（交通运输工程专业论文）定距桨变频型交流轴带发电机的研究.pdf

摘要 在船舶的营运费用中，燃料费用占了5 0 - 6 0 ，各国的航运企业为获得较高的经 济效益都在想方设法降低营运成本，采取各种途径降低能耗。船舶主柴油机通常有 1 0 1 5 额定功率的功率储备，轴带发电机完全能满足船舶正常航行的电力需要。 作为船舶节能的主要装置，轴带发电机在船舶上的应用越来越广泛。 交流轴带发电机有变距桨和定距桨两种类型，其中以定距桨为主。对定距桨轴带 发电机，为使轴带发电机的频率保持恒定，通常采用转速补偿装置或频率补偿装置。 目前，在国内外船舶中，主要采用可控硅逆变器式的轴带发电机。 目前使用的定距桨轴带发电机，存在以下一些问题：( 1 ) 效率不是很高：( 2 ) 造 价和投资较大：( 3 ) 存在高次谐波。为了克服这些问题，可对定距桨轴带发电机系统 加以改进，采用变频型交流轴带发电机系统。该系统的工作原理是：主机通过双速齿 轮箱在带动定距桨的同时由双速齿轮箱的增速端驱动交流同步发电机，组成变频型交 流轴带发电机。 本文分析了变频型交流轴带发电机的技术可靠性和经济合理性。 本文通过理论分析和模拟试验，并对所测数据进行处理和分析。分析电站在正常 航行、进出港、主机倒车、主机换挡等各种工况下工作的可靠性。从主机转速变化对 发电机频率、电压和输出功率等方面的影响进行了分析，采用变频型轴带发电机时， 选用不可控相复励系统，电网的电压及频率随发电机转速的下降按相同的幅度下降。 当电网电压和频率的变化时，分析了电动机、变压器、控制及保护系统、照明系统、 通信导航设备等受电器工作的可靠性。本文还介绍了为了提高轴带发电机运行可靠性 所加的附加装置。 本文从节约能源降低燃料费用、降低建造投资、减少维修和保养费用等方面分析 了采用的经济性。 通过分析后得出结论，定距桨变频型交流轴带发电机是能够可靠工作的，并且是 经济合理的。 关键词：变频型，交流轴带发电机，可靠性，经济性 a b s t r a c t b e c a u s et h ef u e le x p e n s ea c c o u n t sf o rt o t a ls h i p p i n go p e r a t i o nc o s to f5 0 6 0 ，e v e r y s h i p p i n gc o m p a n i e sh a v et a k e na c t i o n st or e d u c eo p e r a t i o nc o s tr e s u l t i n gf r o me n e r g y c o n s u m p t i o n ，c o n s e q u e n t l yg e t t i n gh i g h e rb e n e f i t i ng e n e r a l ，t h em a r i n ed i e s e le n g i n e sc a l l p r o d u c er a t e dp o w e ro f1 啦1 5 i nr e s e r v e w h i c hd r i v eas h a f tg e n e r a t o rt os a t i s f yt h e n o r m a ls a i l i n gn e e d so fe l e c t r i cp o w e r t h es h a f tg e n e r a t o r sh a v eb e e na p p l i e do nb o a r d t h es h i p sm o r ea n dm o r ec o m m o n l ya se n e r g y - s a v i n gi n s t a l l a t i o n t h e r ea r et w ot y p e so fs h a f tg e n e r a t o r , a c c o r d i n gt ot h e i ri n s t a l l a t i o n , o n ei n s t a l l e d w i t hc p pa n dt h eo t h e rw i t hf p p f o rt h el a t t e r , t h es p e e do rf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n d e v i s e ss h o u l db eu s e di nc o n j u n c t i o nt om a i n t a i nt h eg e n e r a t o r sf r e q u e n c y n o w a d a y s ， t h ec o m m o na p p l i c a t i o no fc o m p e n s a t i o nd e v i c e si sa l le x t e r n a l l ye o m m u t a t e dt h y r i s t o r i n v e n t o r t h ep r o b l e m sp r e s e n to fs h a rg e n e r a t o