CN106005344A - 串列式共轴柴电联合推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串列式共轴柴电联合推进系统，机械推进部分包括主柴油机、推进离合器、串列式共轴永磁电机、定距桨，定距桨的轴系直接穿过串列式共轴永磁电机的绕组，通过推进离合器与主柴油机的推进轴连接；电力推进部分包括辅助柴油发电机组、串列式共轴永磁电机、并网变流器、船舶电站，船舶电站包括交流母排、直流母排、蓄电池组、网侧变流器、DC/DC整流器，辅助柴油发电机组与交流母排连接，蓄电池组通过DC/DC整流器与直流母排连接，网侧变流器连接于交流母排和直流母排之间，串列式共轴永磁电机通过并网变流器与直流母排连接。本发明根据不同工况灵活配置纯柴、纯电和柴电联合推进，保证船舶在全工况下都具有较高的运行效率。

Description

串列式共轴柴电联合推进系统
技术领域
本发明涉及一种船用推进系统,尤其涉及一种串列式共轴柴电联合推进系统，属于船舶设备技术领域。
背景技术
柴油机具有功率范围广、经济性好、重量轻、尺寸小、附属设备少、负荷变化迅速等诸多优点，作为船舶推进动力使用了约一个世纪。但随着经济的发展，其固有的缺点也不断暴露，比如低速性能及过载能力均较差，工作环境因为振动和噪声变差，其排除的废气含有害物质（NOX、SOX 、CO2等）。电力推进作为船舶的新型推进动力，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护的优点，正成为当今大型船舶青睐的主推进系统。同传统的机械推进方式相比，采用电力推进的船舶在经济性、振动、噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显的优点。但电力推进也有其不足之处，如价格昂贵，系统设备复杂，变频器和变压器等存在中间功率损耗。对采用全回转舵桨或吊舱式（POD）推进器而言，其航向偏移和稍微改变航向都需要操纵功率较大的推进器，而频繁改变方向和负荷的推进器有疲劳损伤的风险，对操作管理要求高。基于这一现状，新型柴电联合推进系统的研发意义深远。串列式共轴柴电联合推进系统，可以发挥柴油机推进和电力推进两种动力推进方式的综合优势，既能解决船舶工况复杂、对船舶推进功率和定位能力要求差异大的特点，又能提升船舶使用的经济性、机动性、可靠性以及定位能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串列式共轴柴电联合推进系统，将机械推进和电力推进结合在一起，根据不同工况、不同需求，灵活配置纯柴、纯电和柴电联合推进，保证船舶在全工况下都具有较高的运行效率，减少船舶总燃油消耗量和废气排放，节约船舶运营成本，提高船舶运行可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：
一种串列式共轴柴电联合推进系统，包括机械推进部分、电力推进部分，所述机械推进部分包括主柴油机5、推进离合器3、串列式共轴永磁电机4、定距桨1，所述定距桨1的轴系直接穿过串列式共轴永磁电机4的绕组，通过推进离合器3与主柴油机5的推进轴连接；所述电力推进部分包括辅助柴油发电机组7、串列式共轴永磁电机4、并网变流器2、船舶电站6，所述船舶电站6包括交流母排（AC BUS）、直流母排（DC BUS）、蓄电池组8、网侧变流器10、DC/DC整流器11，所述辅助柴油发电机组7与交流母排连接，所述蓄电池组8通过DC/DC整流器11与直流母排连接，所述网侧变流器10连接于交流母排和直流母排之间，所述串列式共轴永磁电机4通过并网变流器2与直流母排连接。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
前述串列式共轴柴电联合推进系统，其中并网变流器2的型号为VACON NXP系列变流器。
前述串列式共轴柴电联合推进系统，其中网侧变流器10的型号为VACON NXP系列变流器。
前述串列式共轴柴电联合推进系统，其中辅助柴油发电机组7为小型柴油发电机组。
前述串列式共轴柴电联合推进系统，还包括超级电容9，所述超级电容9通过DC/DC整流器11与直流母排连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的轴带电机为永磁电机，既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，并且能够与柴油发电机无缝并网运行，极大程度的提高了船舶的续航能力。本发明供配电系统采用先进的直流微网供配电系统，以蓄电池组、超级电容、同步发电机作为主能源，可接入风能、光伏以及岸电作为辅助能源，永磁电机功率因素较高从而大大减少了直流母线上的谐波问题，进而可以选用较小的直流母线滤波电容，降低了成本、保证船舶电网质量、提高系统可靠性。动力装置采用串列式共轴电机与船舶主机共同或各自单独驱动。解决船舶低速时柴油机效率低、排放高的问题，可达到港内零排放。采用双向变流技术，使能量双向转换、柴电匹配无缝连接。串轴式永磁电机将机械推进系统和电力推进系统连接为一个整体。串列式共轴永磁发电/电动机通过推进离合器与船舶主机推进轴系连接，摒弃了传统机械的减速齿轮箱，使得船舶大型设备布置更灵活、有效空间更多、费用减少。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
