由于軸帶發(fā)電裝置具有降低燃油消耗、減輕機艙噪音、節(jié)省滑油消耗、提高主機功率利用率等優(yōu)點，各船舶柴油機生產(chǎn)廠家和航運公司都把研制最新的軸帶發(fā)電裝置作為自己提高效率的重要措施。以西門子公司的FRECON軸帶發(fā)電裝置為例，就有關(guān)當今船用軸帶發(fā)電機的最新科研成果――滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置作一下分析。

　　滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置的特點，具有一般軸帶發(fā)電裝置的優(yōu)點。自身的特點（1）去除了同步補償器，避免了同步補償器對整個系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟性的影響。（2）去除了固定變頻器，使滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置真正實現(xiàn)了完善低損耗的概念。

　　理工大學所提出的理論相一致，一套三相的交流感應(yīng)機械被選用于該軸帶發(fā)電裝置。該套交流感應(yīng)機械設(shè)備已在不同標準下的風力發(fā)電系統(tǒng)的檢驗中得到可行性驗證。

　　這項研發(fā)工作的結(jié)果是產(chǎn)生了一套新的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方式只是一個變速齒輪裝置電氣模式。它的主要優(yōu)勢在于它的最后控制單元均是由靜態(tài)元件組成的，盡管如此，它的效率卻與原來的相同，甚至在一定的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)還更好一些。下面就對該軸帶發(fā)電裝置做一個介紹：主要說明傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)（a）與新型的滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電系統(tǒng)（b）的比較。裝置需要一個更小的空氣間隙和一個疊片式鼓形轉(zhuǎn)子來實現(xiàn)與軸的配合。

　　滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置的含義與運轉(zhuǎn)方式可以看山，發(fā)電機作為帶有勵磁調(diào)節(jié)器的變流器的自激機械來運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子繞組的功能相當于勵磁繞組和作為電樞繞組的定子繞組的作用。

　　變頻器是通過一個直流電壓源的連接裝置工作的，它的電壓將穩(wěn)定在一個定極恒定值上。在母線側(cè)上有一個帶有兩個平行反向的連接配合標準品閘管的變流器，該母線側(cè)變流器用以調(diào)整直流電連接電壓，直流連接裝置配有平波電容器以穩(wěn)定電壓。

　　在機器側(cè)，變流器帶有脈寬調(diào)制逆變器，該逆變器從恒定直流電連接電壓，產(chǎn)生要求的轉(zhuǎn)子電壓和頻率，形成發(fā)電機的最終控制環(huán)節(jié)。

　　定子的頻率近似于電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率，而電網(wǎng)頻率的設(shè)定值是由標定頻率所決定的。旋轉(zhuǎn)頻率是根據(jù)主機的轉(zhuǎn)速而變化的且不受外界影響。因此變頻器必須根據(jù)以下的方程式調(diào)整轉(zhuǎn)子的頻率：f感應(yīng)式軸帶發(fā)電機至少得具有以下兩種功能：（1）沒有磨損的齒輪；（2）具有發(fā)電機的相應(yīng)性能。

　　在實驗室環(huán)境中，感應(yīng)式軸帶發(fā)電機的運轉(zhuǎn)速度范圍設(shè)定在螺旋槳轉(zhuǎn)速標定值的70%～100%之間。為了使變頻器的標定功率減少至最小值，感應(yīng)機構(gòu)的同步點一般設(shè)定在中心范圍內(nèi)即螺旋槳標定轉(zhuǎn)因此，齒輪的傳送比務(wù)必被適當?shù)卦O(shè)置，以便于發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速在螺旋槳額定轉(zhuǎn)速的85%下的實現(xiàn)。當系統(tǒng)頻率為60Hz且存在6極電機，則該轉(zhuǎn)在同步點，通過機器轉(zhuǎn)子的電流為直流電。這樣才能以真正的同步機械運轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)差率為正值時，即轉(zhuǎn)子的速度低于同步速度的話，有功功率必須確保到達轉(zhuǎn)子的接線端頭。作為自激發(fā)電機，它不僅從定子端為系統(tǒng)提供動力，而且也應(yīng)產(chǎn)生有效的轉(zhuǎn)差功率。當轉(zhuǎn)差率是負值時，即意味著轉(zhuǎn)子的速度比同步速度要大，轉(zhuǎn)差功率來自于轉(zhuǎn)子接線端頭處。因此，裝置定子端的電流就會由于轉(zhuǎn)差功率而減少。轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)差率及通過氣隙傳遞來的發(fā)電機的功率是成比例的。由于變頻器是在兩個方向傳輸動力的，它的母線側(cè)變流器裝有兩個反向平行的晶閘管電橋。這兩個晶閘管電橋是由環(huán)流來進行控制運轉(zhuǎn)的。

