0 引　言

随着船舶技术的发展，船舶推进方式不断演变，在这种形势下，出现了轴带电机PTI/PTO推进方式，可以根据需要使用机械推进、电力推进等多种运行模式，满足船舶在多种工况下运行需求，在此推进方式下轴带电机根据船舶工作模式在电动机和发电机之间相互转换，同时兼做能量输出和输入设备，不仅可以节省设备成本，也可以优化船舶机舱设计，便于现场安装和施工，PTI/PTO轴带电机混合推进是一种比较有前途的推进方式。

在PTI/PTO推进系统中，同步发电机在电动机和发电机之间相互转换是PTI/PTO推进系统核心技术，PTI/PTO系统配置和控制都是围绕电动机和发电机转换展开，为了掌握PTI/PTO推进系统的核心技术，首先对同步发电机在电动机和发电机原理进行研究。

1 PTI/PTO推进系统理论基础-同步电机的可逆性 1.1 同步电机可逆性原理

根据同步发电机理论，转子主极轴线超前气隙合成磁场轴线θ_i角，转子将受到定子侧切向电磁转矩，当θ_i越大，电磁转矩就越大，通过电磁转矩作用，将机械能转化成电磁功率就越大。时空矢量图如图1^[1]。

从图1看出，凸极同步发电机转子受到定子侧切向电磁转矩，当θ_i越大，电磁转矩就越大，通过电磁转矩作用，将机械能转化成电磁功率就越大，θ_i称为电机的内功率角，因为同步电机漏抗远小于同步电抗，可以近似认为θ_i≈θ。根据该理论，如果θ_i变化，机械能转化成电磁功率值也会变化，当θ_i为0时，机械能转化成电磁功率也为0，即没有功率输出，如果θ_i为负值时，转子将从定子侧吸收能量，此时同步发电机从转变成电动机，这就是同步发电机可逆原理。

根据同步电机的可逆性原理，同步电机的内功率角θ_i变化时的时空矢量图如图2^[1]。

当电机处于发电机状态，其相量图如图2（a）所示。此时 $ {\dot E_0} $ 超前 $ \dot U $ ，功率角θ和相应的电磁功率T_em是正值，θ_i≈θ也为正值，即转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，因而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。原动机输入驱动性质的机转矩克服定子侧制动作用的电磁转矩，将机械能转变为电能。当原动机逐步减少原动机输入功率，使转子减速，θ角和电磁功率减小。

当θ角减至零时，发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗，相量图如图2（b）所示。继续减少原动机输入功率，则θ 和T_em变为负值，表明电机要从电网吸收一部分电功率，与原动机输入功率一起与空载损耗平衡，以维持转子的同步旋转。如果进一步减小原动机功率，直至停止原动机，就变成了空转的同步电动机，空载损耗必须全部由电网输入的电功率供给。

如果在电机轴上再加上机械负载，则负值的θ角和T_em会更大，θ_i亦为负值。主极磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质、拖动轴上机械负载一道旋转，电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。此时电机的相量图如图2（c）所示。

根据上分析，从发电机状态进入电动机状态的过程中，功率角θ和电磁功率T_em均由正值变为负值，电磁转矩由制动性质变为驱动性质，机电能量转换过程也发生逆变，此时同步发电机转变到了同步电动机，同步电机可以在发电机与电动机之间的相互逆转，这为船舶推进系统PTI/PTO模式提供了理论依据，船舶推进系统PTI/PTO所有配置和控制都是围绕同步电机可逆性展开的。

1.2 凸极同步电动机启动

因为同步电动机的原理特点，这里需要说明同步电动机的启动方式。同步电动机只有在定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止时，才能得到电磁转矩，稳定地实现能量转换。如将静止的同步电动机通入励磁电流后直接投入电网，则定子旋转磁场瞬间可以建立，将以同步转速相对于转子磁场运动，此时转子静止，而旋转磁场转速比较快，转子还没有来得及转动，定子磁场已经过去了，使得转子承受交变的脉振转矩，平均值为0，同步电动机不能自起动，因此借助其它起动方法。同步电动机的常用起动方法有下列3种：

