龍 瑋

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

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

本項目同步發(fā)電機是我公司為目前國內(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)動電動機配套的船用水下泥泵電軸系統(tǒng)同步發(fā)電機，采用無刷勵磁，整個電軸系統(tǒng)中原動機為柴油機，柴油機通過聯(lián)軸器與發(fā)電機相連，而發(fā)電機一對一的通過電纜線與4 000 kW的泥泵電動機連接，此類電纜我們通常稱之為電軸，由柴油機、同步發(fā)電機、異步電動機、齒輪箱以及連接電纜組成的傳動鏈我們稱為電軸系統(tǒng)。由于發(fā)電機和電動機之間無需聯(lián)軸器連接，可以減少船體空間對整個系統(tǒng)布置的限制。此次設計，發(fā)電機安裝于船艙內(nèi)，可以大大減少鹽霧腐蝕，增加電機壽命，電動機由于通過橋架連接吸泥泵和鉸刀直接進入水下作業(yè)，因此被放置在船艙外的甲板上。

對發(fā)電機進行優(yōu)化設計，滿足異步電機起動要求的同時減小電機尺寸，在保證性能的前提下，選用國產(chǎn)材料，同時滿足客戶要求。

1 電軸系統(tǒng)運行原理

整個電軸系統(tǒng)由柴油機驅(qū)動同步發(fā)電機，發(fā)電機采用強勵的方式，帶勵磁機，發(fā)電機通過聯(lián)軸器與柴油機相連，空載起動至80%額定轉(zhuǎn)速后開始投勵；由于發(fā)電機通過連接電纜直接給電動機供電，電動機在頻率和電壓均下降的情況下開始起動。吸泥泵電動機相對于帶鉸刀的電動機起動時的負載要大一些，因此本項目選取吸泥泵電動機作為系統(tǒng)的一部分進行分析。泥泵電動機起動時的大電流勢必造成發(fā)電機端電壓的瞬態(tài)跌落，由于發(fā)電機同泥泵電動機容量相近，電壓的跌落值必然很大，從而使泥泵電動機的起動力矩大大降低，為保證泥泵電動機的成功起動，必須根據(jù)泥泵電動機的起動力矩曲線，控制發(fā)電機端電壓的跌落幅值，以滿足泥泵電動機起動要求。

2 規(guī)格和技術(shù)參數(shù)

2.1 同步發(fā)電機的規(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：F(B級考核)

工 作 制：S1(連續(xù)定額)

冷卻方法：IC 86W

安裝型式：IM 1101

防護等級：IP44(本體)IP54(出線盒)

2.2 勵磁機基本參數(shù)(勵磁機交流側(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 勵磁機所帶旋轉(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)電機設計思路

同步發(fā)電機通過電纜線與異步電動機相連，電動機起動時的大電流，對同步發(fā)電機產(chǎn)生巨大的沖擊，導致發(fā)電機的機端電壓瞬間跌落，同時使得電動機的端電壓也大幅下降。電動機的起動轉(zhuǎn)矩與端電壓的平方成正比，使得電動機的起動轉(zhuǎn)矩很低；如果過低，電動機將無法起動成功，電動機變成堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。即使起動轉(zhuǎn)矩稍大于負載轉(zhuǎn)矩，如果起動時間過長，大電流的長時間起動過程也將使電動機的線圈發(fā)熱嚴重。因此要避免該情況的發(fā)生，在電磁設計時要保證同步發(fā)電機的機端電壓，控制好異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩，保證電動機在安全的時間內(nèi)正常起動。發(fā)電機的機端電壓突降值根據(jù)下面公式進行計算：

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

圖1 泥泵負載特性曲線

4 該發(fā)電機結(jié)構(gòu)設計特點

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

圖2 異步電動機起動特性曲線

圖3 發(fā)電機總裝配圖

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

4.3 本電機采用無刷旋轉(zhuǎn)整流勵磁方式，整個勵磁機裝于機座內(nèi)；即勵磁機的轉(zhuǎn)子裝于電機軸上，勵磁機的定子固定在主電機非軸伸端端蓋內(nèi)側(cè)，從而使電機結(jié)構(gòu)更緊湊。

4.4 發(fā)電機采用密閉循環(huán)通風，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)電機頂部。由于該挖泥船在入?？诘暮降纼?nèi)作業(yè)，因此冷卻水選用海水，方便且經(jīng)濟。但是作業(yè)當中的挖泥船周圍水質(zhì)混濁，含有大量泥沙，加上海水對冷卻水管有腐蝕作用，為保證冷卻器的使用壽命，增加電機運行的安全性，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，冷卻器裝有漏水報警裝置。

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

4.6 發(fā)電機設有差動保護用互感器3只，滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中對船用發(fā)電機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，老結(jié)構(gòu)的整流元件布置如圖4所示裝于電機軸上，通過與電機軸的接觸散熱。電機旋轉(zhuǎn)時，由于離心作用，使得整流元件工作一段時間后容易松動、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)改進后，整流元件裝于勵磁機上，沿軸向固定，勵磁機上設有一圓盤，徑向方向?qū)φ髟哂兄雇谱饔茫沟谜髟陌惭b更加可靠，新結(jié)構(gòu)整流元件布置如圖5所示。

5 發(fā)電機調(diào)試數(shù)據(jù)

電軸系統(tǒng)設計使異步電動機的調(diào)速范圍為80%～100%額定轉(zhuǎn)速，異步電動機轉(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。整個系統(tǒng)調(diào)試過程中，通過調(diào)節(jié)柴油機的轉(zhuǎn)速和同步發(fā)電機的勵磁電流來調(diào)節(jié)異步電動機的電壓和頻率，能夠使電動機正常起動并調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。調(diào)試過程包括空載運行和打清水試驗，整個調(diào)試過程中，發(fā)電機各項溫升指標正常，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 電動機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

6 結(jié)語

項目電機是目前國內(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，產(chǎn)品要求高，加工難度大。發(fā)電機在設計時充分考慮了起動時發(fā)電機拖動容量相當?shù)拇笮彤惒侥啾秒妱訖C引起的電勢跌落而導致的起動轉(zhuǎn)矩變小的情況。通過對電磁方案進行反復調(diào)整，并對整個系統(tǒng)起動過程進行仿真，確保了泥泵電動機能正常起動。另外，將發(fā)電機電磁與結(jié)構(gòu)設計同現(xiàn)代計算機技術(shù)相結(jié)合，通過三維設計，優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)，并引進先進的加工技術(shù)，使電機最大程度上做到了結(jié)構(gòu)合理、高效、經(jīng)濟。試制完成后的型式試驗數(shù)據(jù)顯示電機性能優(yōu)越，完全能滿足技術(shù)協(xié)議要求。電機的研制過程穩(wěn)定可靠，通過中國船級社(CCS)認證，取得了CCS的產(chǎn)品檢驗證書。發(fā)電機的先進性達到國際先進水平，形成了技術(shù)和市場優(yōu)勢，進一步提升了上電品牌的國內(nèi)和國際競爭力。