rw i t hf p pa l e ：( 1 ) l o w e ro fe f f i c i e n c y , ( 2 ) h i 曲e r o f b u i l d i n gf e e ；( 3 ) e x i s t i n g o fu l t r a - h a r m o n i c s t oo v e r c o m et h e s e ， v a r i a b l e - f r e q u e n c y s h a f tg e n e r a t o rs y s t e mc a nb eu s e d t h i ss y s t e mo p e r a t e so nt h e p r i n c i p l eo f m a i ne n g i n ed r i v i n gm a i ne n g i n ed r i v i n gs i m u l t a n e o u s l ya l la c s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r a n df p pt h r o u g ha d o u b l e s p e e dg e a rb o x ，t h a t m e a n sa na c v a r i a b l e - f r e q u e n c ys h a f tg e n e r a t o r t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo ft h ea ，c v a r i a b l e - f r e q u e n c y s h a f tg e n e r a t o r t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h er e l i a b i l i t yo fs h i pp o w e rs t a t i o no ne a c hs h i p p i n g m o v e m e n t ，i n c l u d i n gn o r m a ls a i l i n gc o n d i t i o na n dm a n e u v e r i n g ，t h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i ss i m u l a t i n gt e s t sa n dd e a l i n gw i t ht h ed a t em e a s u r e d t h ev a r i a t i o no fg e n e r a t o r f r e q u e n c y , v o l t a g ea n do u t p u tc a u s e db ym a i ne n g i n es p e e di n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n gi s a l s oa n a l y z e dh e r e w h e nv a r i a b l ec o m p o u n d e ds y s t e mm a yb eu s e d ，w i t ht h er e s u l to ft h e s a m ed e c r e a s i n go f b u s b a rv o l t a g ea n dl o w e r i n go f g e n e r a t o rs p e e d w h e nt h ev a r i a t i o no f b u s - b a rv o l t a g ea n df r e q u e n c yo c c u r s ，t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cm o t o r s ，t r a n s f o r m e r s ， c o n t r o la n dp r o t e c t i o ns y s t e mi sa n a l y z e di nt h i st h e s i s i na d d i t i o n ，a l la d d i t i o n a ld e v i c e u s e df o ri n c r e a s i n gt h eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yo f s h a f tg e n e r a t o r si si n t r o d u c e d t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y s e s t h e e c o n o m y o ft h e a p p l i c a t i o n o ft h e a c v a r i a b l e - f r e q u e n c ys h a f tg e n e r a t o r , f r o mt