1）辅助电动机起动

该启动方式简单可靠，但是需要单独配置电动机；

2）变频起动

该启动方式需配置变频装置，增加成本和电站控制难度，也会产生船舶电网谐波，给现场布置和安装带来难度，一般仅用于复杂和高端船舶；

3）异步起动

该启动需要轴带同步电机带有阻尼环，但仅适用于中小容量的同步电机，不适用于大容量电机。

2 PTI/PTO推进系统

船舶PTI/PTO推进利用同步电机可逆性特点，推进系统中的同步电机在电动机和发电机转换，实现推进系统变速箱PTI/PTO能量转换，从而实现PTI/PTO推进系统各种工作模式，不仅增强船舶推进系统功能，降低船舶燃油损耗，而且减少成本，减少现场设备布置和施工，具有较好的发展前景，目前主要由一家国外著名公司研究，技术逐步成熟，开始在船舶上运用。

根据船舶推进系统配置，船舶推进PTI/PTO系统可以分为推进系统、配电系统、控制系统三大部分。

2.1 PTI/PTO推进系统

为分析船舶PTI/PTO推进系统，以船舶典型PTI/PTO推进系统为例讨论，如图3所示^[2]。

根据图中系统配置，该系统包含如下主要设备：

1）推进系统：柴油机、减速齿轮箱、可逆式同步电机、同轴起动电机、可调浆推进器；

2）配电系统：配电板、辅助柴油发电机组；

3）控制系统为整个系统服务，可以放置在配电板中，或者采用单独控制柜，图中没有单独表示；

图3系统中可逆式同步电机是船舶推进PTI/PTO系统核心，可逆式同步电机既可作为同步电动机运行，也可作为轴带同步发电机运行，同步电机的可逆性决定了PTI/PTO推进系统特性。为理解PTI/PTO推进系统工作模式，下面对各工作模式进行分析。

2.2 PTI/PTO推进系统工作模式

根据同步电机特性，PTI/PTO推进系统工作模式如下^[3]：

1）轴带推进（PTO）

此时2台主机工作，为船舶提供推进动力，同时齿轮箱与同步电机啮合输出功率（PTO），此工作模式主机也作为同步电机原动机，同步电机作为发电机运行，通过配电板提供全船电源，辅助发电机组不工作，该模式下可以充分发挥主机功率，是PTI/PTO推进系统常用的工作模式，该工作模式充分利用主机功率，提高了船舶经济性。

2）电力推进（PTI）

此时船舶主机不工作，辅助发电机工作，提供同步电机作为电动机运行的电源，通过齿轮箱向推进器输入功率（PTI），提供船舶航行动力，该模式可以在船舶主机出现故障时利用辅助发电机提供推进动力，因此该工作模式提高了船舶生命力。

3）混合推进（BOOSTER）

此时2台主机工作，为推进器提供动力，同时辅助发电机工作，提供同步电机作为电动机运行的电源，为船舶推进提供辅助推力，此时同步电机通过齿轮箱向推进器输入功率（PTI），保证船舶高速航行，该工作模式增加了船舶功能。

4）电轴推进（PTI/PTO）

此时1台主机工作，作为推进动力，同时带动1台同步电机作轴带发电机，为另1台同步电机作电动机运行提供电源，2台同步电机作电轴运行，使船舶低速航行，此时辅助发电机工作，为船舶负载提供电源，此工作模式下1台同步电机通过齿轮箱向推进器输入功率（PTI），另1台则通过齿轮箱向同步电机输出功率（PTO），该工作模式增加了船舶功能。

上述是PTI/PTO推进系统典型的工作模式，也有其他PTI/PTO推进系统因为主机配置不同可采用其他工作模式，不具有代表性。

需要注意的是，在PTI/PTO推进系统中，需要考虑船舶在不同工作模式下同步电机与主柴油机的功率关系，保证船舶各个推进模式下功率分配的最优化。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10%～15%，便于以后为同步电机输入足够的功率，如果主柴油机在低于75%～85%额定功率的低负荷下运行时，其经济性将下降^[4]。如果利用轴带发电机，可以调节主机负荷分配，尽量达到良好的经济性。

