CN107707076A - 宽范围变速轴带发电系统及轴带发电机设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽范围变速轴带发电系统及轴带发电机设计方法，宽范围变速轴带发电系统包括船舶主机、齿轮箱、轴带发电机、二象限变频器、隔离变压器，所述船舶主机通过齿轮箱与轴带发电机连接，并带动轴带发电机旋转发电，所述二象限变频器输入端与轴带发电机连接，所述二象限变频器输出端与隔离变压器输入端相连，所述隔离变压器输出端为船舶供电。轴带发电机设计方法解决530‑1500rpm轴带发电系统成本高的问题，使轴带发电系统可以使用普通二象限变频器取代四象限变频器，将变频器的硬件成本降低、软件程序简单化，有效降低了系统成本及故障率。

Description

宽范围变速轴带发电系统及轴带发电机设计方法
技术领域
本发明涉及一种轴带发电系统，尤其涉及一种宽范围变速轴带发电系统及轴带发电机设计方法，属于船舶设备技术领域。
背景技术
船舶在选用主发动机时，考虑到河况、海况、船况来进行安全功率储备。一般功率储备可达到额定功率的10％-15％。对于货船，一般来说，其电站功率为主机额定功率的5％左右，采用主机轴带发电系统，使主机长期在较高负荷下工作，采用主发动机富裕功率输送给轴带发电机发电，完全能够满足船舶正常航行的电力需要。采用主发动机富裕功率实现的轴带发电系统，因其具有良好的经济性等优点得到了广泛应用。轴带发电系统主要由主机、齿轮箱、发电机、变频器和隔离变压器等组成。
目前530-1500rpm、400V、50Hz轴带发电系统主要是由常规发电机和四象限变频器(AFE)构成，这种组合方案，常规发电机输出的电压值随着主机转速的变化而变化，当转速过低使发电机电压低于400V时，使用四象限变频器可弥补电压低的不足，从而输出稳定的400V、50Hz的电压。现有的这种技术方案虽然可以解决常规发电机输出的电压值随着主机转速变化的问题，但是大大增加了发电系统的成本和故障率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽范围变速轴带发电系统及轴带发电机设计方法，解决530-1500rpm轴带发电系统成本高的问题，并且提供一种轴带发电机的设计方法，从而使轴带发电系统可以使用普通二象限变频器取代四象限变频器，将变频器的硬件成本降低、软件程序简单化，有效降低了系统成本及故障率。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种宽范围变速轴带发电系统，包括船舶主机1、齿轮箱2、轴带发电机3、二象限变频器4、隔离变压器5，所述船舶主机1通过齿轮箱2与轴带发电机3连接，并带动轴带发电机3旋转发电，所述二象限变频器4输入端与轴带发电机3连接，所述二象限变频器4输出端与隔离变压器5输入端相连，所述隔离变压器5输出端为船舶供电。
一种宽范围变速轴带发电系统的轴带发电机设计方法，包括以下步骤：
1)选择发电机极数：按照低转速为基准，530rpm与10极电机在电源频率为50Hz时的同步转速600rpm接近，故将轴带发电机设计成10极电机；
2)电磁方案计算：为使设计的轴带发电机在530-1500rpm转速范围内保持电压为400V，根据公式：选择发电机在530rpm时定子线圈的线规使得定子的电流密度在3.5-5.5A/mm2，再根据公式：E＝4.44*k*f*N*φ、φ＝B*S，选择定子绕组的匝数使气隙磁通密度值在8000-9000GS之间，式中E为发电机电压、k为绕组系数、f为频率、N为定子绕组匝数、φ为磁通量，B为气隙磁通密度值，S为气隙面积；
3)励磁方式确定：计算轴带发电机在530rpm、210kW时的主机转子电流为63A，换算成励磁机定子电流为4.7A，计算975rpm、400kW时的主机转子电流为77A，换算成励磁机定子电流为7A，根据计算出的两种状态下励磁电流的最大值为选择自动电压调节器的依据；
4)冷却方式选择：根据轴带发电机在530rpm、210kW和975rpm、400kW时的损耗，分别计算风扇所需的风压和风量，在任何状态下，风压不应低于400pa；
5)定子绕组绝缘处理：考虑到系统中变频器谐波引起的附加发热效应，定子绕组的绝缘厚度增加20％，发电机额定电压值及耐压试验值分别增加50％，以增加发电机的寿命。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
前述宽范围变速轴带发电系统的轴带发电机设计方法，其中步骤3)中自动电压调节器选用型号为ABB1010，最大输出电流为10A。
前述宽范围变速轴带发电系统的轴带发电机设计方法，其中步骤4)中，在发电机最大安装空间内，风压若不能满足大于400pa的要求，则采用强迫风冷。
前述宽范围变速轴带发电系统的轴带发电机设计方法，其中步骤5)中，变频器与发电机连接电缆以及变频器与负载连接电缆的截面积为常规发电机的1.3倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的轴带发电机可在530-1500rpm下输出400V变频电压，满足二象限变频器电压输入范围在400-450V的条件，从而使轴带发电系统可以使用普通二象限变频器取代四象限变频器，将变频器的硬件成本降低、软件程序简单化，有效降低了系统成本及故障率。
