CN105119464A - 磁耦合轴带发电系统及其在船舶上的应用 - Google Patents

Abstract

一种磁耦合轴带发电系统，包括主机、齿轮箱和推进机构，还包括磁耦合调速器、控制器和发电机，所述主机的主输出轴还与所述磁耦合调速器的耦合输入轴连接，所述磁耦合调速器的耦合输出轴与所述发电机连接。所述磁耦合调速器的绕组转子的绕组还与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述绕组的电流将所述磁耦合调速器的耦合输出轴控制在发电机额定转速范围内。该方案中，通过磁耦合调速器进行调速，使其耦合输出轴的转速稳定，这样就可以克服主机在推进时随时调整导致主轴输出不稳定的问题，使得发电机可以运行在额定转速的范围内，输出稳定电能，可以与船内电网连接并进行供电，解决了现有技术中发电不稳定、成本高、可靠性差、不易实现的问题。

Description

磁耦合轴带发电系统及其在船舶上的应用

技术领域

本发明涉及轴带发电技术，具体地说是一种磁耦合轴带发电系统及其在船舶上的应用。

背景技术

船舶在运行时，主要通过推进系统提供动力，此外，船舶上还需要设置电站，为用来定位的电力推进螺旋桨以及船内的电器设备等提供电能。一般而言，船舶上推进动力功率大，电站动力功率小，推进动力和电站动力相互独立。但是，随着船舶对电站容量要求越来越高，越来越有将电站动力和推进动力合二为一的趋势。以某型起重船为例，主推进设备为中速柴油机，功率为2×4100kW，动力定位采用电力推进螺旋桨，功率为2×1700kW。如果推进动力和电站动力是独立的，2×1700kW电站动力加上2×4100kW主动力，全船至少需要11600kW的动力。事实上，动力定位时主推进并不需要满功率运行。假设动力定位时主推进只需要2×1700kW，多余的容量足够供给动力定位电力推进螺旋桨。二者合并至少可节省3400kW装机容量。

轴带发电就是近年来基于这种合并的思想逐渐发展起来的新技术。除了装机容量的减少带来初始投资的降低、维护量减少、船舱空间节省等优点之外，优化运行模式、提高运行效率是最明显的技术优势。在船舶电站容量不断扩大的趋势下，轴带发电技术无疑具有广阔的发展前景。

在船舶电站中，主要采用同步发电机。同步发电机的频率与转速成正比。如果采用独立的电站动力，通过控制原动机的转速稳定即可控制发电机的输出频率稳定。但是，如果采用轴带发电技术，推进动力需要随时调整，主轴的转速是不稳定的。稳定发电频率是轴带发电技术最大的挑战。为了解决这个问题，目前有两种主流的解决方式，一种是全功率变换，一种是双馈发电。

其中，全功率变换的方法就是将同步发电机不稳定频率的交流电，通过整流、逆变、滤波等处理，变换为频率稳定的交流电。这种技术最大的问题是成本高，另外功率越大，可靠性越差。

另一种双馈发电的方法就是通过交流励磁的方式来发电，同步发电机的励磁是直流电，所以发电频率与转速成正比。如果采用交流励磁，则发电频率由转速与励磁频率共同决定。为此，需要将磁极上的绕组设计为三相对称绕组，通过专用的变频器给励磁绕组供电。

如中国专利文献CN104779855A中公开了一种双馈轴带发电机系统，包括轴带机械装置、双馈发电机、变流器、信号检测电路、控制电路以及其他装置。发电机通过机械传动装置与螺旋桨同轴的主轴连接，当主机驱动桨叶旋转的同时，带动电机运转。转子励磁电路部分通过背靠背式变频器完成工作。该方案中，当发电容量很大时，需要很大的变频器，不仅成本高，而且体积大，限制了此方案应用范围。此外，船级社(Classificationsociety，或称验船协会、有时统称为验船机构，是一个建立和维护船舶和离岸设施的建造和操作的相关技术标准的机构)标准中还要求在船网出现短路时发电机具有强励2-3倍的能力，这样励磁变频器的容量将超过发电机额定容量，导致很难实现，即使能够实现，其成本也是不可接受的。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的轴带发电系统采用全功率变换或者双馈发电的方式，成本高、可靠性差、实现困难，从而提出一种可使发电机稳定运行在额定转速下的磁耦合轴带发电系统及其在船舶上的应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁耦合轴带发电系统，包括主机、推进机构，以及设置在所述主机与所述推进机构之间的用于将所述主机的主输出轴的转速转换为所述推进机构需要的转速的齿轮箱；