h e r e d u c t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，f u e l e x p e n s ea c c o u n t s ，b u i l d i n gf e e ，a n dm a i n t e n a n c ec o s t s 、v i t ht h ec o n c l u s i o no ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea c v a r i a b l e f r e q u e n c ys h a f tg e n e r a t o r o nf p pc a no p e r a t er e l i a b l y ，a n di ti se c o n o m i c a l k e yw o r d s ：v a r i a b l e f f e q u e n c y ，a c s h a f tg e n e r a t o r , e c o n o m y , r e l i a b i l i t y 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成 果。其他同志对本研究的启发所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢 意。 作者签名： 塑蠢基日期：2 q q 垒! i 2 ：丝 论文使用授权声明 本人嗣慧上海海事量学有关保留、使用学位论文的规定，& 口：学校有权保留论文 复印件，允许论文被 用影印、缩印或者其 ：学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：塑查基导师日期：2 q q g ：1 2 ：2 2 交通运输工程硕士论文 前言 7 0 年代初的石油危机，使石油价格猛涨十余倍。以往认为用之不竭的滚滚廉价 石油，一下子身价百倍。石油危机对西方发达国家的严重冲击，至今记忆犹新。根据 国际通行的预测，石油将在4 0 年内枯竭， 2 2 0 年1 1 1 。在人类利用能源的历史长河中， 天然气将在6 0 年内用光，煤炭也只能用 石油、煤炭、天然气等常规能源的供应毕 竟是短暂的一瞬间，所以人类必须节约使用这些有限的常规能源。中国能源形势不容 乐观，我国人口占世界的1 5 ，而能源资源相对匮乏。我国已探明的煤炭储量约占世 界储量的1 1 ，原油占2 4 ，天然气占1 2 ，人均能源资源占有量不到世界平均水 平的一半【i l 。我国是世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国，从1 9 9 3 年开始 成为能源净进口国，能源稀缺，特别是油气资源短缺已成为制约我国经济发展的首要 因素。随着国民经济全方位发展，交通必将先行而大幅度发展，传统意义上的能源很 难再生，它将日益桔竭。而人类的发展却提出日益高涨的能耗需求。这是一个不容回 避的严酷事实! 能源问题已成为世界各国政府、实业界和科技部门密切关注的问题， 是涉及子孙后代的大事，节约能源是一项长期战略措施。 海上运输的主要工具船舶，随着物流业的进一步发展，其数量在不断增加。 船舶作为交通运输中载运量比例最大的载运工具，也是一个耗能大户，其节能效果的 好坏对国民经济的影响很大。 与新兴的信息产业相比，船舶工业与航运业是一个十分传统的行业。传统行业如4 何适应可持续发展战略的要求，并维护自身行业微薄的利润率，是一个非常艰巨的任 务，有“工业血液”之称的石油价格居高不下，给本来就不景气的传统行业带来了更 大的冲击。 回顾石油危机以来的3 0 年。可看出由其引发的油价上涨是非常迅猛的，且持续 不衰。可以说，没有一种产品像石油那样在如此短的时间内价格如此大幅上扬。石油 危机对航运界的影响是极其深远的，由此触发的节能概念已植根于船舶及其设备的设 计过程中。 1 9 7 3 年以前，由于稳定且较低廉的燃油价格通常使航运部门的燃料开支仅占其 成本的1 0 1 5 。1 9 7 4 年以后，燃油开支升至3 0 4 0 ，此趋势大约维持到1 9 7 8 年 左右，1 9 7 9 年以来至8 0 年代中，燃油开支持续上升约占营运成本的5 0 - - 6 0 t 2 1 拥 有大量集装箱船、滚装船及定期班轮的太航运公司，更深受燃油高昂开支之苦，不得 不采取诸如降功降速等措施，以缓解石油危机带来的冲击。7 0 8 0 年代，航运界不 得不将最高设计商船航速间由原来的2 0 2 5 k t 左右降至t 5 2 0 k t 。现役船亦由杂货 交通运输工程硕士论文 船的1 8 k t 降至1 5 k t 或更低，数货船及油轮的1 8 k t 降至1 2 一1 4 k t ，干线集装箱船的 2 8 k t 降至2 4 k t ，支线集装箱船的1 8 k t 降至1 3 k t 等等。主机厂商亦不遗余力，采取 多种技术措旌，使主机耗油率下降达2 0 以上。设计研究部f - j 贝j 不断探索各种行之有 效的节能措施，开发新型船，并向航运界推荐各类综合节能船，其节能效果可达 3 0 , - - 4 0 0 o 甚至更高【2 j 。 