船舶轴带发电机是由船舶主机驱动发电机供电的装置，它利用主机的富裕功率来达到节能的目的。最近几年来新造的定期集装箱船、矿砂船、散装液货船大多数安装了轴带发电机。

其主要优点体现在以下几方面：

（1）节省燃料和燃料费用。由于主机以劣质燃料油作为燃料，所以其热效率高、经济性好。

（2）降低辅助柴油机组的运行时间和消耗，减少了相应的维修工作量和维修费用。

（3）减少滑油消耗。船舶在航行中不使用辅助柴油发动机组，也就减少了其消耗的滑油。

（4）有利于机舱的布置。由于辅助柴油发动机组总的工作时间缩短，故可选用较高速的柴油发动机组。使用轴带发电机时，往往会减少一台辅机，从而使机舱的空间节省了。

（5）改善机舱工作环境。它降低了机舱的噪声，同时也减少了机舱的热源。

轴带发电机系统也存在以下一些缺点：

1）船舶在港作业时，不能用轴带发电机供电，仍需要辅助柴油发动机组供电。

（2）对于交流电制的船舶，若非恒定转速的主机，则必须采取特殊措施，以保证电网频率的恒定，从而使得整个系统变得较为复杂。

（3）一次投资（即造船成本）较大。虽然可以从营运成本降低的好处中得到补偿，但要注意的是这个补偿既和轴带发电机的功率有关（功率越大越好），也与时间的利用率（即船舶在一年中航行的时间）有关。

轴带发电机可以布置在柴油机自由端或是齿轮端，采用传动齿轮进行传动。轴带发电机除了作为发电机使用外，即PTO（POWER TAKE OUT）模式，有些船舶在紧急情况下还可作为电动机使用，即PTI（POWER TAKE IN）模式。由于油船泄漏引起的后果十分严重，为防止船舶因主推进器失效而引起油品泄漏的严重污染，所以现代船舶采用了动力装置冗余配置。其中最常见的方式是利用轴带发电机，在主推进装置失效时，将主机与齿轮箱脱开，使轴带发电机作为电动机使用，此时通过柴油发电机的电力带动螺旋桨实现船舶的应急推进。

船舶轴带发电机的主要类型

船舶轴带发电机是由船舶主机通过变速装置直接驱动一台发电机供电的，它有各种类型。一般由船舶的种类、吨位、主机形式和主要动力装置的选用情况等决定选用何种类型的轴带发电机。根据螺旋桨形式的不同，轴带发电机可分为定距桨（FPP）和调距桨（CPP）两种轴带发电机。其中在由调距桨（变距桨）和轴带发电机机组成的（CPP+S/G）系统中，主机和轴带发电机之间装有减速齿轮装置，船速取决于变距桨的螺距大小，主机转速及轴带发电机的频率大致恒定。使用轴带发电机时，往往会减少一台辅机，从而使得机舱的空间节省了。在CPP+S/G系统中，其频率补偿分为无频率补偿型S/G系统和频率补偿型S/C系统，其中无频率补偿型S/G系统是由主机和定距桨的推进系统驱动的，主机转速未采取机械或电气的措施进行调节。由于轴带发电机的频率随主机转速而变化，所以这种轴带发电机只能在其频率不超出船舶规范允许范围时才可使用。而在频率补偿型S/C系统中，采用了机械或电气的控制手段来使船舶电网的频率保持稳定。

调距桨轴带发电机（CPP+S/G）

如图2-17所示，调距桨轴带发电机适用于调距桨船舶。无论船舶是机动航行还是正常航行，调距桨主机的转速基本保持不变，轴带发电机的输出电压的频率基本保持恒定，因此可以采用一般的船用交流发电机组。其工作原理及操作均比较简单，且与系泊（辅助）发电机的工作原理大致相同。但是在轴带发电机和主轴之间需采用中间传动机构，以提高轴带发电机的转速，使发电机体积不致太大。在船舶航行中，主机转速恒定，轴带发电机的利用率近似为100%。由于主机与柴油机组的速度特性不一致，所以调距桨轴带发电机不能与船舶柴油发电机组长时间并联运行，只有在切换发电机时，才可以和其他发电机并联运行。长时间并联运行非常困难的原因是，在主机运行于额定转速，可变螺距不处于最佳螺距工况，或调距桨负荷不稳定的情况下，将会导致动力装置效率迅速递减和主机速度的波动，进而导致并联机组调频波动，甚至会出现逆功率。