2.3 PTI/PTO推进系统特点

根据前面PTI/PTO模式分析，在同步电机PTI/PTO模式下，可以设置多种推进系统工作模式，总结特点如下：

1）根据主机配置，选择合适工况，使主机始终工作在最佳模式下，具有良好的经济性；

2）在主机故障时采用PTI推进，增加推进系统冗余性，增大船舶航行的安全性；

3）同步电机在发电机和电动机之间转换，只需要1台同步电机可以实现TI/PTO工作模式，在轴带发电机配置的基础上不需要另外增加设备，节省成本，节省空间，减小现场施工量，便于现场安装；

因为上述特点，船舶PTI/PTO推进模式具有一定的运用前景，将是未来船舶推进方式发展方向之一。

3 PTI/PTO配电系统

PTI/PTO推进模式配电系统与PTI/PTO推进工作模式相适应，满足船舶配电要求。

船舶PTI/PTO推进模式特点是因为同步电机在发电机和电动机之间转换，但同时也增加了船舶配电系统难度，PTI/PTO推进模式配电系统具有如下特点：

1）轴带同步发电机与辅助发电机通常不并网

通常情况下，轴带同步电机在作为发电机运行时，因为推进轴受外界环境影响，如海浪、风向等因素，此时同步发电机扰动比较大，电源品质会受到影响，为保证船舶电网品质，轴带同步发电机与辅助发电机并网比较复杂^[6]，考虑船舶技术和成本原因，同步发电机一般不和辅助发电机组并网，只有负载转移时进行短时并网，完成负载转移后退出并网；

2）采用2段汇流排配电方式

根据目前船舶发展趋势，一般海工船将要求具有DP2以上的定位能力，因此配电系统将采用2段汇流排配电方式，提高船舶配电冗余性；

3）一般采用低压电力系统

目前PTI/PTO推进模式中的电力推进基本上还是局限于对柴油机推进的一种补充，使用工况有限，功率不大，因此主要采用低压电力系统，采用船舶高压电力系统将会比较复杂，需要考虑各种高压技术性问题，如接地系统、谐波、变压器预充磁、高压工艺等^[5]，因此还需要进一步研究PTI/PTO，扩大PTI/PTO推进应用范围，这将是我们以后需要研究的方向。

根据上述PTI/PTO推进模式配电特点，以典型船舶PTI/PTO推进模式电力系统为例进行讨论，如图4所示^[7]。

目前在PTI/PTO推进模式电力系统中也有轴带发电机和辅助发电机组并网的方案，此时为了保证轴带发电机发电品质，将轴带发电机发电首先经过变频器，经过转化，使得轴带发电机的电源满足并网条件，和辅助发电机并网，但是这样需要增加电力设备，也增加了控制电网控制的复杂性，给现场布置和安装都带来了很大的难度，仅用于极少数复杂和高端船舶，一般船舶不采用。

4 PTI/PTO控制原理

PTI/PTO推进系统配电要与船舶工作模式相适应，根据PTI/PTO推进系统模式，配电系统在不同工作模式下的控制如下^[3]：

1）轴带推进（PTO）模式配电控制

此模式下2台主机工作为船舶提供推进动力，为可调浆提供动力。

此时同步电机控制过程如下：首先控制系统向同步发电机电枢提供直流电源产生励磁磁场，然后将齿轮箱啮合，齿轮箱带动同步电机电枢旋转（PTO），电枢上励磁磁场随电枢旋转，切割同步发电机定子线圈，产生三相交流电源，感应电动势 $ {\dot E_0} $ 超前端电压 $ \dot U $ ，同步电机工作在发电机模式下运行，通过配电板向全船设备提供电源。