还包括磁耦合调速器、控制器和发电机，所述磁耦合调速器包括分别设置在其耦合输入轴和耦合输出轴之一上的磁转子和设置在所述耦合输入轴和所述耦合输出轴另一个上的绕组转子；

其中，所述主机的所述主输出轴还与所述磁耦合调速器的所述耦合输入轴连接，使得所述主机能够带动所述耦合输入轴旋转；所述耦合输出轴与所述发电机连接，以使能够带动所述发电机发电；所述绕组转子的绕组还与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述绕组中的电流将所述耦合输出轴控制在发电机的额定转速范围内。

优选地，所述主机的所述主输出轴通过皮带与所述磁耦合调速器的所述耦合输入轴连接。

优选地，所述发电机为无刷励磁恒压同步发电机。

优选地，所述推进机构包括螺旋桨。

优选地，所述磁转子为永磁转子。

优选地，所述磁转子为电磁转子。

此外，本发明还提供一种磁耦合轴带发电系统的控制器的控制方法，包括以下步骤：

检测所述磁耦合调速器的所述耦合输入轴的转速；

当所述耦合输入轴的转速超过所述发电机的额定转速时，控制所述绕组转子的发电量，以降低所述耦合输出轴的转速使其控制在所述发电机额定转速范围内；

当所述耦合输入轴的转速低于所述发电机额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，以提高所述耦合输出轴的转速使其控制在发电机额定转速范围内。

此外，本发明提供一种磁耦合轴带发电系统的控制器，包括：

转速检测单元，检测所述磁耦合调速器的所述耦合输入轴的转速；

第一控制单元，当所述耦合输入轴的转速超过所述发电机的额定转速时，控制所述绕组转子的发电量，以降低所述耦合输出轴的转速使其控制在发电机额定转速范围内；

第二控制单元，当所述耦合输入轴的转速低于发电机额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，以提高所述耦合输出轴的转速使其控制在发电机额定转速范围内。

此外，本发明还提供一种磁耦合轴带发电系统在船舶上的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，

(1)本发明提供一种磁耦合轴带发电系统，包括主机、齿轮箱和推进机构，还包括磁耦合调速器、控制器和发电机，所述主机的主输出轴还与所述磁耦合调速器的耦合输入轴连接，所述磁耦合调速器的耦合输出轴与所述发电机连接。所述绕组转子的绕组还与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述绕组中的电流将所述耦合输出轴控制在所述发电机额定转速范围内。该方案中，通过磁耦合调速器进行调速，使其输出轴的转速稳定，这样就可以克服主机在推进时随时调整导致主轴输出不稳定的问题，由于通过控制器对绕组转子的转速进行控制，使得磁耦合调速器的输出轴可以稳定在一定范围内，从而使得此处的发电机可以运行在额定转速的范围内，输出稳定电能，可以与船内电网连接并进行供电，解决了现有技术中发电不稳定、成本高、可靠性差、不易实现的问题。

(2)本发明所述的磁耦合轴带发电系统，所述主机的主输出轴通过皮带与所述磁耦合调速器的耦合输入轴连接，当主机的主输出轴的速度波动范围不大时，通过一定的皮带轮的变化，将磁耦合调速器的输入轴的转速控制在发电机额定转速附近，保证发电机工作在额定状态，使其输出稳定的电能。

