CN104608901B - 复合传动型船舶恒频轴带发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船舶电站技术领域，具体地说是一种以船舶主机为动力源并可输出恒定频率和电压的复合传动型船舶恒频轴带发电装置，其特征在于包括断轴取力机构、前端能量转换机构、后端能量转换机构、动力耦合器、以及发电机，其中所述断轴取力机构用于从船舶主机输出轴取出动力并将其分成两部分，一部分采用机械传动直接驱动动力耦合器的一个输入端，另一部分则经过前端能量转换机构和后端能量转换机构经两次能量变换后驱动动力耦合器的另一个输入端；动力耦合器的输出送入发电机，具有低成本、高效率等显著的优点。
Description
技术领域
本发明涉及船舶电站技术领域，具体地说是一种以船舶主机为动力源并可输出恒定频率和电压的复合传动型船舶恒频轴带发电装置。
背景技术
通常船舶的动力系统和电力系统是两个独立的系统。动力系统是由船用主机、主轴、变速箱及推进螺旋桨等主要部件组成；电力系统通常是由数台柴油发电机组组成船舶电站，为全船的电气负载供电。船舶轴带发电系统是由船舶主机驱动发电机的供电装置，利用船舶航行时的剩余功率进行发电的一种发电形式。轴带发电系统对于提高船舶的运行经济性，减小碳排放等方面具有众多好处，主要表现在：（1）船舶主机是采用重柴油作为主要燃料的动力装置，重柴油的价格成本较低；而船上的独立的柴油发电机采用的是轻柴油，轻柴油的价格比较高，成本大约是重柴油的一倍。船舶轴带发电系统将发电机的驱动建立在船舶主机的动力装置上，这样就省去了用轻柴油发电的船用辅助发电机组，用重油代替轻油产生机械能来发电，可以很大程度上节省船舶航行的燃料成本。（2）船用主机的额定功率通常配置10~15%的后备功率，轴带发电系统的额定功率一般为船舶主机的10%左右。在载重量较小、经济巡航、低速航行等工况下，往往船用主机的实际功率较小，长期处于轻载运行，主机的效率很低，燃油经济性差，造成能源浪费。轴带发电系统载荷直接施加与船舶主机，可以充分利用主机后备功率，提高发动机经济性。（3）轴带发电系统的应用，可以减小或完全取消独立柴油发电机组，因此还可以减小船舶维修和保养的费用，提高整船的可靠性。
由于以上船舶轴带发电系统的显著优势，从20世纪50年代开始，大型船舶上已经逐渐配备船舶轴带发电系统。特别是远洋船舶、特种作业船舶及远海渔船等，为了船舶的航行安全和便于作业，迫切需要配置该系统。轴带发电系统的核心技术难点在于船舶行驶时主轴转速的变化会对轴带发电机的输出频率产生直接影响。在这种情况下，要获得频率恒定的交流电源，轴带发电系统就必须具有转速或频率补偿的能力。
随着我国船舶工业的发展，中小吨位的各类船舶应用越来越广泛，随着船舶功能的扩展和乘员对舒适性要求的提高，船舶上的用电设备功率也越来越大，但是低成本、高性能的恒频轴带发电系统在中小吨位船舶上仍然没有满意的产品和解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种解决了非稳频直驱轴带发电系统的低精度和使用限制问题，也省掉了高成本的AC-DC-AC逆变系统，能够输出恒定频率和电压的复合传动型船舶恒频轴带发电装置。
本发明可以通过以下措施达到：
一种复合传动型船舶恒频轴带发电装置，其特征在于包括断轴取力机构、前端能量转换机构、后端能量转换机构、动力耦合器、以及发电机，其中所述断轴取力机构用于从船舶主机输出轴取出动力并将其分成两部分，一部分采用机械传动直接驱动动力耦合器的一个输入端，另一部分则经过前端能量转换机构和后端能量转换机构经两次能量变换后驱动动力耦合器的另一个输入端；动力耦合器的输出送入发电机。
