CN101767645A

CN101767645A - 新型电力推进系统

Info

Publication number: CN101767645A
Application number: CN201010300192A
Authority: CN
Inventors: 刘恩欣; 冯木易
Original assignee: Zhejiang Xinya Electric Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Xinya Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2010-07-07

Abstract

本发明公开了一种新型电力推进系统，包括内燃机、发电机、配电系统、推进电动机及推进器，所述的发电机通过配电系统与推进电动机电缆连接，推进电动机通过离合器及减速装置连接推进器，所述的发电机和推进电动机均为同步电机，所述的推进器为可调螺距螺旋桨。它有效地解决现有技术的电力推进系统因采用变频技术而导致投资成本高，电能损耗及谐波污染大，维护困难，失效风险大的问题，也解决了现有技术的电力推进系统起动瞬间电流大，导致系统电网压降大以及起动瞬间机械轴承受的转矩大的问题。本发明投入少、安装维护方便、运行费用低、系统可靠性高、使用过程中的失效风险低，经济效益明显。

Description

新型电力推进系统

技术领域

本发明涉及一种推进系统，尤其是一种用于各种船只或其它水上移动式结构的新型电力推进系统。

背景技术

传统的内燃机驱动定距桨推进器的船舶或其它水上移动式结构，其航行速度要通过调节内燃机转速来实现，而内燃机的氮氧化物排放量，变速运行工况比恒速运行工况高得多，其废气排放通常超标。在节能减排的大环境下，电力推进系统应运而生，电力推进系统的特点是：经济性好，节省燃油；船舶的操纵性及安全性好。电力推进系统使用多台内燃机，在个别机组发生故障时不致完全丧失动力；节省空间，改善了机舱布置；噪音低，采用电力推进后，主要振动源枛发动机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无直接联结，大大减少了振动和噪声，有利于船舶控制环境污染。

电力推进系统有多种方案，例如：

可控硅整流器+直流电动机

直流电机需要换向器，容易发生故障，且存在结构复杂、成本高、体积大、维护困难、效率低等缺点；因为采用了大功率电力电子器件，对船舶电网产生较大的谐波污染，阻碍了它在船舶电力推进领域的广泛应用。

2.交流异步电动机+可调桨

交流异步电动机起动瞬间电流较大，通常是正常电流的5～7倍，导致系统电网压降大；起动瞬间机械轴承受的转矩大，约为额定转矩的2～3倍；另外，功率因数较低，满负荷时也只能达到0.85左右；反转慢，制动距离长。

3.电流型变频器+交流同步电动机

低速运行时，电流型变频器将电流控制在零附近脉动，转矩输出也存在脉动，给轴系带来振动；时间常数较大(由于直流电同感性负载相连)，所以系统动态响应较差；电流型逆变电路中的直流输入电感数值很大才能够构成一个电流源，使直流回路电流恒定，所以电感的重量、体积都很大，且对船舶电网产生较大的谐波污染，使得在使用上受到很大的限制。

4.交交变频器+交流同步电机(CYCLO)

对船舶电网产生较大的谐波污染，谐波高低取决于电机速度；功率因数低，系统功率因数由电机电压决定，通常为0.76左右。

5.电压型变频器+交流异步电动机

与电流型变频器同属于交栔睎交变频器，也由整流器、滤波器、逆变器三部分组成，因此效率低；另外，高压大容量IGBT及IGCT成本高。

现在普遍使用的采用变频技术的方案，要加装移相变压器、滤波器等附加装置，电能损耗大，谐波污染大，而且使投资成本增加。更为重要的是，变频器一旦故障，需要非常专业的技术人员才能维修，这对船员提出了很高的要求，即使船上配备了相关的专业技术人员，损坏的零部件也很难在远离陆地的船上解决，因此大大增加了水上尤其是海上航行的风险。公开日为2008年7月16日、公告号为CN101219644的中国专利文件公开了一种基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统，包括：混合供电电源，超级电容组和电池堆，充电系统，包括地面充电站整流驱动装置、智能化自适应控制装置，用于完成对超级电容组的充电，驾驶操作控制系统，包括驾驶控制器、速度给定装置和显示器，以实现对船舶操作及运行状况的监控；推进系统，包括依次相连的变频器驱动装置、交流电动机和推进装置；控制系统，包括电堆控制装置和系统控制器，采用现场总线方式将驾驶操作控制系统和现场控制系统协调起来。该结构中的超级电容相对于蓄电池其充电速度快，可以在短时间内完成，并具有无排放，无污染，利于环保，同时具有噪音小，可以提高船舶内舱舒适度。另外该结构采用基于超级电容混合动力，便于配置，容易布局。公开日为2008年1月9日、公告号为CN201002715的中国专利文件公开了一种大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置，包括：两级压气机、中间冷却器、回热器、燃烧室、两级燃气涡轮、A斯特林发动机、B斯特林发动机、循环水泵、散热器、风扇、主发电机、A发电机、B发电机、配电板、变压器、谐波滤波器、变频器、监测控制器、电力推进器。该结构采用来自燃气轮机的废气作为斯特林发动机的热源，在完全不增加燃料消耗、燃气轮机组不增容、斯特林发动机工作时无需供油的条件下，大幅度提高燃气轮机组联合动力循环热效率和大型船舶推进力，能显著改善民用大型船舶的水上应急作业能力和国家海上防卫大型船舶的机动性和应急能力，具有显着的经济效益和社会效益。但上述专利在电力推进系统中均采用变频技术调速，投资成本高，电能损耗及谐波污染大，维护困难，船舶海上航行其动力设备的失效风险较大。