图2-17 CPP+S/G系统的结构图

在船舶机动航行或进出港时，由于主机负荷变化比较大，为了安全起见，采用系泊发电机供电，在船舶定速航行时切换为轴带发电机供电，这样整个系统操作方便，其维护的工作量比其他几种类型的工作量要少得多。

这种类型的轴带发电机系统存在的缺点有以下几个：

（1）轴带发电机的输出电压的频率受到主机负荷变化的影响，一旦工况不好或负荷幅度波动较大，则轴带发电机输出电压的频率也将变化较大，这显然对电网上的负载设备是很不利的。

（2）轴带发电机可以和其他发电机并联运行，但时间不宜过长，这主要是因为主机与辅机的工作特性有差别，两者很难做到机械特性一致。因此在船舶自动电站的管理装置的设计上，就需要考虑这个问题。只允许它们在相互转换的过程中短时间的并联运行，以确保电站的安全运行。

（3）轴带发电机输出功率的大小还要受到主机允许输出功率的限制。当主机负荷较大，或由于各种因素的影响使主机带负荷的能力下降时，轴带发电机的输出功率就不能增大，否则会造成主机超负荷运行，这时为了保证主机的正常工作，需要切除轴带发电机，换为系泊发电机向电网供电。

定距桨轴带发电机（FPP+S/G）

当主机驱动定距桨时，随着主机工况变化、转速变化，轴带发电机的转速也随之变化，其电压和频率不能保持稳定。为使轴带发电机的频率稳定在允许的范围内，就必须配备自动调节装置。当前经常采用的是转速补偿装置和频率补偿装置。定距桨轴带发电机系统按稳定频率的方式分类主要有：旋转变流机组稳频型、行星齿轮传动型、液力传动型及晶闸管（可控硅）整流-逆变器型。前三种均为稳速型，而晶闸管（可控硅）整流-逆变器系统（FPP+S/G+CF）采用电力稳频型，在远洋船舶中相对应用较多，其结构如图2-18所示。轴带发电机发出的频率、电压随主机转速而变化的三相交流电，经晶闸管整流器整流后变成直流电，再经晶闸管逆变器逆变成频率、电压恒定的交流电送入电网。FPP+S/G+CF系统的结构图如图2-19所示，该系统的主要组成及其工作原理如下。

图2-18 FPP+S/G+CF系统的结构图

1—轴带发电机；2—晶闸管整流器；3—直流平滑滤波电抗器；4—晶闸管逆变器；5—交流电抗器；6—同步调相机；7—励磁变换器；8—控制器；9—励磁变压器；10—负载

图2-19 FPP+S/G+CF系统的结构图

1.主回路有功通道

图2-19中的轴带发电机、晶闸管整流器、直流平滑滤波电抗器、晶闸管逆变器和交流电抗器构成主回路的有功通道。励磁变压器和励磁变换器构成轴带发电机的励磁电流调节电路。

2.无功通道

无功通道由具有自动电压调压器（AVR）的同步调相机（也称同步补偿机SC）构成，由电动机带动。运行时，同步调相机轴上既不需要原动机也不带机械负载，专门利用同步发电机能通过改变励磁电流而改变其无功功率的特性来调节供电系统的无功功率，与用于改善功率因数的电容起同样的作用。轴带发电机系统的同步调相机除输出无功功率外，还有维持系统电压、频率等作用。

3.控制器

控制器8用于调节和控制系统频率和有功功率。交流电抗器除用于滤除交流谐波，使输出电压更接近于正弦波外，也有限制短路电流的作用。

同步调相机在系统开始启动时靠同轴的异步电动机拖动，是作为同步发电机运行的，在自动调压器（AVR）的作用下建立起正常频率的额定电压。系统的电压和频率就决定于同步调相机的电压和频率，以同步调相机的频率作为控制信号来触发逆变器。在控制器8的作用下，当轴带发电机的逆变器已输出与同步调相机相同的电压和频率时，同步调相机的异步电动机将被自动从辅助发电机电网上断开，而该系统的逆变器功率补偿机则继续保持与逆变器并联运行。这时同步调相机就相当于两台并联运行同步发电机中的一台原动机失去动力的同步发电机，处于逆功率下的电动机运行状态。

