船舶必須穿過(guò)狹窄海峽、交通繁忙水域和靠近港口時(shí)，或在發(fā)電機(jī)維護(hù)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(jìn)-傳動(dòng)系統(tǒng)。然而，軸帶發(fā)電機(jī)變頻器提供了一個(gè)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(shí)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(jì)和運(yùn)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(jí)用于船舶連接，軸帶發(fā)電機(jī)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(jìn)港后關(guān)閉所有主機(jī)和輔機(jī)，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(dòng)配置

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

2 軸帶發(fā)電機(jī)的安裝方式

軸帶發(fā)電機(jī)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(jī)也可以通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)變頻器進(jìn)行升級(jí)。這能夠優(yōu)化主機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)任何航行速度。同時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)變頻器還能夠保證船舶的電網(wǎng)穩(wěn)定性。軸帶發(fā)電機(jī)變頻器還可以連接至船舶的自動(dòng)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(guò)PMS自動(dòng)控制。另外，軸帶發(fā)電機(jī)變頻器支持廣泛的發(fā)電機(jī)類型，例如同步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。

3 軸帶發(fā)電機(jī)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(dòng)力輸出（PTO）操作中，軸帶發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。軸帶發(fā)電機(jī)變頻器可以孤島模式（單個(gè)發(fā)電機(jī)）運(yùn)行或與其他輔機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。在與其他發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)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(jī)變頻器被用作系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)之一。軸帶發(fā)電機(jī)變頻器可以補(bǔ)償電網(wǎng)的不平衡負(fù)載，還可以提供無(wú)功補(bǔ)償。

圖2 PTO模式：從軸帶發(fā)電機(jī)到船舶電網(wǎng)的能量流

3.2 PTI（電動(dòng)和混合模式）[2]

如圖3所示，在動(dòng)力輸入（PTI）操作模式中，軸帶發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電力由輔機(jī)提供，而軸帶發(fā)電機(jī)變頻器操作電動(dòng)機(jī)。在主機(jī)故障時(shí)，可以使用安全靠岸功能。主機(jī)可從軸線斷開(kāi)，從而使軸帶發(fā)電機(jī)能獨(dú)立運(yùn)行，以便維修主機(jī)。軸帶發(fā)電機(jī)的電動(dòng)功率可以用于提高主機(jī)功率。軸帶發(fā)電機(jī)變頻器可驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)與主機(jī)同步運(yùn)行。

圖3 PTI模式：從輔機(jī)到軸帶發(fā)電機(jī)的能量流

3.3 岸到船

軸帶發(fā)電機(jī)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(shí)支持多種電壓等級(jí)。 輔機(jī)與岸上電源的切換是無(wú)縫的。輔機(jī)可在岸上電源與軸帶發(fā)電機(jī)變頻器連接時(shí)保持運(yùn)行。在軸帶發(fā)電機(jī)變頻器與輔機(jī)同步后，可關(guān)閉輔機(jī)。這時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)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(yǔ)

我國(guó)船舶工業(yè)已被列入振興裝備制造業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。但如何由大變強(qiáng)，值得我們?cè)齑朔词『退伎?。本文從多個(gè)方面詳細(xì)介紹了相關(guān)軸帶發(fā)電機(jī)變頻器的技術(shù)方案，對(duì)船舶建造、運(yùn)營(yíng)和制造商在選擇船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)時(shí)具有一定的借鑒作用。

［1］王炳義.船舶軸帶發(fā)電機(jī)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(yùn)新，等.船舶軸帶發(fā)電機(jī)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〕