CN106549361B - 一种船舶的轴发电机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船舶的轴发电机装置。根据本发明的一种船舶的轴发电机装置包括被设置在船舶的主轴(2)周围的永磁发电机(1)，和设置成变换发电机的电压的频率变换器(5)。所述装置也具有在发电机(1)和频率变换器(5)之间的发电机断路器(7)，通过所述断路器，发电机能够连接至频率变换器。永磁发电机(1)的绕组(1A)连接至星点(9)，并且，所述发电机包括在绕组(1A)和星点(9)之间的星点断路器(10)。

Description

一种船舶的轴发电机装置
技术领域
本发明涉及一种船舶的轴发电机装置。更具体地，本发明涉及具有保护装置的船舶的主轴发电机装置。
背景技术
船舶具有被设置为使船舶的推进器旋转的主发动机。发动机是例如柴油发动机或者燃气发动机，并且其经常也被称为主发动机。轴将发动机连接至推进器，并且该轴被称为主轴。为了针对船舶上的负载产生电力，船舶可以具有与发电机(或者多个发电机)连接的单独的发动机(或者多个发动机)。另一种解决方案是，发电机与主轴相连接，这意味着主发动机使推进器旋转，并且也通过发电机产生电力。主轴周围的发电机被称为轴发电机。轴发电机的发电机通过发电机断路器连接至船舶的电网(grid)。
轴发电机通常是独立激励的发电机，这意味着直流(DC)电压被供应至转子的绕组。轴发电机已被使用数十年，并且其被证实为在海运环境中是有效且可靠的。
如果在发电机中发生机能失常，则开启发电机断路器以便从电网断开发电机。在单独激励的发电机的情况下，为了阻止在定子的绕组中感生电压，也有可能断开向转子的绕组的DC供应。在永磁发电机的情况下，发动机被关闭以阻止在定子绕组中感生电压。如果发电机是轴发电机，则由于例如航行危险，关闭主发动机不总是可能的。
WO 2013071937公开了一种永磁发电机的保护装置，其中该永磁发电机用在比如风力发电站的发电站中。该文献示出发电机中的星点测量装置(star pointmeasurement)。该测量装置由操纵断路器的保护继电器利用。WO2012143245公开了一种解决方案，其中，ACDC功率转换器由额外的短路电路保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决方案，其中，主轴永磁发电机具有保护装置，即使发电机处于故障状况下，该保护装置也允许主发动机运行。上述目标以独立权利要求中所描述的方式被实现。
根据本发明的船舶的轴发电机装置包括待与船舶的主轴连接的永磁发电机，和设置成变换发电机的电压的频率变换器。该装置也具有在发电机和频率变换器之间的发电机断路器，通过该断路器，发电机能够连接到频率变换器。永磁发电机的绕组连接至星点，并且该装置包括星点断路器，其位于发电机附近在绕组和星点之间。发电机和主轴之间的连接将通过将发电机安装在主轴周围或者经由传动装置(gearing)被设置。
装置进一步包括被设置为测量发电机和频率变换器之间的电流的第一电流测量装置和被设置为测量绕组和星点之间的电流的第二电流测量装置，以及保护继电器，其能够连接至第一和第二电流测量装置，并且连接到星点断路器和发电机断路器。保护继电器被设置为，在响应第二测量装置时，如果检测到发电机的相之间的2-相或者3-相短路，则开启星点断路器，以及，在响应所述第一和第二测量装置时，如果检测到双接地故障，则开启发电机断路器。
保护继电器被设置为由于发电机断路器的机能失常而开启星点断路器，并且，保护继电器具有过电流保护功能以在2-相或3-相短路的情况下检测过电流，并且保护继电器具有差电流保护功能以在双接地故障的情况下检测差电流。
保护继电器装置控制发电机断路器和星点断路器两者，使得断路器的开关动作不会彼此妨碍或者引起机能失常。所以，开关动作本身不会引起进一步的问题，因为不同的故障如上文指示的那样被处理，并且，发动机能够在故障期间运行。
附图说明
在下文中，通过参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1图示发明的装置的示例，
图2更详细地图示发明的装置的频率变换器，以及
图3图示带有传动齿轮(transmission gear)的发明的装置的示例。
具体实施例