发明内容

本发明为解决现有技术的电力推进系统因采用变频技术而导致投资成本高，电能损耗及谐波污染大，维护困难，船舶水上航行其动力设备的失效风险较大的问题而提供一种投入少、安装维护方便、运行费用低、系统可靠性高、使用过程中失效风险低的新型电力推进系统。

本发明的另一个目的是为解决现有技术的电力推进系统起动瞬间电流大，导致系统电网压降大以及起动瞬间机械轴承受的转矩大的问题而提供一种启动时无冲击电流、机械轴承受转矩小的新型电力推进系统。

本发明为达到上述技术目的所采用的具体技术方案为：一种新型电力推进系统，用于各种船只或其它水上移动式结构，包括内燃机、发电机、配电系统、推进电动机及推进器，所述的发电机通过配电系统与推进电动机电缆连接，推进电动机通过离合器及减速装置连接推进器，所述的发电机和推进电动机均为同步电机，所述的推进器为可调螺距螺旋桨。本发明的结构特点主要是推进电动机和推进器之间没有大容量变频器及其附加设备，发电机和推进电动机均采用同步电机；另外，船舶的速度控制通过可调螺距螺旋桨来完成，由于内燃机驱动的是发电机，所以内燃机工作在恒速模式，这样内燃机燃烧充分，效率高，节省燃油，可以实现最小排放。采用可调螺距螺旋桨，实现船舶前进和后退的切换，只要调节螺旋桨的螺距，比内燃机正倒车和推进电动机的正反转要平滑稳定、快速。本发明采用了减速装置和可调螺距螺旋桨这样的机械设备，优点是它们技术都很成熟，可靠性高，都有电气遥控和本地手动应急操作，当电气遥控故障时，可以在本地手动操作，而且一旦机械出现故障，查找维修简单，更换备件即可。如果可调螺距螺旋桨故障，且无法修理，本发明还可以将可调螺距螺旋桨锁定螺距，作为定距桨使用。这样，解决了现有技术的电力推进系统因采用变频技术而导致投资成本高，电能损耗及谐波污染大，维护困难，船舶海上航行其动力设备的失效风险较大的问题，避免了现有技术电力推进系统的发电机和推进电动机之间使用变压器、变频器等设备，而一旦这些电器设备故障，其故障查找及维修也困难，需要非常专业的电气技术人员才能解决等现实难题。另外，本发明所述的减速装置连接推进器，其减速装置与推进器可以是分体结构，也可以采用自身带有减速装置的推进器。

作为优选，电力推进系统还包括辅助异步电动机及控制辅助异步电动机的辅助控制装置，辅助异步电动机连接推进电动机，辅助异步电动机的容量是推进电动机的5％至15％。因为本发明的推进电动机为同步电机，不能直接起动，而采用设置辅助异步电动机及控制辅助异步电动机的辅助控制装置、且辅助异步电动机连接推进电动机的结构形式，我们可以通过先启动辅助异步电动机，来带动推进电动机，从而使推进电动机顺利启动。另外，本发明的辅助异步电动机与推进电动机可以是一体化的结构，也可以是各自独立的结构。

作为优选，辅助控制装置包括变频器或软起动器或星三角起动器或自藕起动器。辅助控制装置和辅助异步电动机，只是在系统起动时帮助推进电动机并入系统电网，容量小，只有推进电动机容量的5％至15％，且工作时间很短，因此使用寿命很长。而且可以几个推进电动机分时共用一套辅助控制系统，这样可以更省成本，节省空间。这里所述的变频器，是指与辅助异步电动机相适配的小容量变频装置。