油价的爆涨导致营运成本的上升已对船舶运输行业的生存和发展构成严重威胁。 各国的航运企业为获得较高的经济效益都在想方设法降低营运成本，采取各种途径降 低能耗，其中船舶电站的经济性又是倍加关注的一个熟点。船舶电站的经济性是由燃 油费用、涧滑油费用、维修保养费用以及发电机的效率来决定。随着船舶电气设备的 增加和自动化水平的提高，用电量相应增加，尤以大中型集装箱船舶最为突出，整个 电站的总容量己高达8 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 k w i 孙。所以，对船舶电能的产生、传递、消耗与其 成本必须加以重视。为了减少船舶的营运成本，提高经济效益和社会效益，开发和应 用各种节能装置是十分重要的。 船舶电站的能耗在整个船舶动力装置中占有一定的份额，船舶电力系统节能是船 舶节能的重要组成部分。船舶电力系统节能技术包括f 4 1 ： ( 1 ) 研制轴带发电机系统； ( 2 研制废气涡轮发电机，以充分利用废气能量； ( 3 ) 提高发电机、电动机、照明器具、电缆等产品的效率； ( 4 ) 根掘船舶辅机所需机械能量的变动，研究拖动电动机的变速控制方式，以 减小运行时所需电力。 轴带发电机作为船舶节能的主要装置，在船舶上的应用越来越广泛。 船舶在选用主柴油机时，要考虑海况、船况、柴油机安全等功率储备。该储备须 达到额定功率的l o 1 5 【5 1 。如果船舶航行于平静的海面，并且船舶出厂不久或坞 修之后，这时海况及船况良好，主柴油机就有较大的功率储备没有得到充分利用。另 外，主柴油机大都在部分负荷下运行，而在低于7 5 8 5 额定功率的低负荷下运行 时，其经济性将下降。如果利用轴带发电机，可以使主机长时间在较高负荷下运行， 从而具有良好的经济性。一般来说，船舶电站功率为主机额定功率的5 左右【5 l ，轴 带发电机完全能满足船舶正常航行的电力需要。轴带发电机因其良好的经济性而得到 广泛应用。一般采用轴带发电时，动力装置的效率可提高2 一4 ，发电成本比辅助 柴油发电机组约低5 0 【6 】。 2 交通运输t 程硕七论文 1 1 选题背景 第一章概述 船舶轴带发电机是由主机驱动船舶发电机的供电装置，尤其对于远洋船舶，因航 线长、船速稳定，应变情况少，所以是比较合适应用轴带发电机的。与辅柴油机发电 机组相比，它因具有以下优点而被广泛应用于船舶上 4 1 7 1 ： ( 1 ) 降低燃油消耗量。 船舶发电机装置通常被看作一个单独的耗油机构，而船舶主机的功率都有l o 1 5 的裕量，船舶电站的功率为主机额定功率的5 左右，因而在航行期间，全船电 力由轴带发电机系统提供，此时无需运转辅柴油发电机，由于主机转速低、效率高、 耗油量少，可降低燃油消耗量，可带来巨大的经济效益。 ( 2 ) 减少了昂贵的轻柴油消耗。 船舶主机一般都使用价格低廉的重油，而船用辅机大多使用质优价高的轻柴油， 使用轴带发电机后，使轻柴油的用量大为减少，将给船主带来明显的经济效益。 ( 3 ) 节省了润滑油。 由于轴带发电机供电时，无需运转辅柴油发电机，在降低燃油消耗量的同时，也 减少了润滑油的使用量。 ( 4 ) 减少了辅柴油发电机的台数，节省了投资。 采用轴带发电机后，可减少辅柴油发电机的数量，降低了船舶的造价。 ( 5 ) 减少了辅柴油发电机的工作时间，节省了维护与修理费用。 由于在航行中，全船电力由轴带发电机供给，因而大大减少了辅柴油发电机的工 作时间。另外，主机的检修周期相对较长，使这种发电机的有效运行期延长，可靠性 增加，从而在维护与修理上，可大大节省费用，有力地降低了运作成本。 ( 6 ) 减少了发电设备的占有空间与重量。 因为轴带发电机一般安装在主机的首端或尾端，对有效空i 日j 的占有影响不大，减 少了发电设备的占有空间与重量。 ( 7 ) 改善机舱环境。 因为在航行中，轴带发电机动力来自主机，辅柴油发电机不工作，而主机的转速 较低，轴带发电机的转速也较低，故可降低机舱内的噪音，同时减少了机舱的热源。 这在环境保护越来越受重视的今天，可以说是另一很吸引人的优点。 1 2 问题的引出 交通运输工程硕士论文 1 2 1国内外轴带发电机的发展现状 轴带发电机可分为直流和交流两大类： ( 1 ) 直流轴带发电机 当船舶为直流电制时。由于他励直流发电机的电压与转速近似成线性关系变动， 所以直流轴带发电机多采用他励式。同时为维持发电机发出的电压不变，必须采用自 动电压调整器。由于目前船舶电力系统几乎均采用交流电制，直流轴带发电机已很少 采用。 ( 2 ) 交流轴带发电机 交流轴带发电机的控制环节要比直流复杂，因为主机转速的变化会影响电网的电 压和频率，若要保持轴带发电机的电压和频率稳定，针对可变螺距桨和定螺距桨两种 不同的主机及螺旋桨类型需采取不回的措施。 目前交流制船舶有两种类型，一种是c p p 船，另一种是f p p 船。 c p p 是可调螺距螺旋桨( c o n 拄o l l a b kp i t c hp r o p e l l e r ) 的英文缩写。这种船舶在航 行状态时，在恒速调速器的作用下，其主机的转速和转向恒定不变，轴带发电机可使 用一般的船用交流发电机组，理论是无需采取特别措施。若发电机的转速为n ，发电 机的磁极对数为p ，则轴带发电机输出电压的频率f 为一恒定值，即 f ：堡( 1 1 ) 6 0 但是当船舶在风浪中航行时，螺旋浆负荷会急剧变化，主机虽有调速器，但转速 仍有较大的波动，致使发电机频率发生变化。