(3)本发明还提供一种磁耦合轴带发电系统的控制器及其控制方法，当磁耦合调速器的耦合输入轴的转速超过发电机的额定转速时，控制绕组转子的发电量，降低所述磁耦输出轴的转速；当磁耦合调速器的转速低于发电机额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，提高所述耦合输出轴的速度。这样，耦合输入轴的转速无论如何变化，通过控制器的作用，都可以使得磁耦输出轴的转速控制在发电机额定转速范围内，使得所述发电机稳定工作。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明一个实施例的磁耦合轴带发电系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例的磁耦合轴带发电系统的控制器的控制方法流程图；

图3是本发明一个实施例的磁耦合轴带发电系统的控制原理图；

图4是本发明一个实施例的磁耦合轴带发电系统的控制器的结构框图。

图中附图标记表示为：1-主机，2-齿轮箱，3-螺旋桨，4-磁耦合调速器，5-发电机，6-控制器,7-皮带，01-转速监测单元，02-第一控制单元，03-第二控制单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的内容，下面结合附图和实施例对本发明所提供的技术方案作进一步的详细描述。

本实施例提供一种磁耦合轴带发电系统，用于船舶中，可实现轴带发电。该磁耦合轴带发电系统，包括主机1、齿轮箱2和推进机构3，齿轮箱2设置在所述主机1与所述推进机构3之间，用于将所述主机1的主输出轴的转速转换为所述推进机构3需要的转速。此处的推进机构3为螺旋桨，主机1为内燃机或汽轮机等动力输出设备。主机1的主输出轴作为输出轴连接齿轮箱2，该齿轮箱2与作为推进机构3的螺旋桨连接，通过主机1带动螺旋桨转动，此处主机1的主输出轴输出的转速是不稳定的，根据推进动力的需要来进行输出，主机1的主输出轴输出的动力随动力需求进行调整。

本实施例中的磁耦合轴带发电系统，还包括磁耦合调速器4、控制器6和发电机5。所述磁耦合调速器4包括磁转子和绕组转子，磁转子分别设置在其耦合输入轴和耦合输出轴之一上，绕组转子设置在所述耦合输入轴和所述耦合输出轴另一个上，可以互为输入或输出。本实施例中，磁转子可以设置在耦合输入轴上，绕组转子设置在耦合输出轴上。此处的磁转子可以是永磁转子也可以是励磁转子，一般优选永磁转子，由于永磁转子无需通电，设置比较方便；当然也可以选择励磁转子，励磁转子的缺点是需要外接电源，但是其优点是可以通过外接电源来对其产生的磁力进行调节。磁耦合调速器4的耦合输入轴和耦合输出轴分别连接该磁转子和该绕组转子。

此外，所述主机1的主输出轴还与所述磁耦合调速器4的输入轴连接，可以通过皮带7将上述两个轴连接起来，这样就使得所述主机1能够带动所述磁转子旋转。当主机1输出轴的速度波动范围不大时，可以通过一定的皮带轮变比，将永磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速控制在发电机5额定转速附近。

所述磁耦合调速器4的耦合输出轴与所述发电机5连接，这样就使得所述绕组转子能够带动所述发电机5发电。所述磁耦合调速器4的绕组转子的绕组还与所述控制器6连接，所述控制器6通过控制所述绕组中的电流将所述磁耦合调速器4的耦合输出轴控制在发电机5额定转速范围内。

由于主机1的主输出轴带动磁转子转动，产生变化的磁场，所述绕组转子在变化的磁场内产生感应电流和感应磁场，因此绕组转子转动，从而带动发电机5转动进行发电。但是由于主机1的输出轴是不稳定的，这就使得磁转子的转速不稳定，从而导致绕组转子的转速不稳定，同步发电机5无法正常工作，输出的电流也不稳定。