　　那么，在傳輸過程中由次同步到超同步的變化是通過直流電連接裝置的電壓控制來實現(xiàn)的。反之，由超同步到次同步的變化也是由直流連接裝置的電壓控制來實現(xiàn)的。

　　隨著轉(zhuǎn)差率和輸入系統(tǒng)中的恒定輸出功率的減少，發(fā)電機和變頻器的負荷將會因為轉(zhuǎn)差功率的降低而降低的?；谶@個原因，輸出功力將會增大到曲線的限定值，而發(fā)電機恰恰決定了這個值的大小。

　　在同步中，由于變流器為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定而向系統(tǒng)供給功率，變流器的負載也到達最小值。同時，它會因為負轉(zhuǎn)差率的增加而重新增大。另一方面，在此情況下的發(fā)電機的功率將會進一步地降低。因此，在超同步范圍內(nèi)，限制功率曲線是由變頻器決定的。

　　而且最高工作點的最大限制功率幾乎是最低工作點限制功率的145%.

　　滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置的運轉(zhuǎn)與控制模式，可編程序控制SIMATICS5115U可編程序控制器執(zhí)行處理所有的控制結(jié)果、互鎖以及所有設(shè)備和裝置的監(jiān)控。

　　它也具有保護與報警功能，同時也具有傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)，可以識別和監(jiān)控設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)的功能失常現(xiàn)象，包括最重要的數(shù)值信號和報警。

　　另外，它也儲存有重要的當前運轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)，而這些參數(shù)用于識別系統(tǒng)是否出現(xiàn)了故障。程序控制器一般安裝在變流器控制面板的前部。由中央處理器提供的界面可以連接打印機以記錄運轉(zhuǎn)的狀態(tài)與報警情況。

　　作為一種選擇，診斷模塊也可以被包括進去。該診斷模塊是由控制器控制的，可以進行模擬運行實驗和在整個裝置關(guān)斷后功能測試。電子模塊被設(shè)計成易于滑動的式樣，便于安裝與抽取，這種模塊位于控制面板的框架里，并通過連接器連接起來。

　　運轉(zhuǎn)SIMATIC控制器與操作人員之間的交流是靠帶有鍵盤和LCD顯示器的操作器單元聯(lián)系的，該操作器被安裝固定在變流器控制面板的門上的。

　　通過操作單元的相關(guān)鍵得到相關(guān)的運轉(zhuǎn)與警報數(shù)字，并由顯示面板讀出。操作單元也可以程序設(shè)定確保測量數(shù)據(jù)，比如電流、電壓和速度等根據(jù)數(shù)值、信號及單元等被顯示出來。

　　操作單元也允許相應(yīng)的諸如時間、限定值、測量范圍和操作運轉(zhuǎn)范圍等參數(shù)根據(jù)控制結(jié)果次第變化。這些對于機器運轉(zhuǎn)致關(guān)重要的參數(shù)通過軟件程序的設(shè)定來實現(xiàn)互鎖，以防止由操作人員引起的意外事故。

　　在可編程控制器的中央處理器的又一個界面可以通過程序的連接來完成特定意圖和任務(wù)。這就對執(zhí)行操作命令有利，只要通過改變可編程控制器和操作單元的軟件程序就可以使之完成相應(yīng)的操作指令。

　　發(fā)電機控制發(fā)電機控制系統(tǒng)是由西門子公司SIMADYN和SIMAVERT系統(tǒng)的具有相當高可靠性的（經(jīng)過現(xiàn)場檢驗可靠的）模塊組成的。主要由模擬控制放大器、計算模塊、匹配模塊等構(gòu)成。這些模塊位于裝置設(shè)備的多層架框內(nèi)且很易于抽取和操作，而該多層框架就是位于變流器控制面板的后部。

　　發(fā)電機控制的含義是在一個帶有脈寬調(diào)制逆變器的變流器的直流連接裝置上的恒定電壓的基礎(chǔ)上工作，而變流器是整個控制系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)。它包含磁場定向系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由SIEMENS公司研發(fā)的，用于控制電壓和相位角，但不包括頻率控制。