为此，在变距桨轴带发电机控制系统中， 一般设自动负荷控制装置，作为主机调速器的辅助调节装置。另外，由于船舶主机的 转速一般较低，若发电机直接由主机驱动，要产生5 0 h z 的交流电，发电机的磁极对 数会很多，因此体积较大。为了减少发电机的体积，可在主轴和发电机之间采用中间 传动机构，以提高轴带发电机的转速。这样，主机转速的波动传递到发电机上就更明 显了。变距桨轴带发电机对主机定速性能要求较高，在大型远洋船舶上应用较少。 f p p 是固定螺距螺旋桨( f i x e dp i t c hp r o p e l l e r ) 的英文缩写。目前，船舶主机大 多采用定距桨。这种船舶在航行状态时，为了改变航速，主机的转速甚至转向都是可 变的。在主机转速变化的情况下，轴带发电机的电压和频率将随之发生变化。为使轴 带发电机的频率保持恒定。都配备自动控制装置。通常采用转速补偿装置( 由转速变 换器将可变转速变换为恒定转速) 或频率补偿装置( 通过频率变换器变换为恒定频 率) ，目前使用的定距桨轴带发电机有下述几种方法【4 1 【5 1 1 7 1 龇l ： ( i ) 用交流杌组稳定供电频率 这种方法是将轴带发电机发出的频率可变的交流电，经由可控硅组成的可控整流 4 交通运输丁程硕1 。论文 电路整流后变换为直流电。供给直流电动机，由直流电动机拖动另一台三相交流同步 发电机组发电，经自动电压调节器a v r 调节后，向电网提供电匿、频率恒定的交流 电。控制系统根据测量得到的三相同步发电机实际转速与给定转速的偏差来调节可控 整流装冒的控制角a ，从而改变可控整流电路的输出电压，以此来调节直流电动机的 输入电压，保证其转速的恒定，如图1 - 1 所示【g 】。由于中间增加了直流电动机。所以 维护麻烦，效率也低，应用较少。 轴带发电机 图1 - 1 采用变流机组的轴带发电机系统 ( 2 ) 采用行星齿轮传动系统 动力输入轴( 即主机主 轴) 经离合器，驱动行星变速 器的行星轮g 2 ，其转速为n 2 ， 太阳轮g 1 连接输出轴驱动发 电机，其转速为n ，油马达( 其 转速为h a ) 经减速后驱动行星 变速器的齿圈g 3 。 n o = i 。( n - i 。n 。) ( 其中i m 为g 2 与g 1 之间的变比，l 为g 4 与g 5 之间的变比) ， 当主机转速n 。变化时只要相 应改变油马达的转速m ，就能 汇 流 排 图1 - 2 行星变速器恒速原理 交通运输1 = 程硕士论文 保持输出轴转速n o 不变，油马达的转速m 叫做补偿转速。如图卜2 所示【9 1 。 图1 - 3 采用行星齿轮传动的轴带发电机系统 汇 流 排 主机轴经齿轮耦合到行星变速器，行星变速器的输出轴带动轴带发电机发出三相 交流电，频率检测电路检测轴带发电机发出的三相交流电的频率，当主机转速变化进 而使行星变速器输入轴转速n 。变化时，必导致轴带发电机发出三相交流电频率的变 化，恒频和调频调载电路将向行星变速器送出补偿转速加或减信号( i n c d e c ) ， 行星变速器根据此信号改变补偿转速的大小，使行星变速器输出轴转速i l o 恒定，发 电机发出的三相交流电频率恒定。如图1 - 3 所示 9 1 。 ( 3 ) 采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统 轴带发电机发出的非恒定频率的交流电经整流器整流后，变换为直流电，供给晶 闸管三相逆交器，变换为频率恒定的三相交流电。供给船舶电网。这罩整流器为可控 硅组成的桥式整流电路，逆变器为可控硅全控桥式电路，按有源逆变状态运行。如图 1 - 4 所示1 5 1 0 0 1 。 6 电 网 交通运输t 程硕士论文 一般三相逆变器供给负载有功功率，而负载所需的无功功率由同步补偿机提供。 同步补偿机为一工作在过励状态下空载运行的同步电动机，当负载功率因数低时，适 当增加补偿机的励磁电流，可输出较多的无功功率，以满足负载无功功率的需要；当 负载功率因数升高时，减小补偿机的励磁电流，从而维持电网电压的恒定。因此，同 步补偿机带有自动电压调整器a v r 。同步补偿机可以专设( 原动机一般为异步电动 机) ，也可用一台辅助发电机代替。运行开始时由原动机带动，投入电网后再通过离 合器将其与原动机脱离。 交流电抗器为一台带有铁心的三相扼流线圈，它布置在逆变器输出与船舶电网之 间，接入交流电抗器的目的是用来限制谐波电流，改善输出电压波形和用以限制交流 侧短路电流。 ( 4 ) 轴带异步发电机系统 轴带发电机采用绕线式异步发电机，其转子转速正常情况下应略高于同步转速， 转子绕组产生的电能通过整流器供给直流电动机，直流电动机再以同步转速驱动同步 发电机。因此电压和频率取决于直流电动机的转速，与主机的转速无关。电网电压由； 同步发电机的自动电压调整器调节，频率通过调节直流电动机的电压或励磁电流来维 持恒定。其系统示意图与采用变流机组的轴带发电机系统类似。 ( 5 ) 电磁滑差离合器恒速轴带发电机系统 电磁滑差离合器( 涡流离合器) 有两个盘( 转子) ，从动盘接发电杌的转子，主 动盘经增速齿轮与主机轴相连。