为解决上述问题，本实施例所述的磁耦合轴带发电系统中，所述磁耦合调速器4的绕组转子的绕组还与所述控制器6连接，所述控制器6通过控制所述绕组的电流将所述磁耦合调速器4的耦合输出轴控制在发电机5额定转速范围内。当永磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速超过发电机5额定转速时，通过控制器6来控制绕组转子发电量来降低永磁耦合调速器4的耦合输出轴的转速；当永磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速低于发电机5额定转速时，通过控制器6给绕组供电来提高永磁耦合调速器4的耦合输出轴的转速，从而使发电机5输入稳定的转速。一般发电机5都是同步发电机5，由于同步发电机5的频率与转速成正比，因此，发电机5可以输出稳定频率的电能。

由于永磁耦合传动调速器可以将不稳定的主输出轴速度稳定下来，因此本实施例中的发电机5只需选择普通的无刷励磁恒压同步发电机5即可，该无刷励磁恒压同步发电机5可选购现有技术中的成熟产品，价格便宜而且可靠性高。此外，与调速型液力耦合器相比，本实施例中的永磁耦合轴带发电系统具有效率高、体积小、重量轻、维护量少、谐波小、价格便宜、可靠性高等优点，完全满足船级社强励要求。

此外，本实施方案中还提供一种磁耦合轴带发电系统的控制器6的控制方法，用于上述实施例中的磁耦合轴带发电系统的控制器6中，流程图如图2所示，包括以下步骤：

S1、检测所述磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速，当磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速超过发电机5的额定转速时进入S2，当磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速低于发电机5额定转速范围时进入S3，否则，进入S4，原理图如图3所示。

S2、控制绕组转子的发电量，以降低所述磁耦合调速器4的耦合输出轴的转速使其控制在发电机5额定转速范围内。

控制器6检测到永磁耦合调速器4的耦合输入轴和耦合输出轴转速后，当判断到耦合输入轴转速超过发电机5额定转速时，永磁耦合调速器4工作在发电状态。如图3所示，永磁耦合调速器4产生的能量通过绕组转子侧的二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，电网侧能量回馈控制部分启动，根据永磁耦合调速器4输出转速进行反馈控制，控制回路电流实现速度实时调节。同时，通过获取电网参考电压相位、频率和幅值，将直流逆变成交流，控制多余能量回馈到电网或用于其他电器设备，在达到稳速目的的同时实现节能。

S3、向所述绕组转子的绕组供电，以提高所述磁耦合调速器4的输出轴的转速使其控制在发电机5额定转速范围内；

控制器6检测到永磁耦合调速器4的耦合输入轴和耦合输出轴的转速后，当判断耦合输入轴转速低于发电机5额定转速时，永磁耦合调速器4工作在电机传动状态。永磁耦合调速器4绕组转子需要补充能量才能提高转速输出达到发电机5额定转速。此时，如图3所示，电网侧整流控制单元控制该侧开关管动作，开关管开、断与输入电抗器共同作用产生与输入相位一致的正弦电流波形，消除二极管整流带来的6k+1次谐波，提高功率因数。同时，根据永磁耦合调速器4输出转速进行反馈控制，调节绕组侧开关管动作，向绕组输出与转速对应的三相电压和频率信号，调节永磁耦合调速器4输出转速。

S4、无需对绕组电流进行控制，绕组转子直接旋转带动发动机发电。

此外，当主机1的主输出轴的速度波动范围不大时，可以通过一定的皮带轮变比，将永磁耦合调速器4的输入轴的转速控制在发电机5额定转速附近。

作为其他可以替换的方案，还可以通过其他调整电压、电流的方法对绕组转子进行控制，本领域的技术人员在此发明构思下可以根据本领域的方式合理进行设计，使其达到永磁耦合调速器4的耦合输出轴稳定输出的目的。

通过控制器6的上述控制方法，使得磁耦合调速器可以将不稳定的主输出轴速度稳定下来，因此只需一台普通的无刷励磁恒压同步发电机5即可，当主输出轴的速度变化不大于30％的情况下，控制器6调节的功率大约为20％。与全功率变换、双馈发电相比，谐波小、需要的滤波装置简单，而且能自动满足船级社关于短路时强励的相关要求。