　　在每種情況下，特定的轉(zhuǎn)子設(shè)定頻率被計算出來，并由脈寬調(diào)制逆變器的觸發(fā)器作為一個實際頻率記錄于轉(zhuǎn)子值中的。因此，轉(zhuǎn)子的勵磁曲線總是與系統(tǒng)任意波動狀態(tài)下的不同的系統(tǒng)頻率保持一致。這就意味著：滑環(huán)感應(yīng)軸帶發(fā)電系統(tǒng)分析（1）在母線上的設(shè)備擁有很好的頻率穩(wěn)定性，（2）系統(tǒng)中的機器與同步機器是按同一種方式運轉(zhuǎn)的。

　　然而，與同步機器相比較，發(fā)電機控制有三相轉(zhuǎn)子繞組，即有兩個軸。另外一點就是，脈寬調(diào)制逆變器可以使它分別設(shè)定有功轉(zhuǎn)子電流和無功轉(zhuǎn)子電流。

　　滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置的工況特性，短路特性對于軸帶發(fā)電機設(shè)備，國際上普遍認為，持續(xù)故障電流水平至少是系統(tǒng)標定工況下2s的3倍，沒有另外的裝置或設(shè)備的話，滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電機將不會滿足要求。這一問題如果得不到解決，軸帶發(fā)電機的發(fā)展將會受阻。

　　這一問題被理工大學研究輔助機械和自動化的人員提出了理論上的解決方法，并由西門子AG來予以實施，即利用適當?shù)撵o態(tài)變流器元件及控制模塊。在這里他們也運用了驗證可靠、價格適中的標準器件。

　　補充裝置按與Harz連接裝置相同的方式穩(wěn)定了電流，而且在短路的情況下確保自激電機得到要求的短路特性。它們也為脈寬調(diào)制逆變器和變流器的直流連接裝置提供了保護功能。

　　諧波特性由于滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電機變頻器的運轉(zhuǎn)方式，它可以產(chǎn)生諧波。電抗器和諧波濾器已被標定以防止誤差的范圍超過額定運轉(zhuǎn)范圍的10%.表中所給的數(shù)值均可在計算機的模擬運行中獲得。在實驗中所獲得的數(shù)據(jù)也與模擬運行的結(jié)果恰好吻合。

　　運轉(zhuǎn)特性帶有有功負荷與無功負荷前向控制的磁場定向系統(tǒng)為滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電裝置提供了優(yōu)良的動態(tài)特性。因此，由于在負載波動上的電壓穩(wěn)定性，軸帶發(fā)電機裝置的運行工況與帶有一個勵磁循環(huán)的西門子船用發(fā)電機一樣。

　　該裝置在實驗室測試運轉(zhuǎn)環(huán)境中，在恒定的負之間循環(huán)變化。每一個循環(huán)持續(xù)的時間為4s.而發(fā)電機的電壓的頻率的振幅沒有傾斜特征。

　　效率至于滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電機的主要優(yōu)勢或是最大的發(fā)展，就在于它的高效性。如圖3所示的效率曲線就是分別在最高運轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)差率為-17.7%）、最低運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率為+17.7%）和同步狀態(tài)點下測量和計算出來的。在最高與最低的區(qū)域范圍覆蓋了整個設(shè)備的運轉(zhuǎn)范圍。從圖3中可以看到，在高于標定負荷50%以上時，它的效率是92%甚至更高。

　　最高效率的點為94.5%，這是在滿負荷、最高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時獲得的。

　在允許齒輪機構(gòu)的功率損失在1.5%的范圍內(nèi)時，與傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機相比，這種感應(yīng)式的軸帶發(fā)電機的功率至少提高了七個百分點。

　　由此可見滑環(huán)感應(yīng)式軸帶發(fā)電機相比較傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機，其優(yōu)勢是顯而易見的，所有的使用者都會從中受益。研發(fā)與使用該系統(tǒng)對節(jié)約人力和財力是大有裨益的。目前，軸帶發(fā)電技術(shù)雖然沒有在我國的船舶上廣泛使用，但是，隨著能源危機及各航運公司科技技術(shù)競爭的逐漸加劇，相信會有越來越多的企業(yè)在該技術(shù)上投入更多的精力。我國船舶軸帶發(fā)電技術(shù)的春天將不會遙遠。