船舶軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動和主機(jī)啟停控制裝置研究

韋家礎(chǔ)，謝永和

(1.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山316021;2.浙江海洋學(xué)院，浙江舟山316000)

船舶主機(jī)一般都有10%～15%的功率儲備，為了充分利用這一功率裕量，很多船舶采用了軸帶發(fā)電機(jī)(以下簡稱軸發(fā))，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。這是因為主機(jī)熱效率高，且主要采用價格低廉的重油作為燃料，因而可以降低油耗和油費;航行時柴油發(fā)電機(jī)組不必運行，機(jī)艙內(nèi)只需軸發(fā)運行發(fā)電，所以機(jī)艙溫度和噪聲較低。由于這些優(yōu)點，軸發(fā)在船舶上的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)代大型船舶其功率已達(dá)500 kW以上，高的甚至有上萬千瓦。但大多數(shù)船舶采用的是定距漿，為適應(yīng)航行過程中航速變化的需要，主機(jī)配用了轉(zhuǎn)速可調(diào)的中、低速柴油機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，直聯(lián)式軸發(fā)輸出的交流電頻率和電壓將發(fā)生變化，會影響用電設(shè)備的正常工作，故需要設(shè)法維持軸發(fā)轉(zhuǎn)速恒定或采取措施使輸出頻率和電壓恒定。

1 軸帶發(fā)電機(jī)裝置和船舶主機(jī)啟停裝置簡介

有些船舶軸發(fā)采用變流機(jī)組這一方法來穩(wěn)定供電頻率和電壓，如圖1所示。

船舶航行過程中，主機(jī)1 轉(zhuǎn)速值并不恒定，軸發(fā)SG 發(fā)出的交流電頻率、電壓波動較大，經(jīng)整流后供給直流電動機(jī)M1，再拖動同步電機(jī)M2 發(fā)電。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2根據(jù)交流發(fā)電機(jī)M2的實際轉(zhuǎn)速測量值n1和給定轉(zhuǎn)速值n0的偏差，調(diào)節(jié)可控整流裝置5的控制角α，從而調(diào)節(jié)M1的電壓以保證其轉(zhuǎn)速恒定，從而保證M2 發(fā)出的交流電頻率恒定，再加上自動電壓調(diào)節(jié)器AVR的調(diào)節(jié)，能夠維持電壓恒定。這套系統(tǒng)能夠給船舶電網(wǎng)提供恒頻恒壓的電能，但系統(tǒng)的構(gòu)成環(huán)節(jié)較多，且能量經(jīng)過交流電－直流電－交流電的多次轉(zhuǎn)換，能量損失大。

圖1 采用變流機(jī)組的軸帶發(fā)電機(jī)裝置

另有軸發(fā)系統(tǒng)采用晶闡管變換式整流－逆變穩(wěn)頻技術(shù)，如圖2所示。

圖2 采用晶闡管變換器的軸帶發(fā)電機(jī)裝置

軸發(fā)SG輸出的交流電經(jīng)過三相整流、濾波后，供給晶闡管逆變?yōu)轭l率恒定、電壓恒定的交流電。逆變器只提供了電網(wǎng)負(fù)載的有功功率，負(fù)載的無功功率以及晶闡管逆變器的觸發(fā)脈沖則由同步調(diào)相機(jī)SC 提供，SC的原動機(jī)可用電動機(jī)或輔柴油機(jī)，用來啟動，投入電網(wǎng)后原動機(jī)可斷開，SC處于逆功率運行狀態(tài)。這類軸發(fā)裝置需要調(diào)相機(jī)SC 一起運行，晶闡管通斷時產(chǎn)生的干擾電磁波會影響電子設(shè)備和無線電通信。

另外，推進(jìn)船舶的大、中型柴油機(jī)，普遍采用壓縮空氣啟動系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、啟動空氣瓶、主啟動閥、空氣分配器、氣缸啟動閥和啟動控制閥等設(shè)備和管路所組成。這些器件需要占用較多的機(jī)艙空間。起動前，由空壓機(jī)向氣瓶預(yù)充氣至規(guī)定壓力(2.5～3.0 MPa)，需要占用一定的備車時間，再者，如果主機(jī)試啟動過程中耗氣過多，會導(dǎo)致氣瓶氣壓過低而造成啟動失敗。

