八、船舶轴带无刷双馈交流发电系统技术

1.技术概要

船舶航行和辅机发电机组发电都是通过柴油机作为动力源，其柴油消耗率随柴油机的转速增加而上升。由于船舶发电机组转速都为中高速柴油机，转速范围在1000-1800r/min，而船舶主机多为中速或低速柴油机，转速范围在50-900r/min，中低速柴油机比高速柴油机燃油消耗率低约5%-10%。船舶轴带发电机是由船舶主推进柴油机直接驱动的船用发电机，利用主机在部分负荷运行时的富余功率来发电，因此，船舶主机拖动轴带发电机发电比辅机发电机组发电所消耗的燃油平均低约12-15个百分点。轴带无刷双馈交流发电系统是采用自主创新的无刷双馈电机和控制技术并利用船舶主机的功率储备，在船舶主机带动定距螺旋桨推进船舶航行的同时拖带轴带发电机发电，从而实现船舶正常航行时不使用辅助柴油机发电机组发电，降低了燃油的消耗。该系统针对定距螺距螺旋桨推进船舶航行时主机转速不断变化的工况，通过双馈变频控制技术提供稳压稳频的电力保障。

2.适用范围

该技术适用于内河、沿海及远洋定距桨船舶。

3.技术内容

无刷双馈发电机是由两套不同极对数的定子绕组和一套绕线转子绕组构成的新型交流感应电机。经过特殊设计的绕线转子使得两套定子绕组产生不同极对数的旋转磁场间接相互作用，并能对其相互作用进行控制来实现能量传递。其中一套定子绕组接固定工频电源，称为功率绕组，另一套定子绕组接变频驱动控制器，称为控制绕组。船舶轴带无刷双馈交流发电系统原理图，如图1所示，去掉了电刷与滑环装置，在转子绕组自闭回路的前提之下，通过定子侧的控制绕组感应转子绕组的励磁电流和频率，并与定子功率绕组的输出电流和频率耦合，两套绕组协调工作从而实现变速恒频稳压发电。充分利用了齿谐波磁动势，能最大程度地削弱其它高次谐波，具有比特殊笼型绕组转子更好的技术特性。其结构简单，运行可靠、容易维护，可以有效降低变频装置的容量，方便地调节有功和无功功率。

图1舶轴带无刷双馈交流发电系统原理图

轴带无刷双馈交流发电系统采用了特殊的转子结构，定子上分布有两套不同极对数绕组，即功率绕组和控制绕组，通过一小容量的变频器就可以在一定的转速范围内实现恒频恒压发电。它取消了滑环结构，大大降低了故障率，提高了可维护性，同时减少了变频器的容量需求，成本低廉。技术创新主要体现在以下几个方面：

（1）在电机技术领域，提出一种电机转子中绕组磁动势“齿谐波”与“基波”相伴出现且旋转方向相反的相关理论，进行交流无刷双馈电机整体设计，并应用于船舶轴带发电系统之中；

（2）基于谐波功率最优变换和传输的理论所提出的对船舶轴带无刷双馈发电机定、转子磁路和电路进行电磁优化设计方法和工艺实现；

（3）该技术采用无滑环装置结构（无刷），从而避免了有刷双馈电机存在固有的运行火花故障隐患，使发电系统运行更加安全可靠；

（4）采用控制绕组励磁电流死循环跟踪控制与回馈技术，实现满足船舶工况条件下不论主机转速或负载如何变化，其发电系统稳压恒频，确保供电质量符合船舶规范要求；

（5）应用了轴带发电机系统与柴油发电机组间的负载转移和并网运行、安全切换和自动应急处理等关键技术，在船舶运行时，能够方便及时的处理移泊、紧急停车和紧急倒车时的各种工况。

4.案例分析

（1）技术应用单位

中国外运长航集团有限公司、重庆长江轮船公司。

（2）技术应用情况

由中国外运长航集团有限公司作为技术支持单位，重庆长江轮船公司在325箱内河新型集装箱船安装应用了64kW轴带发电机。在新建325箱船右主机进行轴带无刷双馈发电系统的安装，主要设备包括船舶无刷双馈轴带发电系统和高弹联轴器。建设期1年。

（3）效益分析

据统计，使用轴带无刷双馈交流发电系统后，单船每年可节能7tce，减少CO2排放18t。

该技术可获得的经济效益计算如下：

①计算使用主发电机组的年燃油费用，按柴油油价8000元/t计算，其年燃油费用为：

33.75×8000=27万元（RMB）/年

②计算轴带发电机的年燃油费用，按重油油价5700元/t计算，其年燃油费用为：

30.38×5700=17.3万元（RMB）/年

③计算每年节约燃油成本：

27-17.3=9.7万元（RMB）/年

④计算投资回收期，项目主要设备包括船舶无刷双馈轴带发电系统和高弹联轴器。节能技改投资额共35.5万元，单纯从节油量带来的经济效益的角度来计算：

9.7×4=38.8＞35.5

因此，该船型改造应用轴带无刷双馈发电机投资回报期约为4年。如果是新造船舶设计应用轴带无刷双馈发电机，考虑到节油量以及省掉的一台柴油发电机组的成本（国内同功率的柴油发电机组约为8万元左右），新建船舶应用轴带无刷双馈发电机投资回报期约2-3年。

5.推广建议

建议应用企业根据船舶情况科学选择相应功率的轴带无刷双馈发电机，并协调生产企业做好售中、售后服务，开展相关的应用培训。