「应用」永磁直驱轴带发电机在船舶中的应用，这些知识很实用.pdfVIP

「应用」永磁直驱轴带发电机在船舶中的应用，这些知识很实

用

简介

传统的船舶发电是使用独立的辅助发电机组或通过将所谓的轴带

发电机连接到主机上进行发电。辅助发电机组通常包含一台搭载了标

准异步或同步发电机的恒速四冲程柴油机。此设计的主要优势在于，

由于是恒速运行，发电机馈送恒定的电压和频率到船舶电网，因此无

需变换频率的电力电子设备。此外，由于不依赖于推进系统，因此航

行中或靠港后可持续发电。主要缺点是辅助发电机组需要较多空间和

较大量的维护工作，若无昂贵的辅助设备（如用于降低粘度的预热器）

则无法使用价格低廉的重质燃油（HFO）。

在过去的几十年里，之所以所谓的轴带发电机系统变得被普遍采

用，主要是由于能源成本不断上升和日益严格的减排法规。在商用船

舶中，采用最多的主机动力方案是将一台低速二冲程柴油机直接连接

到传动轴，无需减速齿轮。二冲程柴油发动机与四冲程相比，主要优

势是其具有较高的热效率，从而允许较低的耗油率（sfoc），此外，

它可使用比船用柴油价格低廉得多的重质燃油。在不久的将来，降低

耗油率将变得极其重要，这不仅是因为燃料成本不断上涨，还因为日

益严格的船舶排放限制，如从2016年开始执行的IMOTierIII。虽然

有众多方法可满足新规定的要求，如采用双燃料系统、降低NOx排放

的装置、余热回收系统等类似的方案可供选择，但最重要的目标仍然

是提高效率–燃烧的燃料越少，排放量越少。

典型的轴带发电机系统包含一台电励磁同步发电机（电励磁发电

机），它与主轴进行机械连接，并与船舶电网进行电气连接——直接

或通过变频器。发电机和主机之间的机械连接可以是通过升速隧式齿

轮箱实现，也可以是无需齿轮箱直接将发电机与轴连接来实现。在第

一种情况下，由于扭矩较小，因此发电机的尺寸较小。可采用多家供

应商均可提供的标准型成品。该解决方案自然有它的缺点，即必须使

用变速箱，这增加了系统的故障风险，也使系统更加复杂，并需要更

多的维护工作。此外，变速箱是相对昂贵的部件，并且由于齿轮接触

摩擦，2–3%的输入机械功率会转化为热量而浪费。这也降低了系统总

效率，并增加了系统的热负荷，从而需要更大的冷却功率。

另一种设计是将轴带发电机直接连接至主轴，不需要变速箱，因

此也就不存在由变速箱引起的所有问题。在这种直驱解决方案中，发

电机以与主发动机相同的低速运行（对于二冲程柴油发动机，转速通

常低于100rpm）。由于电机的尺寸通常与扭矩成正比，直驱轴带发

电机由于具有较高的发电机扭矩，因此发电机的尺寸也较大。这往往

意味着标准型成品发电机不再适用了，而需要定制设计的发电机。

电励磁同步发电机作为标准的发电解决方案已经超过了一个世纪，

主要由于其运行效率较高，并且能够有效控制网端的无功功率。并网

同步发电机的主要缺点是它只能以恒速运行，而转速取决于电网频率，

通常是50/60Hz。由于火力发电或水力发电等主要发电能源的性质，

恒速运行这一点在传统发电方案中并不关键，但对于轴带发电机来说，

非恒速系统才是理想选择，在很多情况下，需要主发动机变速运行，

如为了降低燃料成本或允许以较低的速度运行。

由于发电机直接并网，主轴的转速须保持恒定，因此要改变推进

装置的推进力必须采用，例如，可变螺距（CP）的螺旋桨，因为已无

法再改变螺旋桨的转速。虽然定速CP螺旋桨能够提供可变推进力，允

许船舶以不同的速度、在不同的天气状况下运行，但它不能使效率达

到最佳。这是由于在额定转速下CP螺旋桨具有高空载损耗，这就意味

着即使减小螺旋桨螺距角度以使船舶低速运行，推进器仍然具有高损

耗，从而增加了一定的油耗。

只能通过以组合模式来运行系统以获得最高效率，也就是推进器

的螺距角和转速始终可变，如可根据天气状况和船速变化。所需速度

越低，使用组合模式比使用定速CP螺旋桨系统的优势越大。由于这种

运行模式最大限度地降低了燃料消耗，同时提供最大的灵活性，因此

近年来被普遍应用。

显然，由于直接并网轴带发电机需要恒速运行，因此不能采用这

种模式。为了克服这个问题，越来越多的轴带发电机将通过变频器连

接至船舶电网，从而允许变速运行。目前流行使用电力电子技术进行

调速，因为在过去的几十年里