当主机转速变化引起主动盘的转速变化时，只要控制 从动盘磁极的励磁电流，就可以保持从动盘以恒速运转，因此借助电磁滑差离合器，坤 同步发电机能以恒定的转速运转，从而输出恒频的交流电。如图i - 5 所示1 7 1 1 引。 电磁滑差离合器，2 竺竺! 曼 l 一。_ ，h 。+ + 一 图l - 5 电磁滑筹离合器恒速轴带发电机系统 目前，在国内外船舶中，主要采用可控硅逆变器式的轴带发电机【1 2 】。8 0 年代后， 交通运输工程硕士论文 我国远洋船队先后在德国、日本建造了一批集装箱船、滚袋船，这些船舶大多装有可 控硅逆变装置的轴带发电机1 1 3 】【1 4 】。 1 2 2 目前存在的一些有待解决的问题 虽然轴带发电机具有很多优点，且使用越来越广泛，但目前使用的定距桨轴带发 电机。还具有以下一些问题有待解决： 1 2 2 1 效率问题 应用轴带发电机的最主要的目的就是节能，而且前使用的这些轴带发电机，效率 不是很高，使得节能效果受到一定的影响。 电磁滑差离合器恒速轴带发电机系统的效率最低，由于存在滑差损失，且全部以 熟的形式发散，总效率约为5 0 左右，节能效果最差【7 】。 行星齿轮传动系统，由于存在液压传动，液压系统的效率不商，一般在8 5 以下， 再加上齿轮传动的损耗。总的效率也不高。 对采用变流机组和轴带异步发电机系统而言，两者都有三种旋转机械的损耗，总 的效率也不高。 采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统，存在两种旋转机械的损耗，总的效率也 受到影响。 * 1 2 2 2 造价和投资问题 采用变流机组和轴带异步发电机系统，其造价最高，投资最大，其中包括轴带发 电机，变换器、直流电动机、控制装置等费用。 采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统，其造价也很高，其中包括同步补偿机、 变换器、控制装置等费用。 采用行星齿轮传动系统，其造价包括增速齿轮、行星齿轮、联轴节、控制装胃等 费用。 采用电磁滑差离合器恒速轴带发电机系统，其造价包括增速齿轮、联轴节、控制 装置等费用。 1 2 2 3 谐波问题 若采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统，因为可控硅元件在换流时输出电压波 变通运输工程硕十论文 形发生畸变，因而输出含有高次谐波成分的电压，产生高次谐波电流。谐波干扰的主 要危害有 4 k ”】： 增加船舶电力系统中发电机、电动机及其他电器元件的附加谐波损耗与发热， 缩短其使用寿命； 非正弦波电压加在电机上能引起电机过热产生脉动扭矩或噪声。电压畸变乃是引 起转子发热的主要问题之一。电机电能损失决定于外加电压的频谱。感应电动机的斜 槽铁心和杂散损失在由高次偕波频率的逆变器供电时将变得更加显著。电机运行温度 升高将使电机的寿命降低。 ( 多熔断器容量是根据基波来定的，出现高次谐波，会使熔断丝易熔断。 对无线电仪器、设备的影响。受影响的设备通常是些使用3 兆赫以下频率 信号的设备( 如劳兰接收机、无线电接收机、测向仪、鱼群探测仪等) ，由于受到电 磁干扰，可能无法正常工作： 谐波畸变对电子设备的影响有几种标准。首先要考虑的是由于谐波畸变引起的电 压多次过零。对电子电路而言，通常利用基波电压的零跨越作为时间计量之用，但是 由于谐波干扰，引起除基波外的多次电压零，这将破坏设备的正常运行。任何设备只 要以电压过零为同步，必须考虑由于谐波干扰可能运行中断。半导体元件常在电压零 跨越时切合以减少电磁干扰及涌流。多次零跨越改变了设备的切合时间使设备运行中 断。 电子电源供给设备常用电压波形的峰值。使滤波电容处在满充电状态，由于谐波 影响可使电压波形的峰值增大或扁平。其结果为电源电压高于或低于输入的正常基波 电压值。严重畸变时设备运行将中断，即使不严重亦将使运行电压有效值降到某一数 值。若再遇到电压有微小的降低，亦将导致设备运行中断。 在交流电力系统中存在有感性和容性电抗，会产生并联谐振的频率。这个谐 振频率如与谐波电流的频率相近就会发生谐振现象，系统就会产生非常大的谐波电 压。它的谐波电流比可控硅变换装置出来的谐波电流还要大，并烧毁电容。当电路阻 抗形成的阻尼小的时候，便容易发生这种情况。 出现检测错误及信号干扰，致使自动装置和继电器保护功能降低或误动作； 波形畸变影响继电保护的性能，能使继电保护误动作或拒动。大多数情况负荷电 流波形畸变对故障电流没有影响。但是对于故障电流值小时，故障电流中含有大量负 荷电流成分。此时波形畸变将成为一个主要因素，即使含有畸变波形的负荷电流继电 器仍工作正常。 电力系统谐波对变压器的主要影响为负荷电流中谐波成分造成的额外损失产 生的热量，其余问题包括在变压器线圈电感与系统电容之间可能产生谐振以及由于温 9 交通运输t 程硕士论文 度的周期性变化及小的铁心振动造成线圈与矽钢片绝缘机械损坏。 额外产生热量将使主变压器被迫降出力运行或者设计成能载非正弦电流的特殊 变压器，超温运行变压器寿命将降低。 谐波在变压器中产生主要损失包括线圈1 2 r 损失、线圈涡流损失以及由磁力线在 线圈、铁心、夹紧件桶皮中产生的杂散损失。1 2 r 部份损失主要为导线温度升高及集 肤效应，线圈涡流损失与负荷电流的平方及频率平方成正比。其余杂散损失将随频率 增加，但少于其2 次方。 