图1图示根据本发明的装置的示例。船舶的轴发电机装置包括永磁发电机1，其能够被设置在船舶的主轴2的周围，从而与主轴连接。为了使船舶的推进器4旋转，船舶的主发动机3向主轴提供动力。主轴周围的发电机将一部分动力变换成电形式，其能够被用在连接至船舶的电网6上的负载中。永磁发电机1提供至少0.5MVA。该装置具有被设置为变换发电机1的电压的频率变换器5，以及发电机1和频率变换器5之间的发电机断路器7，通过该断路器7，发电机能够连接至频率变换器。在本背景中电压的变换意味着电压的幅值、频率和/或相位被改变。
永磁发电机的绕组1A(更精确地是定子的绕组)被连接至星点9。进一步地，发电机1包括绕组和星点之间的星点断路器10。
装置进一步包括设置成测量发电机1和频率变换器5之间的电流的第一电流测量装置15，和设置成测量接近星点9的绕组1A上的电流的第二电流测量装置14，以及保护继电器11，其能够连接至第一电流测量装置15和第二电流测量装置14，并且通过对应的连接17、16、13、12连接到星点断路器10和发电机断路器7。与第一测量装置和第二测量装置连接的连接17、16向保护继电器提供测量数据，其在响应所述测量装置时根据需要驱动断路器7、10开启。
保护继电器11被设置为在响应第一测量装置15或第二测量装置14时，如果检测到发电机的相之间的2-相或者3-相短路，则开启星点断路器10，以及，在响应第一测量装置15和第二测量装置14时，如果检测到双接地故障，则开启发电机断路器7。因为发电机的每一个绕组均是相位专有的，所以2-相或者3-相短路能够是绕组之间或者相位的线路之间的短路。保护继电器11也被设置为由于发电机断路器7的机能失常开启星点断路器10。
保护继电器具有过电流保护功能，以在2-相或者3-相短路的情况下检测过电流，且具有差电流保护功能，以在双接地故障的情况下检测差电流。当存在两个同时接地故障时，双接地故障发生。一个接地故障能够在发电机中，且另一个接地故障在船舶的电网中。在这种情况下，故障电流流动通过地面(船舶的外壳)和频率转换器。下文的表格1示出保护继电器的一些特性。
表格1保护继电器特性
Figure BSA0000137142220000031
Figure BSA0000137142220000041
该装置可以进一步包括接地故障检测设备18，以检测单个接地故障并且提供接地故障信息以便监测装置。在本实施例中，保护继电器11也能够被设置为在频率变换器被停止并且提供接地故障信息的情况下，开启星点断路器。因为电气系统在海船中绝缘，如IT(Insulated Terra，绝缘的土地)系统那样，因此接地故障检测装置18检测在绝缘中使绝缘材料的电阻减小的故障。
该装置进一步包括星点断路器柜，其在永磁发电机附近处，具有星点、星点断路器和第二电流测量装置。能够注意到的是，在先前的解决方案中，断路器被定位成相对远离发电机。
频率变换器5可以包括直流电桥5A和两个逆变器5A、5B，一个被连接到发电机1，且另一个被连接到电网6。图2中图示的这种结构提供良好的驱动可能性。也可能从电网向发电机供给动力，在这种情况下，发电机如电动机械那样运行。以这种方式，即使主发动机3未运行(例如由于故障状况)，也能够使船舶的推进器4旋转。
该装置能够在频率变换器和船舶电网之间包括电网断路器8。其方便地放置在主开关板(main switch board)20中。
因此，本发明使得可能利用永磁发电机及船舶的主轴，使得即使发电机产生故障，主发动机也运行以使推进器旋转。在任何故障状况下，均能够开启星点断路器。本发明的装置至少如现有技术的解决方案(比如单独激励的发电机)那样可靠。因此，本发明的永磁轴发动机装置提供新的且可靠的解决方案，也用于功率更大的装置，比如至少1.5MVA的装置，且按照海事标准要求。
为了使本发明的系统恰当地运行，已经考虑到若干事项。对应的现有技术的解决方案依赖于开关电压截止(switching voltage off)(单独激励)，而本发明具有开关电流截止(switching current off)(星点断路器)的新方法。保护继电器装置必须控制发电机断路器和星点断路器两者，使得断路器的开关动作不彼此妨碍或者引起机能失常。此外，具有所述断路器和测量装置及保护继电器的装置必须在可变频率水平(也可能在低频率水平)下工作。例如，在通常的实施例的情况中，永磁发电机在其定子绕组中5-30Hz AC的范围中运行。这是由于在许多解决方案中在公称速度下大约50-100rpm的主轴的旋转速度。因此，该装置的部件应当适合于所述低频率范围。如果使用传动装置，则定子绕组中的频率范围能够是例如30-75Hz。必须考虑到可变轴发电机频率水平(范围为5-30Hz和30-75Hz)，以便向具有例如50Hz或者60Hz频率或者DC分布的船电网提供动力。进一步地，永磁发电机能够被设置为提供至少1.5MVA，这意味着该装置必须满足已在上文提及的海事标准所确定的可靠性和安全性要求。
