CN107332416A - 基于异步电机自励磁的轴带发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异步电机自励磁的轴带发电系统，解决了现有船舶轴带发电系统中异步发电机本身无励磁能力无法独立完成发电机工作的问题。包括主推进柴油机（1）、齿轮箱（2）、船舶推进器（3）和船舶日用负载（7），在齿轮箱（2）上连接有异步发电机（4），在异步发电机（4）的转子轴上设置有永磁体磁极，在异步发电机（4）的定子上设置励磁绕组（10），励磁绕组（10）通过整流器（11）与四象限变频器（5）的预充端口连接，异步发电机（4）的定子绕组与四象限变频器（5）的机侧输出端连接在一起，四象限变频器（5）的网侧输出端通过轴带断路器（6）与船舶日用负载（7）连接。使船舶主推进柴油机一直工作在最佳的功率效率点上。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶动力推进系统，特别涉及一种基于异步发电机自励磁的船舶轴带发电系统。
背景技术
在传统的船舶动力系统中，船舶推进系统和船舶日用负载是分别采用独立的柴油机提供能量的，具体地说，推进系统采用柴油机通过齿轮箱直接驱动推进器，船舶日用负载的电源是由另一个由柴油机和同步发电机组组成的柴油发电机组提供的，两套柴油发电机组经常处于频繁冷启动状态，存在燃油使用率低，油耗高的缺陷，频繁冷启动也直接缩短了柴油机的使用寿命。为了克服这些缺陷，便出现了另一种新的轴带发电系统，即柴油机的齿轮箱不仅连接推进器，同时还连接一个电机，在变频器的驱动下，这个电机既可以运行在发电机状态，也可以运行在电动机状态，这个电机一般选择为无刷同步电机，这种方案的优势在于无刷同步电机具有非常优越的发电性能，缺点在于传统的无刷同步电机没有电动启动功能，不适合做电动机使用，为了克服该缺陷，也有将无刷同步电机换成异步电机的，这种方案的优势在于异步电机具有优越的启动性能，很适合做电动机运行，但是缺点在于异步电机不能独立实现励磁，异步电机若做发电运行，需要通过变频器对发电机定子提供励磁电流建立励磁系统，通过配备额外的起励电源才能完成，而起励电源的配备增加了设备的投入，增大了空间的占用，存在结构复杂维护不方便的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于异步电机自励磁的轴带发电系统，解决了现有船舶轴带发电系统中异步发电机本身无励磁能力无法独立完成发电机工作，因此在无额外的起励电源时，难以同时具备发电和电动两种功能的技术问题。
本发明的总体构思是：在船舶轴带发电系统中，主推进柴油机通过齿轮箱与异步发电机通过轴连接在一起，异步发电机的转子轴上设置永磁体磁极，在异步发电机的定子上设置励磁绕组，当齿轮箱带动异步发电机转动后，励磁绕组便可以产生电压，产生的电压经过整流器后为四相限变频器提供预充电流，四相限变频器得到电流后为异步发电机提供了启动励磁电流，异步发电机便可以进行发电，输送给船舶日用负载。
一种基于异步电机自励磁的轴带发电系统，包括主推进柴油机、齿轮箱、船舶推进器、船舶日用负载柴油发电机组和船舶日用负载，主推进柴油机通过齿轮箱连接船舶推进器，船舶日用负载柴油发电机组通过主断路器和船舶日用负载连接在一起，在齿轮箱上还连接有异步发电机，异步发电机的转子轴上设置有永磁体磁极，在异步发电机的定子上设置励磁绕组，励磁绕组经过整流器连接到四象限变频器的预充端口上，异步发电机的定子绕组与四象限变频器的机侧输出端连接在一起，四象限变频器的网侧输出端通过轴带断路器与船舶日用负载连接在一起。
励磁绕组是缠绕在异步发电机的外壳上的；四象限变频器有三个输入输出端口，分别是机侧端口、网侧端口和预充端口，其中机侧端口连接异步发电机的定子绕组，经过整流，将主要的能量转换成恒定的直流电压，再逆变，转换成恒定频率和电压的输出，通过网侧端口连接负载；从机侧端口到网侧端口组成的回路成为主回路，负责主要的能量流，中间通过了整流和逆变的过程；这个主回路和普通的四象限变频器是相同的，预充端口通过整流器与励磁绕组连接在一起，这个回路属于辅助回路，是在四象限变频器外额外添加的。
本发明在异步发电机上构建一个永磁发电系统，并应用于船舶轴带发电系统中，解决异步发电机自身无励磁能力，不能同时具备发电和电动两种功能的技术问题，当船舶主推进柴油机无需工作在满负荷状态下时，可以将多余的机械能通过异步发电机输出给船舶的日用电负载，这样不但可以减少船舶日用负载柴油发电机组的启动次数，还可以使船舶主推进柴油机一直工作在最佳的功率效率点上，提高燃油使用率，实现节能的效果。相反的，当主推进柴油机发生故障时，可以通过船舶日用负载柴油发电机组在为船舶日用负载供电的同时通过变频器和异步发电机为齿轮箱输送机械能，从而驱动船舶推进器保持正常工作状态。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明在并联发电状态下的结构示意图；
图3是本发明在单独发电状态下的结构示意图；
图4是本发明在并联推进状态下的结构示意图；
图5是本发明在传统模式状态下的结构示意图；