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。
如图1所示，宽范围变速轴带发电系统，包括船舶主机1、齿轮箱2、轴带发电机3、二象限变频器4、隔离变压器5，所述船舶主机1通过齿轮箱2与轴带发电机3连接，并带动轴带发电机3旋转发电，所述二象限变频器4输入端与轴带发电机3连接，所述二象限变频器4输出端与隔离变压器5输入端相连，所述隔离变压器5输出端为船舶供电。
额定功率为400kW、转速范围530-1500rpm、输出电压为400V、频率为50Hz的轴带发电机要求在530-975rpm范围内输出功率在210-400kW线性变化，975-1500rpm保持恒功率400kW输出，530-1500rpm范围内输出电压400V、频率50Hz。本发明设计的轴带发电机结合普通二象限变频器以及主机转速变化的特点，从电磁结构、冷却方式、励磁方式以及定子绝缘结构几方面对其进行设计。一般常规发电机设计时，考虑到发电机的稳定性和饱和度，气隙磁通密度设计值通常在6000-8000GS，由公式：E＝4.44*k*f*N*φ(其中E为发电机电压、k为绕组系数、f为频率、N为定子绕着匝数、φ为磁通量)可知，要维持磁通量总体不变，电压E应该随着主机频率f的减小而减小，如果f减小时，E不变，则所需的磁通量必须增大，发电机会出现过饱和导致发热损坏发电机，当常规发电机转速在975rpm逐渐下降时，电压也从400V成线性下降，此时必须采用成本较高的四象限变频器输出恒频50Hz、恒压400V的电源才能保证船舶正常用电。为了能够解决发电机在低转速电压过低的问题，打破传统设计，将发电机在低转速时气隙磁密在正常值8000-9000GS，高转速时为3000GS，这样避免了发电机过饱和，高转速低磁密时，发电机电压受励磁电流影响较大，而使用普通二象限变频器可以稳定电压，此技术方案使得新的变速发电机系统可以满足船舶用电需求，该发电机具体设计步骤如下：
本发明的宽范围变速轴带发电系统的轴带发电机设计方法，包括以下步骤：
1)选择发电机极数：按照低转速为基准，530rpm与10极电机在电源频率为50Hz时的同步转速600rpm接近，故将轴带发电机设计成10极电机；(因为发电机在高速时输出同样电压所需的励磁电流要比在低速时小，低速的问题解决了，只要验证高速时的数据就行)。
2)电磁方案计算：为使设计的轴带发电机在530-1500rpm转速范围内保持电压为400V，根据公式：选择发电机在530rpm时定子线圈线规(线的长、宽、高)使得定子的电流密度在3.5-5.5A/mm2，再根据公式：E＝4.44*k*f*N*φ，φ＝B*S选择定子绕组的匝数使气隙磁通密度值在8000-9000GS之间，式中E为发电机电压、k为绕组系数、f为频率、N为定子绕组匝数、φ为磁通量，B为气隙磁通密度值，S为气隙面积；
保持电压以及定子绕组匝数不变验证975rpm时，气隙磁密为4900GS，1500rpm时磁密为3200GS，符合设计思路，转速越高磁密越低；
3)励磁方式确定：计算轴带发电机在530rpm、210kW时的主机转子电流为63A，换算成励磁机定子电流为4.7A，计算975rpm、400kW时的主机转子电流为77A，换算成励磁机定子电流为7A，根据计算出两种状态下励磁电流的最大值为选择发电机的自动电压调节器AVR的依据，可以选用型号为ABB1010，最大输出电流为10A；
4)冷却方式选择：根据轴带发电机在530rpm、210kW和975rpm、400kW时的损耗，分别计算风扇所需的风压和风量，在任何状态下，风压不应低于400pa，在发电机最大安装空间内，风压若不能满足此要求，则采用强迫风冷；
5)定子绕组绝缘处理：考虑到系统中变频器谐波引起的附加发热效应，定子绕组的绝缘厚度增加20％，发电机额定电压值及耐压试验值分别增加50％，以增加发电机的寿命。变频器与发电机连接电缆以及变频器与负载连接电缆的截面积为常规发电机的1.3倍。常规发电机主电缆采用50mm2的，变速发电机则需采用75mm2的电缆。
按以上步骤设计并制造完成后，便与二象限变频器等构成新的轴带发电系统。对于传统的变速轴带发电系统，先前在试验台试验，发电机的输出电压在975rpm-1500rpm可以维持在400V，在530-975rpm在200-400V线性变化，此时必须通过四象限变频器增压以弥补电压的不足，测得变频器输出电压为400V、50Hz。然而本发明的系统在试验时，分别将原动机转速由530-1500rpm来回调节多次，测得发电机输出电压在400V左右波动，但是测得二象限变频器输出的电压为稳定的400V、50Hz。结果表明，全新的宽范围变速轴带发电系统能很好完成设计要求，并且经过成本核算，400kW、530-1500rpm、400V的传统方案由于使用四象限变频器要多出二十几万元，并且全新方案二象限变频器的软件程序及硬件相对也要简单的多，降低系统的故障率，缩短开发周期。
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)