此外，本实施方案还提供一种磁耦合轴带发电系统的控制器6，结构框图如图4所示，包括：

转速检测单元01，检测所述磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速；

第一控制单元02，当磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速超过发电机5的额定转速时，控制绕组转子的发电量，以降低所述磁耦合调速器4的耦合输出轴的转速使其控制在发电机5额定转速范围内；

第二控制单元03，当磁耦合调速器4的耦合输入轴转速低于发电机5额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，以提高所述磁耦合调速器4的输出轴的转速使其控制在发电机5额定转速范围内。

本实施例中的控制器6及其控制方法，当磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速超过发电机5的额定转速时，控制绕组转子的发电量，降低所述磁耦合调速器4的输出轴的转速；当磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速低于发电机5额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，提高所述磁耦合调速器4的耦合输出轴的速度。这样，磁耦合调速器4的耦合输入轴的转速无论如何变化，通过控制器6的作用，都可以使得磁耦合调速器4的耦合输出轴的转速控制在发电机5额定转速范围内，使得所述发电机5稳定工作。

本实施方案中的磁耦合轴带发电系统可用于船舶中，也可用于其他轴带发电系统中。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种磁耦合轴带发电系统，包括主机(1)、推进机构(3)，以及设置在所述主机(1)与所述推进机构(3)之间的用于将所述主机(1)的主输出轴的转速转换为所述推进机构(3)需要的转速的齿轮箱(2)；其特征在于：

还包括磁耦合调速器(4)、控制器(6)和发电机(5)，所述磁耦合调速器(4)包括分别设置在其耦合输入轴和耦合输出轴之一上的磁转子和设置在所述耦合输入轴和所述耦合输出轴另一个上的绕组转子；

其中，所述主机(1)的所述主输出轴还与所述磁耦合调速器(4)的所述耦合输入轴连接，使得所述主机(1)能够带动所述耦合输入轴旋转；所述耦合输出轴与所述发电机(5)连接，以便能够带动所述发电机发电；所述绕组转子的绕组还与所述控制器(6)连接，所述控制器(6)通过控制所述绕组中的电流将所述耦合输出轴控制在所述发电机(5)的额定转速范围内。

2.根据权利要求1所述的磁耦合轴带发电系统，其特征在于，所述主机(1)的所述主输出轴通过皮带(7)与所述磁耦合调速器(4)的所述耦合输入轴连接。

3.根据权利要求1或2所述的磁耦合轴带发电系统，其特征在于，所述发电机(5)为无刷励磁恒压同步发电机。

4.根据权利要求1或2或3所述的磁耦合轴带发电系统，其特征在于，所述推进机构(3)包括螺旋桨。

5.根据权利要求1-4任一项所述的磁耦合轴带发电系统，其特征在于，所述磁转子为永磁转子。

6.根据权利要求1-4任一项所述的磁耦合轴带发电系统，其特征在于，所述磁转子为电磁转子。

7.一种权利要求1-6任一项所述的磁耦合轴带发电系统的控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测所述磁耦合调速器(4)的所述耦合输入轴的转速；

当所述耦合输入轴的转速超过所述发电机(5)的额定转速时，控制所述绕组转子的发电量，以降低所述耦合输出轴的转速使其控制在所述发电机额定转速范围内；

当所述耦合输入轴的转速低于所述发电机(5)额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，以提高所述耦合输出轴的转速使其控制在发电机(5)额定转速范围内。

8.一种磁耦合轴带发电系统的控制器，其特征在于，包括：

转速检测单元(01)，检测所述磁耦合调速器(4)的所述耦合输入轴的转速；

第一控制单元(02)，当所述耦合输入轴的转速超过所述发电机(5)的额定转速时，控制所述绕组转子的发电量，以降低所述耦合输出轴的转速使其控制在发电机(5)额定转速范围内；

第二控制单元(03)，当所述耦合输入轴的转速低于发电机(5)额定转速范围时，向所述绕组转子的绕组供电，以提高所述耦合输出轴的转速使其控制在发电机(5)额定转速范围内。

9.一种权利要求1-6任一项所述的磁耦合轴带发电系统在船舶上的应用。