由于轴带发电装置具有降低燃油消耗、减轻机舱噪音、节省滑油消耗、提高主机功率利用率等优点，各船舶柴油机生产厂家和航运公司都把研制最新的轴带发电装置作为自己提高效率的重要措施。以西门子公司的FRECON轴带发电装置为例，就有关当今船用轴带发电机的最新科研成果――滑环感应式轴带发电装置作一下分析。

　　滑环感应式轴带发电装置的特点，具有一般轴带发电装置的优点。自身的特点（1）去除了同步补偿器，避免了同步补偿器对整个系统的效率和经济性的影响。（2）去除了固定变频器，使滑环感应式轴带发电装置真正实现了完善低损耗的概念。

　　理工大学所提出的理论相一致，一套三相的交流感应机械被选用于该轴带发电装置。该套交流感应机械设备已在不同标准下的风力发电系统的检验中得到可行性验证。

　　这项研发工作的结果是产生了一套新的轴带发电机系统，该系统的运转方式只是一个变速齿轮装置电气模式。它的主要优势在于它的最后控制单元均是由静态元件组成的，尽管如此，它的效率却与原来的相同，甚至在一定的运转范围内还更好一些。下面就对该轴带发电装置做一个介绍：主要说明传统的轴带发电机系统（a）与新型的滑环感应式轴带发电系统（b）的比较。装置需要一个更小的空气间隙和一个叠片式鼓形转子来实现与轴的配合。

　　滑环感应式轴带发电装置的含义与运转方式可以看山，发电机作为带有励磁调节器的变流器的自激机械来运转的，转子绕组的功能相当于励磁绕组和作为电枢绕组的定子绕组的作用。

　　变频器是通过一个直流电压源的连接装置工作的，它的电压将稳定在一个定极恒定值上。在母线侧上有一个带有两个平行反向的连接配合标准品闸管的变流器，该母线侧变流器用以调整直流电连接电压，直流连接装置配有平波电容器以稳定电压。

　　在机器侧，变流器带有脉宽调制逆变器，该逆变器从恒定直流电连接电压，产生要求的转子电压和频率，形成发电机的最终控制环节。

　　定子的频率近似于电网系统的频率，而电网频率的设定值是由标定频率所决定的。旋转频率是根据主机的转速而变化的且不受外界影响。因此变频器必须根据以下的方程式调整转子的频率：f感应式轴带发电机至少得具有以下两种功能：（1）没有磨损的齿轮；（2）具有发电机的相应性能。

　　在实验室环境中，感应式轴带发电机的运转速度范围设定在螺旋桨转速标定值的70%～100%之间。为了使变频器的标定功率减少至最小值，感应机构的同步点一般设定在中心范围内即螺旋桨标定转因此，齿轮的传送比务必被适当地设置，以便于发电机的同步转速在螺旋桨额定转速的85%下的实现。当系统频率为60Hz且存在6极电机，则该转在同步点，通过机器转子的电流为直流电。这样才能以真正的同步机械运转。当转差率为正值时，即转子的速度低于同步速度的话，有功功率必须确保到达转子的接线端头。作为自激发电机，它不仅从定子端为系统提供动力，而且也应产生有效的转差功率。当转差率是负值时，即意味着转子的速度比同步速度要大，转差功率来自于转子接线端头处。因此，装置定子端的电流就会由于转差功率而减少。转差功率与转差率及通过气隙传递来的发电机的功率是成比例的。由于变频器是在两个方向传输动力的，它的母线侧变流器装有两个反向平行的晶闸管电桥。这两个晶闸管电桥是由环流来进行控制运转的。

　那么，在传输过程中由次同步到超同步的变化是通过直流电连接装置的电压控制来实现的。反之，由超同步到次同步的变化也是由直流连接装置的电压控制来实现的。

　　随着转差率和输入系统中的恒定输出功率的减少，发电机和变频器的负荷将会因为转差功率的降低而降低的。基于这个原因，输出功力将会增大到曲线的限定值，而发电机恰恰决定了这个值的大小　在同步中，由于变流器为保持系统的稳定而向系统供给功率，变流器的负载也到达最小值。同时，它会因为负转差率的增加而重新增大。另一方面，在此情况下的发电机的功率将会进一步地降低。因此，在超同步范围内，限制功率曲线是由变频器决定。

　　而且最高工作点的最大限制功率几乎是最低工作点限制功率的145%.