本发明还设有控制器，控制器分别与前/后端能量转换机构、发电机相连接，其中控制器采集前端能量转换机构的工作状态信息，并向其下达控制命令；发电机向控制器反馈其工作状态信息。
本发明中所述前端能量转换机构和后端能量转换机构可以是发电机/电动机或液压泵/马达,可四象限运行或两象限运行，用于将能量在机械能和液压能或电能之间进行转换，从而实现机械能在传输过程中的速度解耦。
本发明所述前端能量转换机构与后端能量转换机构之间还设有能量传输调节机构，所述的能量传输调节机构用于对传输的液压能或电能进行调节并输送，使动力耦合器可以获得适当的输入能量；控制器用于实时监测前/后端能量转换机构、能量输送调节机构、发电机的工作状态，并同步输出对应的控制信号控制前、后端能量转换机构和能量输送调节机构，实现发电机的恒频恒压电源输出。
本发明与现有技术相比，同时采用机械传动和液压（或电气）传动两种传动方式从船舶主机中取出动力，复合后的动力用于驱动发电机，实现了与船舶主机与发电机转速的解耦，使系统能够输出恒压恒频的电源。动力的直接机械传动部分保证了系统的高效率，动力的液压（或电气）传动部分实现了转速的解耦和发电机的恒压恒频输出，具有低成本、高效率等显著的优点。
附图说明：
附图1是本发明的结构框图。
附图2是本发明采用液压传动和机械传动复合时的实施方式示意图。
附图3是本发明采用电气传动和机械传动复合时的实施方式示意图。
附图标记：船舶主发动机1、断轴取力机构2、前端能量转换机构3、后端能量转换机构4、动力耦合器5、发电机6、控制器7、能量传输调节机构8、变量液压泵马达9、变量液压泵马达10、流量压力调节单元11、船舶齿轮箱12、电动机13、电动机14、AC/AC控制器15、船舶螺旋桨16、原船用传动箱17。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1所示，本发明直接以船舶主发动机1为动力源，在船舶主发动机1转速不断变化的情况下，实现恒频发电，输出恒压恒频电源，其中包括断轴取力机构2、前端能量转换机构3、后端能量转换机构4、动力耦合器5以及发电机6，其中所述断轴取力机构2用于从船舶主机1输出轴取出动力并将其分成两部分，一部分采用机械传动直接驱动动力耦合器5的一个输入端，另一部分则经过前端能量转换机构3和后端能量转换机构4经两次能量变换后驱动动力耦合器5的另一个输入端；动力耦合器5的输出送入发电机6。
本发明还设有控制器7，控制器7分别与前端能量转换机构3、后端能量转换机构4、发电机6相连接，其中控制器7采集前/后端能量转换机构的工作状态信息，并向其下达控制命令；发电机6向控制器反馈其工作状态信息。
本发明中所述前端能量转换机构3和后端能量转换机构4可以是发电机/电动机或液压泵/马达,可四象限运行或两象限运行，用于将能量在机械能和液压能或电能之间进行转换，从而实现机械能在传输过程中的速度解耦。
本发明所述前端能量转换机构3与后端能量转换机构4之间还设有能量传输调节机构8，所述的能量传输调节机构8用于对传输的液压能或电能进行调节并输送，使动力耦合器5可以获得适当的输入能量；控制器7用于实时监测前/后端能量转换机构、能量输送调节机构、发电机的工作状态，并同步输出对应的控制信号控制前、后端能量转换机构和能量输送调节机构，实现发电机的恒频恒压电源输出。
实施例1：
如附图2所示，本发明中所述前端能量转换机构3和后端能量转换机构4可以是液压泵/马达，此时系统结构中设有分别作为前端能量转换机构3的变量液压泵马达9，以及作为后端能量转换机构4的变量液压泵马达10，还设有用于调节流量压力的流量压力调节单元11。