图6是本发明在应急状态下的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，一种基于异步电机自励磁的轴带发电系统，包括主推进柴油机1、齿轮箱2、船舶推进器3、船舶日用负载柴油发电机组9和船舶日用负载7，主推进柴油机1通过齿轮箱2连接船舶推进器3，船舶日用负载柴油发电机组9通过主断路器8和船舶日用负载7连接在一起。在齿轮箱2上还连接有异步发电机4，异步发电机4的转子轴上设置有永磁体磁极，在异步发电机4的定子上设置励磁绕组10，励磁绕组10经过整流器11连接到四象限变频器5的预充端口上，异步发电机4的定子绕组与四象限变频器5的机侧输出端连接在一起，四象限变频器5的网侧输出端通过轴带断路器6与船舶日用负载7连接在一起。
如图2所示，传统模式状态下，主断路器8闭合，轴带断路器6断开，船舶推进器3由主推进柴油机1驱动，船舶日用负载柴油发电机组9为船舶日用负载7供电。
如图3所示，当主推进柴油机1有功率冗余时，轴带发电系统便可以工作在并联发电状态下，此时将轴带断路器6闭合，主推进柴油机1不仅驱动船舶推进器3工作，同时将多余的机械能通过齿轮箱2输送到异步发电机4。当异步发电机4转子旋转时，在异步发电机4转子轴上的永磁体也同时旋转并切割异步发电机4定子上的永磁绕组10，永磁绕组10便可以产生电压，电压经过整流器11整流以后后连接到四象限变频器5的预充端口，为四象限变频器5提供预充电流，然后四象限变频器5再通过机侧输出端为异步发电机4提供励磁电流，异步发电机4便可以开始进入发电机模式开始产生电压，产生的电压通过四象限变频器5的机侧输出端输送到四象限变频器5，然后由四象限变频器5将异步发电机4产生的频率和幅值都变化的电压转化成频率和幅值都恒定的电压并由网侧输出端口输出，经过轴带断路器6后和船舶日用负载柴油发电机组9一起为船舶日用负载7供电。
如图4所示，当主推进柴油机1功率冗余较多时，轴带发电系统便可以工作在单独发电状态下，此时可以闭合轴带断路器6，断开主断路器8，关闭船舶日用负载柴油发电机组9，首先主推进柴油机1驱动船舶推进器3工作，同时将机械能通过齿轮箱2输送到异步发电机4，带动异步发电机4转子旋转，在异步发电机4转子轴上的永磁体也同时旋转并切割异步发电机4定子上的永磁绕组10，永磁绕组10便可以产生电压，电压经过整流器11整流以后后连接到四象限变频器5的预充端口，为四象限变频器5提供预充电流，然后四象限变频器5再通过机侧输出端为异步发电机4提供励磁电流，异步发电机4便可以开始进入发电机模式开始产生电压，产生的电压通过四象限变频器5的机侧输出端输送到四象限变频器5，然后由四象限变频器5将异步发电机4产生的频率和幅值都变化的电压转化成频率和幅值都恒定的电压并由网侧输出端口输出，经过轴带断路器6后为船舶日用负载7供电。由主推进柴油机1同时为船舶推进器3和船舶日用负载7供电，这种情况下主推进柴油机1可以工作在较高的功率效率点上，有效降低系统油耗。
如图5所示，当船舶推进器3所需能量较多时，可以将轴带断路器6和主断路器8均闭合，船舶日用负载柴油发电机组9在为船舶日用负载7供电的同时可以将电量由四象限变频器5的网侧端口输送到四象限变频器5主电路，经过四象限变频器5的逆变和整流之后由四象限变频器5的机侧端口输出，为异步发电机4供电，使异步发电机4工作在电动机状态，然后异步发电机4为齿轮箱2输送机械能，进而实现船舶日用负载柴油发电机组9与主推进柴油机1一起为船舶推进器3供电，此时轴带发电系统便工作在并联推进状态。
如图6所示，当主推进柴油机1发生故障时，无法为系统正常供电便进入应急状态，此时轴带断路器6和主断路器8均闭合，船舶日用负载柴油发电机组9在为船舶日用负载7供电的同时可以将电量由四象限变频器5的网侧端口输送到四象限变频器5主电路，经过四象限变频器5的逆变和整流之后由四象限变频器5的机侧端口输出，为异步发电机4供电，使异步发电机4工作在电动机状态，然后异步发电机4为齿轮箱2输送机械能，齿轮箱2驱动船舶推进器3正常工作。
Claims (2)
1.一种基于异步电机自励磁的轴带发电系统，包括主推进柴油机（1）、齿轮箱（2）、船舶推进器（3）、船舶日用负载柴油发电机组（9）和船舶日用负载（7），主推进柴油机（1）通过齿轮箱（2）与船舶推进器（3）机械连接在一起，船舶日用负载柴油发电机组（9）通过主断路器（8）与船舶日用负载（7）连接在一起，其特征在于，在齿轮箱（2）上连接有异步发电机（4），在异步发电机（4）的转子轴上设置有永磁体磁极，在异步发电机（4）的定子上设置励磁绕组（10），励磁绕组（10）通过整流器（11）与四象限变频器（5）的预充端口连接在一起，异步发电机（4）的定子绕组与四象限变频器（5）的机侧输出端连接在一起，四象限变频器（5）的网侧输出端通过轴带断路器（6）与船舶日用负载（7）连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种基于异步电机自励磁的轴带发电系统，其特征在于，励磁绕组（10）是缠绕在异步发电机（4）的外壳上的。
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