　　滑环感应式轴带发电装置的运转与控制模式，可编程序控制SIMATICS5115U可编程序控制器执行处理所有的控制结果、互锁以及所有设备和装置的监控。

　　它也具有保护与报警功能，同时也具有传统的报警系统，可以识别和监控设备内部出现的功能失常现象，包括最重要的数值信号和报警。

　另外，它也储存有重要的当前运转状态参数，而这些参数用于识别系统是否出现了故障。程序控制器一般安装在变流器控制面板的前部。由中央处理器提供的界面可以连接打印机以记录运转的状态与报警情况。

　作为一种选择，诊断模块也可以被包括进去。该诊断模块是由控制器控制的，可以进行模拟运行实验和在整个装置关断后功能测试。电子模块被设计成易于滑动的式样，便于安装与抽取，这种模块位于控制面板的框架里，并通过连接器连接起来。

　　运转SIMATIC控制器与操作人员之间的交流是靠带有键盘和LCD显示器的操作器单元联系的，该操作器被安装固定在变流器控制面板的门上的。

　　通过操作单元的相关键得到相关的运转与警报数字，并由显示面板读出。操作单元也可以程序设定确保测量数据，比如电流、电压和速度等根据数值、信号及单元等被显示出来。

　　操作单元也允许相应的诸如时间、限定值、测量范围和操作运转范围等参数根据控制结果次第变化。这些对于机器运转致关重要的参数通过软件程序的设定来实现互锁，以防止由操作人员引起的意外事故。

　　在可编程控制器的中央处理器的又一个界面可以通过程序的连接来完成特定意图和任务。这就对执行操作命令有利，只要通过改变可编程控制器和操作单元的软件程序就可以使之完成相应的操作指令。

　发电机控制发电机控制系统是由西门子公司SIMADYN和SIMAVERT系统的具有相当高可靠性的（经过现场检验可靠的）模块组成的。主要由模拟控制放大器、计算模块、匹配模块等构成。这些模块位于装置设备的多层架框内且很易于抽取和操作，而该多层框架就是位于变流器控制面板的后部。

　发电机控制的含义是在一个带有脉宽调制逆变器的变流器的直流连接装置上的恒定电压的基础上工作，而变流器是整个控制系统的最后一个环节。它包含磁场定向系统，该系统是由SIEMENS公司研发的，用于控制电压和相位角，但不包括频率控制。

　　在每种情况下，特定的转子设定频率被计算出来，并由脉宽调制逆变器的触发器作为一个实际频率记录于转子值中的。因此，转子的励磁曲线总是与系统任意波动状态下的不同的系统频率保持一致。这就意味着：滑环感应轴带发电系统分析（1）在母线上的设备拥有很好的频率稳定性，（2）系统中的机器与同步机器是按同一种方式运转的。

　　然而，与同步机器相比较，发电机控制有三相转子绕组，即有两个轴。另外一点就是，脉宽调制逆变器可以使它分别设定有功转子电流和无功转子电流。

　　滑环感应式轴带发电装置的工况特性，短路特性对于轴带发电机设备，国际上普遍认为，持续故障电流水平至少是系统标定工况下2s的3倍，没有另外的装置或设备的话，滑环感应式轴带发电机将不会满足要求。这一问题如果得不到解决，轴带发电机的发展将会受阻。

　　这一问题被理工大学研究辅助机械和自动化的人员提出了理论上的解决方法，并由西门子AG来予以实施，即利用适当的静态变流器元件及控制模块。在这里他们也运用了验证可靠、价格适中的标准器件。

　　补充装置按与Harz连接装置相同的方式稳定了电流，而且在短路的情况下确保自激电机得到要求的短路特性。它们也为脉宽调制逆变器和变流器的直流连接装置提供了保护功能。

　　谐波特性由于滑环感应式轴带发电机变频器的运转方式，它可以产生谐波。电抗器和谐波滤器已被标定以防止误差的范围超过额定运转范围的10%.表中所给的数值均可在计算机的模拟运行中获得。在实验中所获得的数据也与模拟运行的结果恰好吻合。

　　运转特性带有有功负荷与无功负荷前向控制的磁场定向系统为滑环感应式轴带发电装置提供了优良的动态特性。因此，由于在负载波动上的电压稳定性，轴带发电机装置的运行工况与带有一个励磁循环的西门子船用发电机一样。

　　该装置在实验室测试运转环境中，在恒定的负之间循环变化。每一个循环持续的时间为4s.而发电机的电压的频率的振幅没有倾特征。

　　效率至于滑环感应式轴带发电机的主要优势或是最大的发展，就在于它的高效性。如图3所示的效率曲线就是分别在最高运转速度（转差率为-17.7%）、最低运转转速（转差率为+17.7%）和同步状态点下测量和计算出来的。在最高与最低的区域范围覆盖了整个设备的运转范围。从图3中可以看到，在高于标定负荷50%以上时，它的效率是92%甚至更高。

　　最高效率的点为94.5%，这是在满负荷、最高转速的状态下运转时获得的。

　在允许齿轮机构的功率损失在1.5%的范围内时，与传统的轴带发电机相比，这种感应式的轴带发电机的功率至少提高了七个百分点。

　　由此可见滑环感应式轴带发电机相比较传统的轴带发电机，其优势是显而易见的，所有的使用者都会从中受益。研发与使用该系统对节约人力和财力是大有裨益的。目前，轴带发电技术虽然没有在我国的船舶上广泛使用，但是，随着能源危机及各航运公司科技技术竞争的逐渐加剧，相信会有越来越多的企业在该技术上投入更多的精力。我国船舶轴带发电技术的春天将不会遥远。

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