船舶具有两个主轴2是可能的。在这种情况下，根据本发明，装置包括能够与船舶的另一主轴连接的另一永磁发电机，和在另一发电机和频率变换器之间的另一发电机断路器，通过该断路器，能够将另一发电机连接到频率变换器。另一永磁发电机的绕组被连接至另一星点，且该装置包括在另一永磁发电机的绕组和另一星点之间的另一星点断路器。该装置进一步包括设置为测量另一发电机和频率变换器之间的电流的另一第一电流测量装置，和设置为测量另一永磁发电机的绕组和另一星点之间的电流的另一第二电流测量装置。这些另一元件对应于图1中图示的且在上文中描述的发电机、断路器、星点以及第一和第二测量装置。因此，相同的附图标记也能够被用于指代另一元件。
保护继电器能够连接至另一第一电流测量装置和另一第二电流测量装置，并且能够连接至另一星点断路器和另一发电机断路器。保护继电器被对应地设置成在响应另一第一测量装置或者另一第二测量装置时，如果检测到另一发电机的相位之间的2-相或者3-相短路，则开启另一星点断路器，并且在响应所述另一第一测量装置和另一第二测量装置时，如果检测到双接地故障，则开启另一发电机断路器。替代该保护继电器，能够存在被设置成完成这些任务且具有所述连接的另一保护继电器。
本展示的附图是示意性附图，因此，在真实的解决方案中，也能够存在其它设备，例如频率变换器中的电压限制单元和滤波器。由于动力系统通常带有三个相位，因此所述断路器和电流测量装置与每一相连接。尽管保护继电器11在图1中被描述为一个设备，但是其也可以分散在若干位置处，比如靠近断路器，但是仍然如上文所描述的一个保护继电器那样一起工作。保护继电器11能够位于与频率变换器以及接地故障检测装置18、发电机断路器7以及还有第一电流测量装置相同的柜19内。星点断路器可以位于发电机组件内，或者在发电机上，或者在发电机附近处的柜中。
发电机也在低旋转速度下以高扭矩工作。然而，如果期望，本发明的装置能够被构建为带有传动齿轮30以及图3中所描述的特征。在这种情况下，也能够经由传动齿轮连接发电机。此外，能够注意到的是，在2-相或者3-相短路的情况下，即使频率变换器未运行且发电机断路器开启，也能够截断短路电流。这在现有技术的永磁体技术方案中是不可能的。
从上文显而易见的是，本发明不限制于本文本中所描述的实施例，而是能够在本发明构思的范围内以多种其它不同实施例实现。

Claims (12)

1.一种船舶的轴发电机装置，所述轴发电机装置包括能够与所述船舶的主轴（2）连接的永磁发电机（1）、被设置成变换所述永磁发电机（1）的电压的频率变换器（5），以及在所述永磁发电机（1）和所述频率变换器（5）之间的发电机断路器（7），通过所述发电机断路器（7），所述永磁发电机（1）能够连接至所述频率变换器（5），其特征在于，所述永磁发电机（1）的绕组（1A）被连接至星点（9），并且所述轴发电机装置包括在所述绕组和所述星点之间的星点断路器（10），
所述轴发电机装置还包括被设置为测量所述永磁发电机（1）和所述频率变换器（5）之间的电流的第一电流测量装置（15），和被设置为测量所述绕组（1A）和所述星点（9）之间的电流的第二电流测量装置（14），以及保护继电器（11），其能够连接至所述第一电流测量装置（15）和所述第二电流测量装置（14）以及所述星点断路器（10）和所述发电机断路器（7），所述保护继电器（11）被设置为，在响应所述第一电流测量装置（15）或所述第二电流测量装置（14）时，如果检测到所述永磁发电机（1）的相位之间的2-相或者3-相短路，则开启所述星点断路器（10），以及，在响应所述第一电流测量装置（15）和所述第二电流测量装置（14）时，如果检测到双接地故障，则开启所述发电机断路器（7），并且
所述保护继电器（11）被设置为由于所述发电机断路器（7）的机能失常而开启所述星点断路器（10），以及