作为优选，包括辅助异步电动机及辅助控制装置的电力推进系统起动时，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，通过辅助控制装置起动辅助异步电动机，辅助异步电动机带动推进电动机缓慢起动，然后加速到额定转速，再通过配电系统的自动同步装置将推进电动机并入系统电网，同时切断辅助异步电动机。系统开始工作时，发电机运行，系统电网准备就绪，要投入推进电动机，因推进电动机为同步电机，不能直接起动，因此，先将推进电动机与减速装置脱开，确定为空载后(对于电励式同步电机，关断励磁)，通过辅助控制装置起动辅助异步电动机，辅助异步电动机带着推进电动机缓慢起动，然后按程序加速到额定转速(对于电励式同步电机，再将推进电动机进行励磁)，此时，推进电动机工作在发电状态，再通过自动同步装置将其并入电网，并网后，立即切掉辅助异步电动机，这样推进电动机就在空载下，由发电机状态切换到电动机工作模式，实现了无冲击电流起动。

作为优选，发电机数量大于等于三台，所述的配电系统对系统电网进行分区供电，其分区数大于等于两个。分区供电有利于系统的正常运行，如果辅助控制系统故障，可以将动力、照明等常用负载暂时转移到独立的一个区供电，另一个区则用于起动推进电动机。发电机数量大于等于三台，则在通常使用的双推进器情况下可以使用两台发电机分别给两个推进电动机供电，而用另一个发电机给系统的常用负载供电。

在辅助控制装置或辅助异步电动机故障的情况下，包括辅助异步电动机及辅助控制装置的电力推进系统起动时，配电系统对系统电网进行分区供电，其中一个供电区用于起动推进电动机，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，再将本供电区的发电机转速调到最低并对推进电动机供电，当推进电动机缓慢起动后，然后缓慢升高发电机的转速(对于电励式同步电机，可以控制发电机和推进电动机的励磁电流)，推进电动机的转速跟随上升，直至推进电动机达到额定转速。辅助控制系统故障，可以将照明等常用负载暂时转移到独立的一个区供电，另一个区则用于起动推进电动机，先将发电机的转速调到最低，对推进电动机供电，可以先异步再同步起动，或直接同步背靠背起动，当推进电动机缓慢起动后，然后缓慢调节发电机的转速(对于电励式同步电机，控制好发电机和推进电动机的励磁电流)，推进电动机的转速也跟随上升，直到额定转速，起动成功后，再按正常操作进行控制。

作为优选，未设置辅助异步电动机及辅助控制装置的电力推进系统起动时，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，再将发电机转速调到最低并对推进电动机供电，当推进电动机缓慢起动后，然后缓慢升高发电机的转速(对于电励式同步电机，控制好发电机和推进电动机的励磁电流)，推进电动机的转速跟随上升，直至推进电动机达到额定转速。

作为优选，发电机和推进电动机均为高速或中速同步电机。这样可以减小电机体积，减轻电机重量，节省安装空间。

作为优选，可调螺距螺旋桨刚开始转动时，其螺距为零。螺距为零使螺旋桨呈空载状态，所需的启动扭矩很小，可以解决现有技术的电力推进系统起动瞬间机械轴承受的转矩大的问题，可以提高离合器等设备的使用寿命。

本发明的有益效果是：它有效地解决现有技术的电力推进系统因采用变频技术而导致投资成本高，电能损耗及谐波污染大，维护困难，船舶海上航行其动力设备的失效风险较大的问题，也解决了现有技术的电力推进系统起动瞬间电流大，导致系统电网压降大以及起动瞬间机械轴承受的转矩大的问题，本发明投入少、安装维护方便、运行费用低、系统可靠性高、使用过程中的失效风险低，社会效益与经济效益明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1是本发明新型电力推进系统的一种结构框图；

图2是本发明新型电力推进系统的一种结构示意图；

图3是本发明新型电力推进系统的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。

实施例1

在如图1所示的实施例1中，一种新型电力推进系统，用于各种船只或其它水上移动式结构，包括内燃机1、发电机2、配电系统3、推进电动机4及推进器8，所述的发电机通过配电系统与推进电动机电缆连接，推进电动机通过离合器9及减速装置7连接推进器，所述的推进器为可调螺距螺旋桨，所述的发电机和推进电动机均为永磁式同步电机。

实施例1的电力推进系统起动时，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，再将发电机转速调到最低并对推进电动机供电，当推进电动机缓慢起动后，缓慢升高发电机的转速，推进电动机的转速跟随上升，直至推进电动机达到额定转速。当推进电动机达到额定转速后，将可调螺距螺旋桨的螺距调节到零，合上离合器，推进电动机通过减速装置驱动可调螺距螺旋桨，螺旋桨转动，船舶要加减速，只需调节可调桨的螺距大小即可，螺距的增减速度可受推进电动机功角限制，以防止推进电动机负载突然变化，引起同步电动机失步。另外，发电机由内燃机驱动运行，而内燃机配有调速器，也可以按需要进行调速。

实施例2

在如图2所示的实施例2中，三台内燃机带动三台发电机，配电系统对系统电网进行分区供电，其分区数为两个，其中照明等船舶常用负载为一个供电区，左右两台推进电动机为一个供电区，所述的发电机和推进电动机均为高速电励式同步电机，其余和实施例1相同。