此工作模式下，电力系统中主断路器工作模式如表1所示。（GB1/GB2表示轴带同步电机主开关，GB3/GB4表示2台辅助发电机主开关，BT1/BT2在DP2分区供电模式下为open，BT3/BT4需要向全船供电时为CLOSED，BT5为CLOSED，避免2台变压器并联运行，以下工作模式的主开关参考该状态）。

2）电力推进（PTI）模式配电控制

此模式下2台主机不工作，辅助发电机工作，通过配电板提供同步电机作为电动机运行的电源。

此时同步电机控制过程如下：在2台主机不工作的情况下，辅助发电机工作向全船供电，起动辅助电动机带动同步电机电枢转子一起运行，当辅助电动机带动同步电机电枢转子达到稳定转速时，此时接近同步转速，然后控制系统向同步电机定子和励磁绕组供电后，切断辅助电动机电源，辅助电动机退出工作，此时同步电机直流励磁电源产生励磁磁场，定子产生旋转磁场，吸引电枢转子磁极旋转，此时感应电动势 $ {\dot E_0} $ 落后端电压 $ \dot U $ ，同步电机工作在电动机模式下运行，向齿轮箱向输入功率（PTI），输出到推进器，推动船舶航行。船舶其他设备电源由辅助发电机提供。

此工作模式下，电力系统中主断路器工作模式如表2所示。

3）混合推进（BOOSTER）模式配电控制

此模式下2台主机工作，为推进器提供动力，同时辅助发电机工作，提供同步电机作为电动机运行的电源，2台轴带同步电机作为电动机运行，为船舶推进提供辅助推力，增加船舶推进功率，使得船舶高速航行。

控制过程与电力推进（PTI）模式控制相同，因而不再叙述。

此工作模式下，电力系统中主断路器工作模式如表3所示。

4）电轴推进（PTI/PTO）模式配电控制

此模式下1台主机运行作为推进动力，同时带动1台同步电机作轴带发电机，为另1台同步电机作电动机运行提供电源。

控制过程分别与上面的PTO和PTI工作模式相同。此工作模式下，电力系统中主断路器工作模式如表4。

5 PTI/PTO推进模式发展趋势

随着船舶技术发展，目前船舶推进方式主要有下列3种推进方式：

1）电力推进

随着电力电子技术发展，大功率IGBT逐步成熟，使得船舶电力推进逐步兴起，电力推进系统省去推进传动轴，改善船舶布置，且控制方便，可以根据船舶工程需要灵活布置推进器，极大地扩展船舶功能，满足海上复杂工程需要，增强了人类海上活动能力，是对传统柴油机推进的一种颠覆性革命^[8]，因此高端工程船舶和海工产品一般都采用电力推进，随着人类活动逐步向海洋发展，使得电力推进系统发展迅猛。

2）柴油机推进

适合于散货船，油船等运输船舶，具有良好的船舶航行经济性。

3）PTI/PTO推进

介于柴油机推进和电力推进之间，兼具上述电力推进和电力推进的特点。

综合上述3种推进方式，电力推进将是未来推进方式发展的主流，适用于工程船舶和海洋装备，但是电力推进电力系统设备成本和维护成本高，完全普及还需要一个过程；对于运输类船舶，采用柴油机推进，能提高船舶燃油经济性；PTI/PTO推进则具有上述2种推进方式优点，综合3种推进方式特点，PTI/PTO推进模式在未来有其一定发展空间，如果PTI/PTO推进能够得到发展，采用高压电力系统，增加PTI/PTO推进功率，将会增强PTI/PTO推进船舶功能，有望进一步扩大PTI/PTO推进船舶应用范围，未来PTI/PTO推进系统将呈现三分天下有其一的局面。

6 结　语

PTI/PTO推进模式是最近发展起来的一种推进方式，目前采用PTI/PTO推进的船舶还很少，随着船舶推进技术发展，特别随着精细化造船和绿色造船理念发展，估计后续采用PTI/PTO推进模式的船舶会越来越多，PTI/PTO推进模式涉及的技术十分丰富，需要对PTI/PTO推进系统进行深入分析和研究，进一步提高PTI/PTO推进系统应用范围。