如何將軸發(fā)驅(qū)動和船舶主機(jī)啟停裝置這兩套互相獨立的系統(tǒng)合二為一，并且工作可靠、高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊，值得探討研究。

2 軸發(fā)驅(qū)動和主機(jī)啟動一體化裝置的研究

液壓傳動易于實現(xiàn)無級調(diào)速，與電動或氣動元件相比，同樣的功率下液壓元件的體積最小。液壓技術(shù)在船舶上的應(yīng)用較普遍，如液壓舵機(jī)、液壓起貨機(jī)、主機(jī)液壓調(diào)速器等等，技術(shù)上成熟可靠。液壓傳動可以使軸發(fā)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，圖3為傳動示意圖，主機(jī)1通過增速齒輪箱驅(qū)動斜盤式變量柱塞泵2，產(chǎn)生高壓油，經(jīng)油馬達(dá)3 驅(qū)動軸發(fā)4。下面分析速度調(diào)節(jié)原理。

圖3 采用純液壓傳動的軸帶發(fā)電機(jī)裝置

圖4中，將油馬達(dá)3的給定轉(zhuǎn)速以正信號輸入比例積分調(diào)節(jié)器，實際測量轉(zhuǎn)速以負(fù)信號輸入，這兩個轉(zhuǎn)速值之差為偏差Δu，則PI 調(diào)節(jié)器輸出信號U0為:

圖4 PI 電子調(diào)節(jié)器

如果油馬達(dá)3的測量轉(zhuǎn)速n1等于給定轉(zhuǎn)速n0，那么轉(zhuǎn)速偏差Δu為0，則PI 調(diào)節(jié)器的輸出信號UO為0，變量泵2的斜盤角度調(diào)整量為0，其排量保持不變;如果主機(jī)1的轉(zhuǎn)速降低，而變量泵2排量暫未變，那么馬達(dá)3的轉(zhuǎn)速將減小，偏差Δu 將增大，UO增大，增加變量柱塞泵2的斜盤角度，加大排量，使得馬達(dá)3 恢復(fù)給定轉(zhuǎn)速;如果主機(jī)1的轉(zhuǎn)速高于給定值，變量泵2排量作相反的調(diào)節(jié)。排量調(diào)整速度很快，軸發(fā)的轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，能夠保證軸發(fā)4的交流電頻率變化在±1%以內(nèi)，達(dá)到供電要求。

但是，純液壓驅(qū)動傳送效率不高，泵、馬達(dá)的機(jī)械效率各以90%計，再加上內(nèi)泄漏和管路傳輸?shù)哪芰繐p失，總效率只有75%左右，四分之一以上的能量轉(zhuǎn)化成熱量損耗了。如果只采用純液壓驅(qū)動，能量損失較多，因此還需要進(jìn)行改進(jìn)。齒輪傳動效率較高，最高可達(dá)98%，但是齒輪傳動沒有無級調(diào)速功能，將行星齒輪傳動和液壓調(diào)速相結(jié)合形成一體化驅(qū)動裝置，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可以獲得穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)速和較高的傳動效率。再綜合考慮增加主機(jī)啟動和制動功能，則可以省去氣動啟動系統(tǒng)，騰出更多的機(jī)艙空間。下面介紹其特點。