实施例2的电力推进系统起动时，配电系统对系统电网进行分区供电，其中一个供电区用于起动推进电动机，一个供电区用于照明等船舶常用负载，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，再将推进电动机供电区的发电机转速调到最低并对推进电动机供电，可以先异步再同步起动，或直接同步背靠背起动，当推进电动机缓慢起动后，控制发电机和推进电动机的励磁电流，然后缓慢升高发电机的转速，推进电动机的转速跟随上升，直至推进电动机达到额定转速，其余和实施例1相同。

实施例3

在如图3所示的实施例3中，五台内燃机带动五台发电机，配电系统对系统电网进行分区供电，其分区数为三个，其中照明等船舶常用负载为一个供电区，左右两台推进电动机各为一个供电区，所述的发电机和推进电动机均为中速同步电机，电力推进系统还包括左右两路辅助异步电动机5及控制辅助异步电动机的辅助控制装置6，辅助控制装置为与辅助异步电动机相适配的小容量变频装置，辅助异步电动机分别连接左右推进电动机，辅助异步电动机的容量是推进电动机的10％，其余和实施例2相同。另外，本实施例的辅助控制装置也可以采用软起动器、星三角起动器或自藕起动器。

实施例3的电力推进系统起动时，内燃机带动发电机运行，系统电网准备就绪，先将推进电动机与减速装置脱开，确定为空载后，关断推进电动机的励磁，通过辅助控制装置起动辅助异步电动机，辅助异步电动机带着推进电动机缓慢起动，然后按程序加速到额定转速，再将推进电动机进行励磁，此时，推进电动机工作在发电状态，再通过系统自动同步装置将推进电动机并入电网，并网后，立即切掉辅助异步电动机，这样推进电动机就在空载下，由发电机状态切换到电动机工作模式，实现了无冲击电流起动，推进电动机启动后的工作过程和实施例1相同。在辅助控制装置或辅助异步电动机故障的情况下，实施例3的电力推进系统起动时，可以采用实施例2的起动方法。

如果可调螺距螺旋桨故障，且无法修理，本发明还可以将可调螺距螺旋桨作为定距桨使用，锁定螺距，若要改变船速，只要调节发电机的转速，就可以改变船速。对于采用分区供电的结构，专门分一个区用于故障可调螺距螺旋桨的推进电动机，让发电机工作在变速工况，另一个区发电机工作在恒速工况，用于照明等常用负载。

Claims

1.一种新型电力推进系统，用于各种船只或其它水上移动式结构，包括内燃机、发电机、配电系统、推进电动机及推进器，其特征是：所述的发电机(2)通过配电系统(3)与推进电动机(4)电缆连接，推进电动机通过离合器(9)及减速装置(7)连接推进器(8)，所述的推进器为可调螺距螺旋桨，所述的发电机和推进电动机均为同步电机。

2.根据权利要求1所述的新型电力推进系统，其特征在于还包括辅助异步电动机(5)及控制辅助异步电动机的辅助控制装置(6)，辅助异步电动机连接推进电动机，辅助异步电动机的容量是推进电动机的5％至15％。

3.根据权利要求2所述的新型电力推进系统，其特征在于所述的辅助控制装置包括变频器或软起动器或星三角起动器或自藕起动器。

4.根据权利要求2所述的新型电力推进系统，其特征在于电力推进系统起动时，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，通过辅助控制装置起动辅助异步电动机，辅助异步电动机带动推进电动机缓慢起动，然后加速到额定转速，再通过配电系统的自动同步装置将推进电动机并入系统电网，同时切断辅助异步电动机。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的新型电力推进系统，其特征在于所述的发电机数量大于等于三台，所述的配电系统对系统电网进行分区供电，其分区数大于等于两个。

6.根据权利要求5所述的新型电力推进系统，其特征在于电力推进系统起动时，配电系统对系统电网进行分区供电，其中一个供电区用于起动推进电动机，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，再将本供电区的发电机转速调到最低并对推进电动机供电，当推进电动机缓慢起动后，缓慢升高发电机的转速，推进电动机的转速跟随上升，直至推进电动机达到额定转速。

7.根据权利要求1所述的新型电力推进系统，其特征在于电力推进系统起动时，将推进电动机与减速装置之间的离合器脱开，再将发电机转速调到最低并对推进电动机供电，当推进电动机缓慢起动后，缓慢升高发电机的转速，推进电动机的转速跟随上升，直至推进电动机达到额定转速。

8.根据权利要求1所述的新型电力推进系统，其特征在于所述的发电机和推进电动机均为高速或中速同步电机。

9.根据权利要求1或2或3或4或7或8所述的新型电力推进系统，其特征在于可调螺距螺旋桨刚开始转动时，其螺距为零。