如果轴带发电机与辅助发电机并车，辅助发电机被解列后，则由轴带发电机独立运行供电。由于逆变器将直流变成交流是靠晶闸管的开关作用完成的，逆变器输出的交流电压和电流每半波都是同时导通和关断的，没有落后电流的通路，所以电压和电流同相位，只输出有功功率。因此轴带发电机的晶闸管逆变器向电网负载输出有功功率，由同步调相机向负载输出无功功率。这就类似于两台同样的柴油发电机并联时，将有功功率全部转移给其中一台发电机，并通过调节励磁电流将全部无功功率转移给另一台发电机的供电情况。

船舶电力系统频率的调节是通过改变轴带发电机的励磁电流来实现的。增加励磁电流，轴带发电机的电压升高，逆变器的输入电压升高，输出功率增加，因为电网负载一定，故使得调相机的输入功率增加，转速增加，频率上升。

船舶电力系统有功功率平衡的调节过程为：当电网负载的有功功率增加时，首先引起同步调相机有功电流的增加，使其转速和频率下降，即靠同步调相机动能的减少暂时提供有功功率；与此同时，频率控制器根据频率的变化增加发电机的励磁电流（而不是直接控制主机油门），使逆变器输出的有功功率增加，来与电网负载的有功功率平衡，并恢复额定频率。

船舶电力系统无功功率平衡的调节过程为：当负载的无功功率变化时，同步调相机输出的无功电流随之变化，从而引起它的电压（即电网电压）变化，而自动调压器AVR相应改变它的励磁电流以保持电压的恒定和无功功率的平衡。这与一般同步发电机调节无功功率的原理相同。

变转速的轴带发电机允许输出的功率，因受电枢电流和励磁电流额定值的限制，在不同的转速范围内是有所不同的，其典型的额定功率输出特性如图2-20所示。图中，P=1和n=1这一点为标幺值，定义为基准额定工作点。在这一点上，所有电流、电压及功率的标幺值均为1。额定功率输出特性表明：主机转速在75%～100%额定转速范围内可以输出额定功率；在40%～75%范围内，输出功率将随转速的下降而呈线性的下降；当转速低于额定转速的40%时，发电机所产生的电压已无法维持晶闸管逆变器的工作，轴带发电机系统停止工作。只有轴带发电机的总负荷标幺值在该曲线界定的范围内，轴带发电机才能保证正常运行。若越过此曲线，则将使轴带发电机过载。因此，额定功率输出特性曲线是轴带发电机设计的一个主要依据，控制系统的任务之一就是要保证轴带发电机在额定输出特性范围内维持供电频率在一定的范围内。

图2-20 额定功率输出特性

轴带发电机的运行操作

轴带发电机的运行操作如图2-21所示。轴带发电机与辅助发电机的并联和转换可以全自动进行。如果是手动并车，其整步合闸、负载转移和辅助柴油发电机的解列与一般的手动准同步并车操作相同。轴带发电机的并车操作顺序是：经自动频率预调，将有功通道的主开关储能，观察整步灯，满足并车条件时按下合闸按钮；操作调速开关进行负载转移，辅助发电机组解列、停机。平常这一切操作通常是由自动并车装置完成的。

图2-21 轴带发电机的运行操作

船舶在进出港口和靠离码头时一般都不使用轴带发电机，而是使用辅助柴油发电机。轴带发电机要与辅助柴油发电机长期并联运行，要求轴带发电机系统中的频率变换器的控制电路具有与调速器相同的特性，因此在选用轴带发电机组时，一般不考虑连续并联运行的要求。当船舶在航行中需临时停车，或进出港时，必须考虑轴带发电机组与辅助柴油发电机组进行带电转换，带电转换必须在主机额定转速的60%～110%的范围内进行。主机在紧急停车和紧急倒车时，可以采用两种转换方法：一种是当主机转速降到60%以下时，采用失电转换；另一种是将主机转速维持在额定转速的60%，待供电转换为辅助柴油发电机后再急剧降低主机转速。若来不及带电转换就要求主机停车，此时只能使用应急电源。