所述保护继电器（11）具有过电流保护功能，以检测在所述2-相或者3-相短路的情况下的过电流，以及具有差电流保护功能，以检测在所述双接地故障的情况下的差电流。
2.根据权利要求1所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述轴发电机装置还包括接地故障检测设备（18），以检测单个接地故障，并且提供接地故障信息以便监测所述轴发电机装置。
3.根据权利要求1所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述轴发电机装置还包括星点断路器柜，其在所述永磁发电机（1）附近处，具有所述星点（9）、所述星点断路器（10）和所述第二电流测量装置（14）。
4.根据权利要求3所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述频率变换器（5）包括直流电桥（5A）和两个逆变器（5B、5C）。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述永磁发电机（1）在能够变化的速度或者固定速度下运行。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述永磁发电机（1）提供至少0.5 MVA。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述永磁发电机（1）在所述主轴（2）周围。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述轴发电机装置包括所述主轴（2）的传动齿轮（30），且所述永磁发电机（1）通过所述传动齿轮（30）与所述主轴（2）连接。
9.根据权利要求1至4中任意一项所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述轴发电机装置还包括能够与所述船舶的另一主轴（2）连接的另一永磁发电机（1），和在所述另一永磁发电机（1）和所述频率变换器（5）之间的另一发电机断路器（7），通过所述另一发电机断路器，所述另一永磁发电机（1）能够连接至所述频率变换器，并且所述另一永磁发电机的绕组（1A）连接至另一星点（9），且所述轴发电机装置包括在所述另一永磁发电机的绕组和所述另一星点之间的另一星点断路器（10），所述轴发电机装置还包括被设置为测量所述另一永磁发电机（1）和所述频率变换器（5）之间的电流的另一第一电流测量装置（15），和被设置为测量所述另一永磁发电机（1）的绕组（1A）和所述另一星点（9）之间的电流的另一第二电流测量装置（14）。
10.根据权利要求9所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述保护继电器（11）能够连接至所述另一第一电流测量装置（15）和所述另一第二电流测量装置（14），以及所述另一星点断路器（10）和所述另一发电机断路器（7），所述保护继电器被设置为，当响应所述另一第一电流测量装置或所述另一第二电流测量装置时，如果检测到所述另一永磁发电机（1）的相位之间的2-相或者3-相短路，则开启所述另一星点断路器，以及，当响应所述另一第一电流测量装置和所述另一第二电流测量装置时，如果检测到双接地故障，则开启所述另一发电机断路器。
11.根据权利要求9所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述轴发电机装置还包括另一保护继电器（11），其能够连接至所述另一第一电流测量装置（15）和所述另一第二电流测量装置（14），以及另一星点断路器（10）和另一发电机断路器（7），所述另一保护继电器被设置为，当响应所述另一第一电流测量装置或所述另一第二电流测量装置时，如果检测到所述另一永磁发电机（1）的相位之间的2-相或者3-相短路，则开启所述另一星点断路器，以及，当响应所述另一第一电流测量装置和所述另一第二电流测量装置时，如果检测到双接地故障，则开启所述另一发电机断路器。
12.根据权利要求1至4中任意一项所述的船舶的轴发电机装置，其特征在于，所述轴发电机装置包括在所述频率变换器（5）和所述船舶的电网（6）之间的电网断路器（8）。
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