貝加萊船舶解決方案之-軸帶發電機控制系統
發布時間：2025-05-22 作者：www.xstr.xyz
隨著IMO（國際海事組織）引入了能源效率設計指數（EEDI），現有船舶能效指數(EEXI)和碳強度指標 (CII)的概念，旨在推動新建船舶使用節能設備。而對于已經投入運營的船舶而言，增裝軸帶發電機也同樣可以改進其能源效率，并有效降低船舶碳排放，提升能效評級。
軸帶發電機是船舶沿著主發動機系統的輸出軸配置的發電機組，船舶為了能夠更大的發揮主軸的動力利用率，在船舶處于低速的情況下，啟動軸帶發電機將主機的剩余動能轉化為發電機的電力，并供給給其他船電系統作為應用。另外，在PTI（Power Take In）模式下也可以為螺旋槳提供額外動力，同時降低主發動機的功率選型。它降低了輔助發電機組的需求，減少維護成本。因此，它成為一種有效改善EEXI 和CII的解決方案，成為了船舶升級改造的重要方向。
船舶動力及軸發所處的位置如圖1所示，軸帶發電機通常可以以抱軸式、齒輪箱式、自由端多種方式安裝于主軸上，圖1為齒輪箱式，比較適合于后增安裝方式。通過齒輪箱連接，將主發動機的動力驅動發電機組，并經由整流/逆變單元、變壓器，既可以儲能形式，也可以以電驅輔助引擎方式驅動，也可以作為船用電力來源。
圖1-船舶推進與軸帶發電機組布局
整流/逆變系統使得機組可以提供恒壓恒頻電能輸出，當然，軸帶發電機也可以作為電動機輸出-這由整個電力系統的轉換來實現。
貝加萊的控制系統提供針對機組的發電轉速采樣、機組電流/電壓、頻率的高精度采樣，以及電機功率控制，整流與逆變中的控制功能。
圖2-控制系統構成
圖2-為控制系統配置，在這個解決方案中，X20系列PLC具有的強算力設計，以及X20CM0985模塊的能源測量與并網同步能力，使得針對發電機組的控制算法可以更為便利。
貝加萊的控制系統之所以可以勝任船舶領域，主要在于以下幾個方面：
涂層設計的控制器
貝加萊的X20 PLC、工業PC系列產品電路板均采用了特殊涂層處理，它使得這些控制器、I/O均可在防潮、抗腐蝕氣體保護需求的環境下工作。
圖3-采用涂層處理的控制器可以在海洋環境工作
帶有涂層版本的X20組件，它可以在-40℃下啟動。并且考慮長距離輸電的壓降，它也可以容忍24VDC電源在-25%-+30%范圍的偏差。
完善的船級社認證
船級社的需求是船舶行業的特殊要求，它需要在海洋、海岸線工作的船舶、設備需要經過特船級社認證，以確保其能承受海洋的特殊工作環境需求。在目前的貝加萊控制系統中，已經在挪威船級社DNV、德國船級社 GL、勞氏船級社LR、中國船級社CCS、美國船級社ABS、法國船級社BV、韓國船級社KR、意大利船級社RINA認證。
能源監測模塊
圖4-X20系列的能源監測模塊
在多個方面，貝加萊的X20CM能源監測模塊都發揮著關鍵作用：
船用關鍵設備的能源監測與集中管理；
船用內燃機組控制系統，如燃氣輪機、甲醇/綠氨機組等；
船用氫燃料電堆的管理。
X20的能源模塊可以高頻、高精度檢測電力系統的電壓、電流、頻率、相位、諧波等，并可作為電力控制和能源效率監測的數據采集源。
除此之外，遵循ISO50001能源管理系統需求，貝加萊X20豐富的I/O模塊還能支持船舶上各類能源的監測，包括溫度、壓縮氣體、蒸汽、熱力供應等的計量、傳輸、計算、報表、分析等能力，并可進行甩負荷管理。
建模仿真與自動代碼生成
發電系統的高速采樣以及功率控制的算法復雜性，以及它的方式的靈活多變，這使得采用建模仿真的方式進行機組的開發變得更為有效。貝加萊的Automation Studio可以通過FMU/FMI、OPC UA的方式與MATLAB/Simulink這樣的控制算法設計軟件接口。經由建模仿真的方案可以自動代碼生成的方式，經過導入至Automation Studio與其他任務相耦合，并可直接下載到硬件測試，實現硬件在環測試（HIL），這個方式的好處在于可以根據機組的容量、運行模式、設備邏輯等變化，而形成快速的機組應用重組。
圖5-Automation Studio的建模仿真導入能力
這種開發模式在貝加萊的風力發電機器控制、燃氣輪機機組、雙燃料發動機組的控制方面，均被采用，作為一種高效的機器控制研發方式被廣泛應用。