摘 要：在船舶运营过程中，燃油费用占船舶管理成本的比例较大，为了降低运营成本，同时，随着全球绿色船舶、智能船舶的推广，更多的船舶尝试通过选择安装轴带发电机及变频器，从而充分利用船舶主机所储备的冗余功率实现节能和节约目的，使主机既能正常运行，又能带动轴带发电机发电以满足船舶正常航行的电力需要，提高船舶整体运行的经济性，并可大大降低发电噪声，改善机舱环境。而轴带发电机变频器的使用，将使轴带发电机的使用效益最大化，相比于传统解决方案具有不可替代的作用。从几个方面介绍了轴带发电机变频器，从而对轴带发电机变频器有更深的认识。
1 轴带发电机变频器的性能特点
1.1 方案对比
目前采用的轴带发电机，根据螺旋桨的形式大致可以分成以下两种类型[1]。
一类为变距桨船舶的轴带发电机，它通过变距桨调节的方式使主机转速和转向不变，因此可以采用一般的三相交流同步发电机组。另一类为定距桨船舶的轴带发电机，其主机转速是变化的，经常采用的是带转速补偿装置或频率补偿装置的船用交流发电机组。
这类轴带系统具体也分为两种不同的结构类型：
①采用齿轮箱等机械装置提供稳定转速的永磁同步轴带发电机系统；
②通过采用变频器调节补偿得到恒频稳压交流电。在传统的定速轴带发电机系统中，轴带发电机由船舶的主机驱动，而主机同时也负责驱动船舶的螺旋桨。在这种解决方案中，船舶电网频率与螺旋桨的转速密切相关。转速的任何变化都会对电网频率产生直接影响。因此，推进力和船速只能通过控制螺旋桨螺距，这会导致主机承受非期望负荷，不仅降低了效率，而且增加了二氧化碳排放量。
轴带发电机变频器支持的主机转速范围十分广泛，而且能够随时优化螺旋桨螺距和主机转速，以达到期望的航行速度。此外，无论主机转速如何，该轴带发电机变频器都能够保持稳定的电压和频率。
1.2 降低燃油消耗
当轴带发电机变频器安装于轴带发电机输出系统和配电系统之间，轴带发电机可以独立于轴转速使用，以优化船舶在每条航线的运行。同时，轴带发电机变频器还支持轴带发电机与辅机并联运行。这意味着与辅机相比主机更低的燃油消耗率的益处能够得以充分利用。如果辅机使用船用柴油替代重质燃油，两者差异将更加明显；辅机的润滑油和维护成本相对高于主机的相应成本。当轴带发电机安装于电机与配电系统之间，通过让电机作为电动机或发电机运行，动力输出（PTO）功能能轻松扩展为 PTI（动力输入）综合功能。
1.3 在主机发生故障时能够安全靠港
实际上，轴带发电机变频器使用辅机发的电可以控制轴带发电机速度（电动模式）。因此，如果主机出现故障，辅机可以用于转动主轴。这一功能使得在主机发生故障的情况下能够继续操纵船舶，增加冗余并提高安全性，使船舶成功驶入港口或独立安全停泊。PTI 模式还能在装货或卸货期间对主机进行更多的维护工作，这是因为如果船舶被要求离开泊位，它能够移到锚地。
1.4 更加安全
备用推进装置至关重要，尤其在船舶必须穿过狭窄海峡、交通繁忙水域和靠近港口时，或在发电机维护期间。尽管如此，由于额外的安装成本，船舶通常不使用备用推进-传动系统。然而，轴带发电机变频器提供了一个适用于多用途操作（例如多种优化转速操作）以及在正常操作时使用的系统。在提高安全性之外还能提高燃油效率，增加船舶设计和运行的灵活性。
1.5 灵活的岸到船连接
所到岸有不同的可用电压等级用于船舶连接，轴带发电机变频器可用于岸到船连接。该变频器能够将任何岸上电网连接至船舶电网。另外，船舶可以在进港后关闭所有主机和辅机，这有助于节省燃油和降低二氧化碳和硫的排放。
1.6 多传动配置
轴带发电机变频器可以配置为多传动，如可集成货舱泵和压载泵的变频器，从而更加合理地进行船舶电网的分配。
2 轴带发电机的安装方式
轴带发电机可以安装于轴线的不同位置，如图 1 所示。
图 1 中，①直接安装于主轴，
②与齿轮箱一起安装于主轴。
现有的定速轴带发电机也可以通过轴带发电机变频器进行升级。这能够优化主机速度，实现任何航行速度。同时，轴带发电机变频器还能够保证船舶的电网稳定性。轴带发电机变频器还可以连接至船舶的自动化系统，包括电源管理系统（PMS），该变频器可以由电桥直接控制或通过 PMS 自动控制。另外，轴带发电机变频器支持广泛的发电机类型，例如同步发电机、永磁发电机和感应电机。
3 轴带发电机的所有操作模式3.1 PTO（孤岛模式和并联模式）[2]
如图 2 所示，在动力输出（PTO）操作中，轴带发电机作为发电机运行。轴带发电机变频器可以孤岛模式（单个发电机）运行或与其他辅机并联运行。在与其他发电机并联运行时，轴带发电机变频器利用下垂控制（Droop Control）调节电压和频率。这种情形下，轴带发电机变频器被用作系统的发电机之一。轴带发电机变频器可以补偿电网的不平衡负载，还可以提供无功补偿。
3.2 PTI（电动和混合模式）[2]
如图 3 所示，在动力输入（PTI）操作模式中，轴带发电机作为电动机运行，电力由辅机提供，而轴带发电机变频器操作电动机。在主机故障时，可以使用安全靠岸功能。主机可从轴线断开，从而使轴带发电机能独立运行，以便维修主机。轴带发电机的电动功率可以用于提高主机功率。轴带发电机变频器可驱动轴带发电机/电动机与主机同步运行。
3.3 岸到船
轴带发电机变频器为岸上电网连接提供了灵活的解决方案，可接入 50 Hz 或 60 Hz 电网，同时支持多种电压等级。辅机与岸上电源的切换是无缝的。辅机可在岸上电源与轴带发电机变频器连接时保持运行。在轴带发电机变频器与辅机同步后，可关闭辅机。这时，轴带发电机变频器将转换为岸上供电为船舶提供所需电力。具体如图 4 所示。
4 结束语
我国船舶工业已被列入振兴装备制造业的发展重点。但如何由大变强，值得我们造船人反省和思考。本文从多个方面详细介绍了相关轴带发电机变频器的技术方案，对船舶建造、运营和制造商在选择船舶轴带发电机系统时具有一定的借鉴作用。
作者：王 进（泰州口岸船舶有限公司技术部，江苏 泰州 225321）
联系客服