一體化驅(qū)動裝置見圖5。

圖5 一體化驅(qū)動裝置

如圖5所示，主機(jī)1 通過離合器2 驅(qū)動太陽輪3、行星輪4、內(nèi)齒圈6 和同步發(fā)電機(jī)7。最理想的情況是齒輪傳動比等于軸發(fā)同步轉(zhuǎn)速與主機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速之速比，那么主機(jī)以經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運行時，變量泵8排量可設(shè)為0，液壓馬達(dá)9 不轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)沒有傳送動力，行星輪架5 不轉(zhuǎn)動，此時為純齒輪傳動，效率最高。航行期間，若主機(jī)不是經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，比如偏高導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)7 轉(zhuǎn)速也偏高，調(diào)節(jié)變量泵8的斜盤方向，使得行星輪架5 在油馬達(dá)9的驅(qū)動下，與太陽輪3 同旋向轉(zhuǎn)動進(jìn)行補償，使齒圈6 降速，變量泵的調(diào)節(jié)量由PI調(diào)節(jié)器控制，直到發(fā)電機(jī)7 降回同步轉(zhuǎn)速為止;當(dāng)發(fā)電機(jī)7 轉(zhuǎn)速偏低，則反方向調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)升回同步轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)恒速恒頻調(diào)節(jié)得以實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速偏差越小，由液壓系統(tǒng)補償?shù)牟糠衷缴?，傳動效率越高。因齒輪模數(shù)要求取用標(biāo)準(zhǔn)值、而齒數(shù)肯定是整數(shù)值，故齒輪傳動比不一定正好等于理想的速比，主機(jī)以經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運行時，未經(jīng)補償?shù)妮S發(fā)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速可能會有偏差，這個偏差越小越好，故設(shè)計一體化裝置時，要考慮使得齒輪傳動比盡可能接近理想速比。

如果主機(jī)1 需要啟動，由船舶柴油發(fā)電機(jī)提供電能給電動機(jī)11，電機(jī)啟動成功后離合器10 接合，油馬達(dá)9轉(zhuǎn)換成油泵，油泵8轉(zhuǎn)換成油馬達(dá)驅(qū)動太陽輪3 和離合器2 對主機(jī)進(jìn)行啟動。主機(jī)達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速后，噴油燃燒，啟動成功則斷開離合器10;主機(jī)順利進(jìn)入加速程序后，電動機(jī)11可斷電。啟動過程中，為減輕阻力，可以先斷開同步發(fā)電機(jī)7的勵磁電路讓其空轉(zhuǎn)。主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到75%額定轉(zhuǎn)速以上后，接通發(fā)電機(jī)7的勵磁，發(fā)電、并車、轉(zhuǎn)移負(fù)荷、解列柴油發(fā)電機(jī)。此后由一體化裝置自動調(diào)節(jié)保持軸發(fā)轉(zhuǎn)速恒定，再加上自動恒壓裝置AVR的調(diào)節(jié)，供給船舶電網(wǎng)頻率、電壓恒定的交流電。若需要設(shè)置主機(jī)盤車和慢轉(zhuǎn)啟動功能，則可以通過控制油泵排量大小分別實現(xiàn)，也可以設(shè)置主機(jī)3次試啟動功能。

如果主機(jī)需要減速停車，一種方式是再生制動，要求先啟動柴油發(fā)電機(jī)，并車、轉(zhuǎn)移負(fù)荷、軸發(fā)與電網(wǎng)脫開;然后接通電機(jī)11 和離合器10，調(diào)大變量泵8的排量，加大油馬達(dá)9的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)11處于再生制動狀態(tài)，主機(jī)和軸系的慣性動能轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。第二種方式是能耗制動，在主機(jī)轉(zhuǎn)速不高的情況下，要求電機(jī)11斷電、電磁閥12 通電，主機(jī)的慣性動能轉(zhuǎn)化為液壓能由節(jié)流孔消耗掉，最終完全停車。

3 結(jié)束語

文中介紹的一體化裝置能夠?qū)崿F(xiàn)軸發(fā)恒速驅(qū)動和主機(jī)啟停控制兩種功能，發(fā)揮軸發(fā)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)勢，采用主機(jī)回饋制動可以進(jìn)一步節(jié)能。該裝置省去了啟動壓縮氣動系統(tǒng)，所占機(jī)艙空間少，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高工作可靠，結(jié)合電控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)控制，操縱簡單，具有一定的推廣價值。

【1】王文義.船舶電站[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

【2】姜錦范.船舶電站及自動化[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，2006.

【3】機(jī)械設(shè)計編委會.液壓傳動與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【4】張慶永，常思勤.液驅(qū)混合動力車輛液壓系統(tǒng)試驗臺設(shè)計與試驗研究[J].機(jī)床與液壓，2011，39(1):23－26.

【5】方桂花，何曉剛.機(jī)床液壓系統(tǒng)的高效節(jié)能措施[J].機(jī)床與液壓，2009，37(3):195－196.