传统的船舶推进系统由纯柴或纯电驱动。纯柴动力在机舱布局、柴油机效率、节能减排及维护等多方面存在局限，而纯电推进受制于成本及制造技术，虽有柴电混合推进，但其纯电模式并非主要推进方式。
本发明串列式共轴柴电联合推进系统，将机械推进和电力推进结合在一起，根据不同工况、不同需求，灵活配置纯柴、纯电和柴电联合推进，有效地解决船舶全工况下高效率动力输出问题。
如图1所示，本发明串列式共轴柴电联合推进系统，包括机械推进部分、电力推进部分，所述机械推进部分包括主柴油机5、推进离合器3、串列式共轴永磁电机4、定距桨1，所述定距桨1的轴系直接穿过串列式共轴永磁电机4的绕组，通过推进离合器3与主柴油机5的推进轴连接；所述电力推进部分包括辅助柴油发电机组7、串列式共轴永磁电机4、并网变流器2、船舶电站6，所述船舶电站6包括交流母排（AC BUS）、直流母排（DC BUS）、蓄电池组8、超级电容9、网侧变流器10、DC/DC整流器11，所述辅助柴油发电机组7与交流母排连接，所述蓄电池组8、超级电容9通过DC/DC整流器11与直流母排连接，所述网侧变流器10连接于交流母排和直流母排之间，所述串列式共轴永磁电机4通过并网变流器2与直流母排连接。所述并网变流器2、网侧变流器10的型号为VACON NXP系列变流器。
本发明的工作原理及过程如下：
全电力推进工况：在该工况下，串列式共轴永磁电机4工作在电动机状态，主柴油机5停机。辅助柴油发电机组7放电，送至交流母排，并通过网侧变流器10将交流电逆变成直流电送至直流母排，直流母排向并网变流器2供电，并网变流器2将直流电逆变成交流电驱动串列式共轴永磁电机4对定距桨1提供动力。船舶用电负荷取自交流母排。所述蓄电池组8、超级电容9可通过DC/DC整流器11将电能输送至直流母排给推进系统供电，直流母排也可以通过DC/DC整流器11对蓄电池组8、超级电容9充电。
全机械推进工况：在该工况下，串列式共轴永磁电机4工作在发电机状态，主柴油机5同时向定距桨1和串列式共轴永磁发电机4提供能量。串列式共轴永磁发电机4产生的电能通过并网变流器2整流后送至直流母排，一部分经DC/DC整流器11存储于蓄电池组8和超级电容9，另一部分通过网侧变流器10逆变成交流电送至交流母排驱动船舶用电设备。
柴电联合推进工况：在该工况下，串列式共轴永磁电机4工作在电动机状态，主柴油机5运行。主柴油机5通过推进离合器3与串列式共轴永磁电机4串联运行，共同驱动定距桨1。这种工况下，船舶可以获得比原来更高的推进效率，即主机输出功率+串列式共轴永磁电机输出功率。永磁电机供电来自船舶电站6。
串列式共轴柴电联合推进系统，可以使得船舶主柴油机永远保持在相对较高的效率下运行。由于串轴式永磁电机的不同工作模式，可以减小主机推进功率，进而减少能量的消耗，降低了柴油机的安装功率，优化了船舶电站管理系统，提高能源利用效率，进一步较少环境污染气体的排放。串列式共轴柴电联合推进系统设置灵活，便于控制，给船舶设计保留了更大的空间。串列式共轴柴电联合推进系统摒弃了传统减速齿轮箱的使用，共轴电机采用串列式布置直接与主机推进轴系连接，扩大了机舱空间，降低了机舱噪声，设置灵活，便于控制，给船舶设计保留了更大的空间。变流技术的运用，使得串列式共轴永磁电机的轴带电动机工作模式成为船舶主要推进方式，船舶运行模式更加灵活多变，船舶续航能力和航行安全性得到了极大的提高。
本发明的变流装置采用可逆变频永磁同步技术和四象限变流技术，实现能量的双向流动，结构采用稀土材料励磁，不仅使电机尺寸大大减少，重量减轻，而且使之维护方便，运行可靠、效率提高。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种串列式共轴柴电联合推进系统，其特征在于，包括机械推进部分、电力推进部分，所述机械推进部分包括主柴油机（5）、推进离合器（3）、串列式共轴永磁电机（4）、定距桨（1），所述定距桨（1）的轴系直接穿过串列式共轴永磁电机（4）的绕组，通过推进离合器（3）与主柴油机（5）的推进轴连接；所述电力推进部分包括辅助柴油发电机组（7）、串列式共轴永磁电机（4）、并网变流器（2）、船舶电站（6），所述船舶电站（6）包括交流母排、直流母排、蓄电池组（8）、网侧变流器（10）、DC/DC整流器（11），所述辅助柴油发电机组（7）与交流母排连接，所述蓄电池组（8）通过DC/DC整流器（11）与直流母排连接，所述网侧变流器（10）连接于交流母排和直流母排之间，所述串列式共轴永磁电机（4）通过并网变流器（2）与直流母排连接。
2.如权利要求1所述的串列式共轴柴电联合推进系统，其特征在于，所述并网变流器（2）的型号为VACON NXP系列变流器。
3.如权利要求1所述的串列式共轴柴电联合推进系统，其特征在于，所述网侧变流器（10）的型号为VACON NXP系列变流器。
4.如权利要求1所述的串列式共轴柴电联合推进系统，其特征在于，所述辅助柴油发电机组（7）为小型柴油发电机组。
5.如权利要求1所述的串列式共轴柴电联合推进系统，其特征在于，还包括超级电容（9），所述超级电容（9）通过DC/DC整流器（11）与直流母排连接。
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