近年来，随着国际航运市场低迷、世界能源需求的不断攀升、煤炭石油等化石燃料的益枯竭和世界各国对环保的日益重视，节能减排已经势在必行。目前世界上各大航运企业为了降低营运成本对船舶节能装置日趋重视，力求使船舶设备的选型、组合更趋经济合理。船舶轴带发电机利用船舶航行中主机储备的富余动力进行发电为船舶提供电力，既能节约柴油消耗、降低发电成本、有效提高其经济性，又能降低碳排量、减少环境污染、促进节能减排。因此研发适应内河、沿海地区及远洋航行的船舶轴带发电机，符合当前航运市场需求和国家节能环保政策导向。
对于航运业来说,燃油费用约占船舶经销总成本的50%-60%。目前大部分航船所安装的柴油发电机，每年需要使用较多柴油，而船舶主机燃用价格较低的重油，其价格约是轻油的二分之一，若能充分利用船舶轴带发电机将会大幅度节约船舶航行的发电成本。通常船舶在选择主机功率时，受到海况、航行安全等因素的影响，一般会留有额定功率10%-15%的功率储备余量,在船舶正常运行情况下，该功率储备就会被浪费掉，另外，当主柴油机运行于额定功率的75%-85%以下时，将大幅降低其经济性。货船的电站功率通常等于主机的5%,轴带发电机的应用既可以提高主机的工作效率,又能提供船舶电站的电力需求，真实地提升了船舶运行的经济效益。在油耗方面，主机的耗油速率会比常规柴油发电机下降30-50g/kWh,因此使用轴带发电机能够节省15%-20%的发电成本，缩短辅机的工作时长，节省润滑及维护保养费用，同时降低了发电噪声、极大地改善船员的工作环境.

从 20 世纪 70 年代对轴带发电机系统的初步装船使用至今，轴带发电机系统经历了几十年的发展进步，新型、集成度高、性能优越和大功率的轴带发电机已经受到广泛应用。轴带发电机系统在大型集装箱船、大容量砂船等船舶上广泛应用。轴带发电机有以下突出优点：1）主推进柴油机以劣质燃油为动力能源，来源方便且效率高，具有较高的经济性。2）整个轴带辅助发电设备易于维修和保养，减轻了柴油主机组的工作负担。3）使机舱的空间利用更合理。使用轴带发电机的船舶，通常能提高一个副柴油机组的工作效率，这样就省出了 1 台副机的空间。

同时传统型的轴带发电机系统也存着缺陷：1）输出的电源电压受主柴油机的载荷影响较大，可能会出现不同程度的波动，对船舶上的用电设备显然不利。2）轴带发电机难以实现与其余机组长时间的耦合，因为主机的机械特性难以与轴带发电机组达到完全一致。3）轴带发电机输出功率受限于主机。主机所承受的载荷有可能受外界或者内部因素影响发生突变，这时主机的功率变化就必然引起了轴带发电机系统的输出功率。

2. 研究的基本内容与方案

船舶电站系统由主发电机提供电源，通常情况下几台发电机并联运行，无论是它的单机容量，还是电站的总装机容量都远远小于陆地电站。同时，船舶电力系统运行工况复杂多变，对电站系统的协调控制要求较高。船舶轴带发电系统是船舶主机驱动发电机供电的装置，它利用主机的富余功率来均衡船舶电站的功率分配。含有轴带发电机的船舶电站系统优先采用轴带发电机供电，辅机可以不常开，这使得机舱噪声及机舱温度明显下降，辅机的维修周期延长，因此具有较好的经济、节能及环保效果。

船舶电力系统是有限电网，船舶负载的变化对电网电压和频率有较大的影响。轴带发电机的输入工作参数（如功率、转速）受制于主机螺旋桨的工况，而其输出工作参数（如电压、电流以及频率）要满足用电设备的要求。当采用轴带发电机时，为了能够与船舶柴油发电机并网运行，轴带发电机系统必须能够根据电网电压频率的变化对输出有功功率和无功功率进行调节。对于电压的波动，可使用自动稳压器，这是一种根据发电机端电压变化自动调节励磁电流而保持输出电压稳定的可控硅电子装置。

目前很多工程船舶、滚装船和远洋船舶配备轴带发电机系统。针对传统软件控制方式运行速度慢、精度低、抗干扰能力差、成本高等问题,设计一种以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心的无刷直流电机PI控制系统。系统采用全硬件电路设计和梯形换向控制的策略,具有高响应速度和抗干扰能力。同时,分析不同脉冲宽度调制(PWM)方式对无刷直流电机续流回路和电磁转矩的影响,选取 合适的调制方式以达到理想的控制效果。

1. Shi J, Li T C. New method to eliminate commutation torque ripple of brushless DC motor with minimum commutation time[J]. IEEE transactions on industrial electronics, 2013, 60(6): 2139-2146.

2. Liu Y, Ai W, Chen B, et al. Control design of the brushless doubly-fed machines for stand-alone VSCF ship shaft generator systems[J]. Journal of Power Electronics, 2016, 16(1): 259-267.

3. 郭彦军. 船舶轴带发电机方案评价体系的研究和应用[D].上海交通大学,2014.

4. 杨林,刘曰涛,沈宝民,仲伟正. 无刷直流电机PI控制系统的设计及分析[J]. 西安工程大学学报,2019,(01):81-87.

   剩余内容已隐藏，您需要先支付 5元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付