对照明的影响 白炽灯的寿命对电压水平很敏感，因此受电压畸变的影响将减少寿命。受电压畸 交影响，运行电压有效值超出额定电压时，电压常在1 0 5 有效值下运行，灯泡寿命 将减少4 7 略”】。 使某些电气测量仪表产生误差，甚至指示出错。 世界各国为了防止谐波干扰所造成的“电力公害”，都制定了严格的谐波抑制标 准，我国对于3 8 0v 的船舶电网，规定电网电压总谐波畸变率不得超过5 o 嘣m 1 。 1 3 本文工作 随着现代科学技术的发展，特别是经受了7 0 年代两次能源危机的冲击，国际航 运界对船舶节能要求日益迫切。目前我国以及国外绝大多数船舶均采用三相恒频交流 电制。沿海以及长江内河运输船舶大多采用5 0 h z 、3 8 0 v 三相交流电制；远洋运输船 舶多数为6 0 h z 、4 4 0 v 三相交流电制，二者均为恒定频率。为了更好地发挥轴带发电 机的节能效果，同时减小初次投资、消除谐波问题。可对定距桨轴带发电机系统加以 改进，采用变频型交流轴带发电机系统。其原理图如图1 - 6 所示。 双 速 齿 曰轮 箱 增 总 速 = d 轴带发电机卜 配 端 电 扳 图1 6 变频型交流轴带发电机系统原理图 该系统的工作原理是：主机通过双速齿轮箱在带动定距桨的同时由双速齿轮箱的 1 0 交通运输t 程硕论文 增速端驱动交流同步发电机，组成变频型交流轴带发电机。 由于该系统只增加了一个双速齿轮箱，而齿轮传动的效率非常高，其损耗大约在 1 左右，因此，系统总的效率很高。由于系统只增加了一个双速齿轮箱，造价很低， 初次投资很小。同时轴带发电机的输出电压是正弦波。没有高次谐波。 由于主机转速的变化，定距桨变频型交流轴带发电机产生的交流电频率和电压都 随之发生变化。本文对定距桨变频型交流轴带发电机系统工作的可靠性进行技术分 析： ( 1 ) 主机转速在多大范围内变化时。轴带发电机的输出电压和频率成线性关系。 ( 2 ) 电网电压和频率在多大范围内变化时，各受电器能正常工作。 通过理论分析和模拟试验，并对所测数据进行处理和分析，对电站使用工况、主 机转速降低时发电机工况、电网电压后频率的变化时各受电器工况等进行分析。得出 结论，定距桨变频型交流轴带发电机是能够可靠工作的。 变通运输工程硕士论文 第二章变频型交流轴带发电机技术分析 本章从电站使用工况、主机转速变化对发电机的影响、电网电压及频率变化对各 受电器工况的影响三个方面进行分析。 2 1 电站使用工况分析 在正常航行时，轴带发电机由双速齿轮箱的增速端驱动，向全船用电设备供电。 此时主机的转速会随海况而变，输出电压和频率也会随主机转速的变化而变化。但是 主机的转速一般变化不大，在风平浪静时，主机转速变化般不超过3 ，遇到风浪 时，一般可达1 0 左右，由于发电机的输出电压和频率都与转速成正比，此时发电机 的输出电压和频率随主机转速的变化按相同的幅度变化，即u f = 常数。对电动机、 变压器、接触器等各类电器来说，有 u = 4 4 4 f n k o 。 ( 2 1 ) 式中： i 卜- 发电机的输出电压： 卜发电机的频率： 忖一线圈的匝数； k _ 一线圈的分靠系数； 中，r 一铁心中的主磁通的最大值。 由于u 仁常数，故铁心中的主磁通m 保持不变，因此各负载均不会因为磁通增 大而过热损坏。同时，发电机的输出功率也随转速的变化按相同的幅度变化，但当电 压和频率下降时，各类负载所需的功率下降更甚，因此不会引起负载过载。 在进出港时，由于航行工况比较复杂，主机转速变化较大，可能超出2 0 。则为 了确保安全，此时轴带发电机停止工作，由辅机发电机向全船供电。 在倒车时，若主机不超负荷，轴带发电机仍可正常工作；如主机超出过载能力， 则轴带发电机切除，应急电源自动接通，同时起动辅机，向全船供电。 根据双速齿轮箱进行离合操作的需要，主机转速应先下降2 0 ，然后在进行离合 操作，在合上离合器时，另外再考虑有5 的瞬态速降，这样整个操作过程中最大速 降为2 5 ，操作时间按规定不超过1 5 秒。在这期间虽然电网电压及频率都有较大幅 度的降低，但经过理论分析和模拟试验，得出发电机的电压、频率在上述范围内变化 时，各受电器的工况仍无明显影响。 1 2 交通运输t 程硕十论文 析。 2 2 主机转速变化对发电机的影响 本节从主机转速变化对发电机的频率、电压和输出功率的影响三个方面进行分 2 2 1 主机转速变化对发电机频率的影响 发电机输出电压的频率与其转速之间的关系如式( 1 1 ) 。 由于磁极对数p 为常数，故频率f 与转速n 成正比关系，即当发电机的转速下降 2 0 时，电网的频率也下降2 0 。 2 2 2 主机转速变化对发电机电压的影响 因为交流同步发电机都使用了相复励装置，各变量之间相互影响，所以转速与电 压之间的关系就复杂得多。交流同步发电机相复励装置有不可控相复励和可控相复励 两种。下面分别加以讨论。 2 2 2 1 不可控相复励系统 相复励装置的类型较多，通常可归纳为三种方式：即按电流方式叠加、按电磁方 式叠加及按电势方式叠加的相复励装置。他们的原理基本相同，其中对称三相电流叠 加的相复励具有典型的意义，如图2 - 1 所示i 引。 画出为电流叠加相复励装置的单线原理图及其等效电路，如图2 - 2 、图2 - 3 8 1 。 由图2 3 可得 i r 吐“= 志+ 蒜i q 当频率接近5 0 h z 时，x r ，则 i f = i ，十i 。