图2中断轴取力器2安装于船舶主发动机1与船舶齿轮箱12之间的传动轴中，通过断轴取力器2中的齿轮传动将动力取出后将转矩从不同的出口分两路输出，断轴取力器2的出口之一驱动变量液压泵马达9将机械能转化为液压能，并通过油管经压力流量调节单元11后输送给变量液压泵马达10；变量液压泵马达10将液压能重新转换为机械能驱动转速耦合器5；断轴取力器2的出口之二直接机械传动驱动转速耦合器5；两部分功率经转速耦合器5重新耦合后驱动同步发电机6；电子控制器7通过电气信号采集同步发电机6的转速电压等信息，实时发出控制指令控制变量液压泵马达9、10和流量压力调节单元11，使三者工作在适当的工作点，实现同步发电机的转速和电压恒定。
实施例2：
如附图3所示，本发明中所述前端能量转换机构3和后端能量转换机构4可以是发电机/电动机，此时系统结构中设有分别作为前端能量转换机构3的电动机13，以及作为后端能量转换机构4的电动机14，还设有分别与电动机13、14相连接的AC/AC控制器15，AC/AC控制器15还与控制器7相连接，发电机6采用同步电机。
图3中断轴取力器2、动力耦合器5、同步电机（发电机6）的功能和布置与图2实例相同，不同点是断轴取力器的出口之一驱动电动机13,电动机13在AC/AC控制器15的控制下将机械能转化为电能，并通过AC/AC控制器15将电能输送给电动机14，电动机14将电能转化为机械能驱动转速耦合器5的输入轴；电子控制器7根据发电机6的转速和电压信息实时控制AC/AC控制器15，调整电气传动通道内的功率大小，从而控制发电机转速和电压恒定。
需要特别指出的是，本发明中的液压传动部分和电气传动部分的能量传递都是可单向亦可双向的，也就是说图2中的变量液压泵马达1和2，图3中的电机1和2均可以是转速——转矩坐标系统下四象限工作元件。
本发明与现有技术相比，同时采用机械传动和液压（或电气）传动两种传动方式从船舶主机中取出动力，复合后的动力用于驱动发电机，实现了与船舶主机与发电机转速的解耦，使系统能够输出恒压恒频的电源。动力的直接机械传动部分保证了系统的高效率，动力的液压（或电气）传动部分实现了转速的解耦和发电机的恒压恒频输出，具有低成本、高效率等显著的优点。
Claims (4)
1.一种复合传动型船舶恒频轴带发电装置，其特征在于包括断轴取力机构、前端能量转换机构、后端能量转换机构、动力耦合器、以及发电机，其中所述断轴取力机构用于从船舶主机输出轴取出动力并将其分成两部分，一部分采用机械传动直接驱动动力耦合器的一个输入端，另一部分则经过前端能量转换机构和后端能量转换机构经两次能量变换后驱动动力耦合器的另一个输入端；动力耦合器的输出送入发电机。
2.根据权利要求1所述的一种复合传动型船舶恒频轴带发电装置，其特征在于还设有控制器，控制器分别与前端和后端能量转换机构、发电机相连接，其中控制器采集前端能量转换机构的工作状态信息，并向其下达控制命令；发电机向控制器反馈其工作状态信息。
3.根据权利要求1所述的一种复合传动型船舶恒频轴带发电装置，其特征在于所述前端能量转换机构是发电机或电动机或液压泵或马达中的任意一种，后端能量转换机构是发电机或电动机或液压泵或马达中的任意一种,可四象限运行或两象限运行，用于将能量在机械能和液压能或电能之间进行转换，从而实现机械能在传输过程中的速度解耦。
4.根据权利要求1所述的一种复合传动型船舶恒频轴带发电装置，其特征在于所述前端能量转换机构与后端能量转换机构之间还设有能量传输调节机构，所述的能量传输调节机构用于对传输的液压能或电能进行调节并输送，使动力耦合器可以获得适当的输入能量；控制器用于实时监测前/后端能量转换机构、能量传输调节机构、发电机的工作状态，并同步输出对应的控制信号控制前、后端能量转换机构和能量输送调节机构，实现发电机的恒频恒压电源输出。
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