1.一种宽范围变速轴带发电系统，其特征在于，包括船舶主机、齿轮箱、轴带发电机、二象限变频器、隔离变压器，所述船舶主机通过齿轮箱与轴带发电机连接，并带动轴带发电机旋转发电，所述二象限变频器输入端与轴带发电机连接，所述二象限变频器输出端与隔离变压器输入端相连，所述隔离变压器输出端为船舶供电。
2.如权利要求1所述的宽范围变速轴带发电系统的轴带发电机设计方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
1)选择发电机极数：按照低转速为基准，530rpm与10极电机在电源频率为50Hz时的同步转速600rpm接近，故将轴带发电机设计成10极电机；
2)电磁方案计算：为使设计的轴带发电机在530-1500rpm转速范围内保持电压为400V，根据公式：选择发电机在530rpm时定子线圈的线规使得定子的电流密度在3.5-5.5A/mm2，再根据公式：E＝4.44*k*f*N*φ、φ＝B*S，选择定子绕组的匝数使气隙磁通密度值在8000-9000GS之间，式中E为发电机电压、k为绕组系数、f为频率、N为定子绕组匝数、φ为磁通量，B为气隙磁通密度值，S为气隙面积；
3)励磁方式确定：计算轴带发电机在530rpm、210kW时的主机转子电流为63A，换算成励磁机定子电流为4.7A，计算975rpm、400kW时的主机转子电流为77A，换算成励磁机定子电流为7A，根据计算出的两种状态下励磁电流的最大值为选择自动电压调节器的依据；
4)冷却方式选择：根据轴带发电机在530rpm、210kW和975rpm、400kW时的损耗，分别计算风扇所需的风压和风量，在任何状态下，风压不应低于400pa；
5)定子绕组绝缘处理：考虑到系统中变频器谐波引起的附加发热效应，定子绕组的绝缘厚度增加20％，发电机额定电压值及耐压试验值分别增加50％，以增加发电机的寿命。
3.如权利要求2所述的轴带发电机设计方法，其特征在于，步骤3)中自动电压调节器选用型号为ABB1010，最大输出电流为10A。
4.如权利要求2所述的轴带发电机设计方法，其特征在于，步骤4)中，在发电机最大安装空间内，风压若不能满足大于400pa的要求，则采用强迫风冷。
5.如权利要求2所述的轴带发电机设计方法，其特征在于，步骤5)中，变频器与发电机连接电缆以及变频器与负载连接电缆的截面积为常规发电机的1.3倍。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200259404A1 (en) * 2019-02-08 2020-08-13 New York University High frequency ac power generator

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN205178866U (zh) * 2015-11-23 2016-04-20 中船重工(重庆)海装风电设备有限公司 风力发电机组偏航变频器直流过压保护装置及变频装置
CN205273826U (zh) * 2015-12-01 2016-06-01 北京赛思亿电气科技有限公司 一种并联推进的基于永磁电机的柴电混合动力系统
CN106816990A (zh) * 2015-11-27 2017-06-09 沈阳远大电力电子科技有限公司 一种轴带发电系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN205178866U (zh) * 2015-11-23 2016-04-20 中船重工(重庆)海装风电设备有限公司 风力发电机组偏航变频器直流过压保护装置及变频装置
CN106816990A (zh) * 2015-11-27 2017-06-09 沈阳远大电力电子科技有限公司 一种轴带发电系统
CN205273826U (zh) * 2015-12-01 2016-06-01 北京赛思亿电气科技有限公司 一种并联推进的基于永磁电机的柴电混合动力系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200259404A1 (en) * 2019-02-08 2020-08-13 New York University High frequency ac power generator

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