* 耳u + i ： 。( 2 3 ) 式中： i 励磁电流的电流分量，即电流互感器的副边电流； i 。励磁电流的电压分量： i ，交流侧励磁电流； 交通运输工程硕士论文 i 】一发电机的输出电压； r 励磁电路的等效电阻； x 励磁电路的等效电抗。 图2 - 1 电流叠加相复励装置 x d 图2 - 2 电流叠加相复励单线原理图 xi v 圈2 - 3 审浠叠加相每励等鼬申略 当发电机空载时，l = o ，可得到空载电压： u 。= e = 4 4 4 f n k c d m = k l n c d 。( 其中k n 为常数) ( 2 - 4 ) 式中： u d 一发电机的空载电压； e 发电机的感应电动势； 1 4 交通运输工程硕士论文 卜发电机的频率； n 发电机线圈的匝数； k - 一线圈的分布系数； 中r 铁心中的主磁通的最大值： n - 一发电机的转速。 由于o 。= f ( i r ) ，代入( 2 - 4 ) 得 u 。= k l n f ( i f ) ( 2 5 ) 因为x = k 2 n ( k 2 为常数) ，代入( 2 3 ) 得 i ，= u x o = 警kn = 知k ，) ( 2 - 6 ) 1 x ， 所以，励磁电流i f 与发电机的转速n 无关，即当转速变化时，励磁电流i f 为常数。 显然，o 。= f ( i r ) 也为常数。 根据( 2 4 ) 式，发电机的空载电压正比于发电机的转速，同样可证明在有负载 时，其电压也正比于转速。 上述证明是在忽略励磁电路电阻r 的前提下进行的，因此略有误差，特别是当 频率较低时，r 的影响就比较明显，所以，实际过程中电压比频率下降得稍快一点。 这一点在后面的模拟试验中得到了证实。 因此，对不可控相复励系统，电网的电压及频率随发电机转速的下降按相同的幅 度下降，成线性关系，即 = uz 常数 ( 2 7 ) 2 2 2 2 可控相复励系统 若在不可控相复励系统基础上，再增加一个自动电压调节器( a v r ) ，就组成了 可控相复励系统。当发电机的电压偏离给定电压( 即额定电压) 时，a v r 的输出电 流就发生相应的改变，使得可控相复励变压器的饱和程度发生变化t 从而去调节相复 励变压器输出绕组的电流，即调节发电机的励磁电流，使得发电机的输出电压维持不 变。 可见，可控相复励系统，当发电机的转速发生变化时，其频率发生相应的变化， 但其电压维持不变。 所以，为了使各受电器在频率下降时不会由于磁通增大而过热损坏，采用变频型 交通运输t 程硕+ 论文 轴带发电机时，应选用不可控相复励系统。 2 2 3 主机转速交化对发电机输出功率的影响 发电机的输出功率为 p ：垢b 。i c o s q ( 2 8 ) 在额定电流保持不变，同时假定功率因数不变的前提下，额定功率与电压成正比， 即与发电机的转速成正比。因此，当发电机转速下降时，其输出功率也按相同的幅度 下降。但从后面分析可以看到，各类负载由于电网电压及频率的下降，所需的功率下 降更甚。因此，绝不会因为发电机的输出功率下降而引起过载。 综上分析，发电机在整个工作过程中都能可靠地工作。 2 3 电网电压及频率变化对各受电器工况的影响分析 上一节从主机转速变化对发电机的频率、电压和输出功率的影响三个方面进行了 分析。本节分析电网电压及频率变化对各受电器工况的影响。 2 3 1 对电动机的影响 电动机的同步转速j 1 0 和频率f 成正比，即 ：6 0 f n ( 2 9 ) = 一 、， 。p 式中p 为磁极对数。 。 所以电动机的实际转速随着频率的降低而降低，对转速下降而产生的影响无非是 使风机的通风量、水泵的排水量减少，但这些仅在1 5 秒的短期内出现，是不存在什 么问题的。在实际测试时，频率下降2 0 ，海水泵出水量的变化是肉眼所不能察觉的 三相异步电动机的每相t 型等值电路如图2 4 1 17 1 ，其简化等值电路如图2 - 5 1 7 1 。 图中： u 。定子绕组相电压： l 。定子绕组相电流； e ，定子绕组产生的反电动势； r 。定子绕组每相电阻； x 。定子绕组每相电抗； 交通运输工程硕士论文 r ：折算到定子侧的转子绕组每相电阻； x ：折算到定子侧的转子绕组每相电抗； r 耐一励磁电路每相电阻； x 。一励磁电路每相电抗； i 。励磁电路电流 i ：转子等值相电流。 图2 - 4 三相异步电动机t 型等值电路图2 - 5 三相异步电动机简化等值电路 三相异步电动机每相电压 u l e l = 4 4 4 f , n i k l 中。 式中： u 定子绕组相电压： e t 定子绕组的反电动势； f l 定子电流的频率： n 定子绕组的匝数； k 。定子绕组的分布系数； 中m 一定子铁心中的主磁通的最大值。 根据( 2 - 7 ) 式得 卟4 4 4 f , l n l k , * 上4 4 4 n , k , 。詈* 常数。m = 上上。詈2 常数 此时电动机的电磁转矩为1 8 l 1 7 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 交通运输t 程硕十论文 m = m l p u ；譬 2 州( r 。+ 詈) 2 + ( x 。+ x d 2 】 。r ： 百m ,