可作电动机使用的船舶轴带发电机及其运行状态切换方法

樊双英，岳跃进

（1. 北京赛思亿电气科技有限公司，北京 100097；2. 中船重工电机股份有限公司，山西 太原 030027）

可作电动机使用的船舶轴带发电机及其运行状态切换方法

樊双英1，岳跃进2

（1. 北京赛思亿电气科技有限公司，北京 100097；2. 中船重工电机股份有限公司，山西 太原 030027）

一种可作电动机使用的船舶轴带发电机及其运行状态切换方法，解决了现有的作为轴带发电机实现发电与电动两种功能切换的技术难题。通过研究实现了当船舶主机出现紧急停机故障时，将轴带发电机用作电动机，并用它驱动螺旋桨转动，使船舶安全返回港口。

轴带发电机；发电与电动切换；电机起动

0 引言

经济全球化的发展使得海运已经成为最重要的运输方式之一。在船舶航运费用中，燃料费用占50%～60%，国际石油危机的爆发及航运的发展又令国际航运造船界对于节能措施的要求越来越强烈。船舶主机采用重油作为燃料，价格便宜；燃油发电机使用轻质燃油，价格高。而船舶轴带发电机系统是由船舶主机驱动发电机供电的装置，可充分利用主机10%～15%的功率储备裕量，使主机运行在高效率、低能耗的状态，节省了轻质燃油。对于货船，一般来说其电站功率为主机额定功率的5%左右，轴带发电机完全能满足船舶正常运行的电力需要。自20世纪70年代初轴带发电机系统开始装船，至今已有30多年的发展历史，轴带发电机系统被广泛应用于大、中型集装箱船上[1-2]。

随造船技术的不断发展，对船舶运行安全性的要求越来越高，当船舶主机出现故障停机等紧急情况时，可由发电机组向轴带发电机供电(将轴带发电机作为电动机)，带动螺旋桨转动，保证船舶可紧急航行回到港口。通常把轴带发电机的这种运行模式称为“POWETTAKE-IN”模式[3]。由于现在大部分船舶使用的都是无刷同步发电机，要以电动机方式运行时无法直接起动。要使轴带发电机实现这种功能，就必须解决轴带发电机在作为电动机运行时的起动问题，并实现该机的发电和电动的两种可逆运行状态的切换。

1 基本结构

同步电机实现电动运行，如将静止的同步电动机通入励磁电流后直接投入电网，则定子旋转磁场以同步转速相对于转子磁场运动，转子上承受的是交变的脉振转矩，平均值为零。因此，同步电动机不能自起动，而必须借助其他方法，至今，起动同步电动机最普遍使用的方法是采用阻尼绕组[4]。

本文提供了一种可作电动机使用的船舶轴带发电机，并能实现电动与发电运行状态切换。

船舶轴带发电机的基本结构原理如下：图1所示，包括电机机座2和电机驱动轴1，在电机机座2上分别设置有电机接线盒7和可同时提供三相交流励磁电流和直流励磁电流的励磁电源6，在电机机座2内分别设置有交流电机定子三相绕组3和励磁机定子三相绕组9，在电机驱动轴1上从左向右依次设置有交流电机转子集中绕组4、旋转整流器5和励磁机转子三相绕组8，交流电机定子三相绕组3的三相绕组的三相引接线与电机接线盒7中的三相接线端子U、V、W对应连接在一起，交流电机转子集中绕组4的正端引接线与旋转整流器5的正接线端子连接在一起，交流电机转子集中绕组4的负端引接线与旋转整流器5的负接线端子连接在一起，励磁机转子三相绕组8的三相绕组的三相引接线与旋转整流器5的三相接线端子对应连接在一起，励磁机定子三相绕组9中的三相绕组的三相引接线与三极直流开关11的三个输出端子对应连接，三极直流开关11的三个输入端子中的任意两个端子短接后与励磁电源6的直流正接线端子F1连接在一起，三极直流开关11的未短接输入端子与励磁电源6的直流负接线端子F2连接在一起，励磁机定子三相绕组9中的三相绕组的三相引接线还与三相交流开关10的三个输出端对应连接，三相交流开关10的三个输入端与励磁电源6的三个交流端子UF、VF、WF对应连接。

图1 结构原理图

2 工作机理

常规的同步发电机是由主机与励磁机组成[5]，其设计原理图，如图2所示，励磁机为主机转子提供励磁。由于原励磁机定子绕组为集中绕组由直流供电，这样电机在零转速的情况下，励磁机转子不能切割磁场，因而，励磁机转子不会产生电压，也就没法提供给主机转子励磁。

而要实现电机电动运行又能起动，我们将励磁机进行新的设计，其设计原理如图 3所示，励磁定子绕组更改为三相分布绕组，电机起动时，输入励磁机定子三相绕组输入三相交流电，励磁机本质上是一个交流异步电机，励磁机的定子采用交流进行励磁，这样即使在零转速下，仍然可产生旋转的磁场，这个旋转的磁场在切割转子绕组时会在转子绕组感应出交流电，进而为同步电机提供励磁，使同步电机有能力实现自起动。

该可作电动机使用的船舶轴带发电机运行状态切换方法，如图4所示。

图2 常规同步发电机原理图

图3 新型轴带发电机

图4 发电与电动的切换

作为电动运行时，打开三极直流开关 11，接通励磁电源6中三个交流端子UF、VF、WF，闭合三相交流开关10，为励磁机定子提供三相交流电，实现船舶轴带发电机处于电动运行状态。

由电动运行转换为发电运行时，将三相交流开关10断开，将三极直流开关11闭合时，励磁电源6中二个直流端子F1、F2接通直流电源，为励磁机定子绕组9提供直流励磁电，实现了船舶轴带发电机处于发电运行状态。

[1] 李亮, 刘以建, 喻多祥. 船舶轴带发电机的发展与新方法的研究[M]. 船电技术, 2009, 29(5): 59-63.

[2] 尹志斌, 孙培廷, 黄连中. 船用主机轴带发电机[J].世界海运, 2002, 25 (3):98-102.

[3] 李飞. 轴带发电机的 PTI模式绍[J]. 江苏船舶，2005(2): 25-29.

[4] Stephen J, 刘新正, 苏少平, 等. 电机学(第五版)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[5] 黄国治, 傅丰礼. 中小旋转电机设计手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003.

Ship Shaft Generator used as Electric Motor and its Operating Status Switching Method

FAN Shuang-ying1, YUE Yue-jin2
(1. Beijing CSE ElectricTechnology Co., Ltd., Beijing 100097, China; 2. CSIS Electrical Machinery Science &Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

A ship shaft generator used as electric motor and its operating status switching method can solve the technical problem of shaft generator’s function switching between power generation and electric motion. Based on the research, it is found feasible that the shaft generator can be used as electric motor when failure (emergency stop) occurs to the main engine of the ship. The shaft generator is used to drive the propeller and the ship can thus return to the port safely.

shaft generator; switching method of motor and generator; motor starting

T18

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.008

樊双英（1974-），女，硕士，研究方向：电机电气及控制。