CN109050859B - 一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统及其控制方法，该系统包括螺旋桨、双馈轴带电机、变速恒频装置和控制器，双馈轴带电机通过齿轮箱与螺旋桨连接，齿轮箱还连接船舶主机，双馈轴带电机的定子侧通过状态切换线路与船舶电网连接，双馈轴带电机的转子侧通过变速恒频装置与船舶电网连接，状态切换线路上设有定子开关，定子开关和变速恒频装置都与控制器连接，还包括撬棒装置，撬棒装置包括撬棒开关和撬棒电阻，撬棒电阻通过撬棒开关与双馈轴带电机的转子侧连接，撬棒开关与控制器连接。与现有技术相比，本发明通过投切撬棒装置，解决了轴带电机在主柴油机故障情况下独立起动与单机推进的技术问题，提高了船舶运行的灵活性与可靠性。

Description

一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及船舶电气系统技术领域，尤其是涉及一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统及其控制方法。

背景技术

混合轴带系统能节省燃料、减小排放，已成为目前各国积极发展的船舶推进新技术。与全功率式船舶轴带系统相比，双馈式船舶轴带系统具有成本较低、体积小的优点，但由于其转速运行范围有限，在主柴油机故障时难以带载单机起动实现独立推进运行。

目前有公开专利“双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统及方法”(公开号CN106864715A)，该技术在双馈电机定子侧增设一组短路开关，通过开关投切控制轴带电机分别在感应电机和双馈电机模式实现单机起动与独立推进运行。在感应电机单机起动模式下，受变速恒频装置容量限制轴带电机输出转矩较小，难以直接拖动螺旋桨带载起动，因此该技术必需采用柔性接排装置待轴带电机切换到高速条件下双馈电机模式后将螺旋桨与轴带电机连接起来，实现独立推进运行。但是采用柔性接排装置会增加系统复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统及其控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统，包括螺旋桨、双馈轴带电机、变速恒频装置和控制器，所述双馈轴带电机通过齿轮箱与所述螺旋桨连接，所述齿轮箱还连接船舶主机，所述双馈轴带电机的定子侧通过状态切换线路与船舶电网连接，所述双馈轴带电机的转子侧通过所述变速恒频装置与所述船舶电网连接，所述状态切换线路上设有定子开关，所述定子开关和变速恒频装置都与所述控制器连接，还包括撬棒装置，所述撬棒装置包括撬棒开关和撬棒电阻，所述撬棒电阻通过撬棒开关与所述双馈轴带电机的转子侧连接，所述撬棒开关与所述控制器连接。

优选的，所述齿轮箱与双馈轴带电机之间设有第一离合器。

优选的，所述齿轮箱与船舶主机之间设有第二离合器。

优选的，所述变速恒频装置包括网侧变流器和机侧变流器，所述网侧变流器与所述船舶电网连接，所述机侧变流器与所述双馈轴带电机的转子侧连接，所述网侧变流器和机侧变流器通过两根直流母线连接，所述直流母线直接跨接一个直流母线电容。

优选的，所述控制器通过一个弱电控制回路连接至定子开关，所述弱电控制回路包括继电器。

一种上述双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、通过所述控制器闭锁变速恒频装置的机侧变流器，闭合所述撬棒开关使双馈轴带电机的转子绕组经撬棒电阻短路，闭合所述定子开关，在感应电机模式下起动双馈轴带电机；

S2、在低速条件下控制所述第一离合器接排，将双馈轴带电机与螺旋桨连接；

S3、当双馈轴带电机的转速达到正常运行范围后，通过控制器断开定子开关与撬棒开关，将双馈轴带电机切换到双馈电机模式；

S4、在并网条件下将双馈轴带电机并入船舶电网；

S5、通过机侧变流器控制双馈轴带电机调速，实现双馈轴带电机的单机推进运行。

优选的，所述步骤S4具体包括：

通过变速恒频装置中机侧变流器控制轴带电机起励，当双馈轴带电机的定子电压与船舶电网的电压满足幅值、频率、相位相等的并网条件后，通过闭合定子开关将轴带双馈电机并入船舶电网。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、与传统的双馈式轴带系统相比，本发明通过投切撬棒装置，使轴带电机在感应电机和双馈电机两种不同模式下分别实现单机起动和独立推进运行，解决了轴带电机在主柴油机故障情况下独立起动与单机推进的技术问题，提高了船舶运行的灵活性与可靠性。

2、与现有的在双馈轴带电机定子与船舶电网之间设置2个接触器的状态切换单元相比，本发明使双馈轴带电机具有更大的起动转矩，无需使用柔性接排装置，提高了系统的技术经济性能。

3、与全功率式轴带系统相比，双馈式轴带系统中变速恒频装置容量小、体积小、成本低，具有更好的技术经济性能。

附图说明

图1为本发明双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的结构示意图；

图2为本发明双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法的流程图；

图3为实施例中500kW双馈式船舶混合轴带系统转矩匹配特性曲线；

图4为实施例中500kW双馈式船舶混合轴带电机单机起动与独立推进过程的转速仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

为克服现有技术中双馈式船舶混合轴带电机难以带载单机起动实现独立推进运行的困难，本申请提出一种新的独立推进的系统及方法，实现双馈轴带电机直接带载单机起动与独立推进运行，在主柴油机故障时控制双馈轴带电机带载单机起动并独立拖动螺旋桨低速推进，以提高船舶航行的灵活性与可靠性。

如图1所示，一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统，包括螺旋桨、双馈轴带电机、变速恒频装置和控制器。双馈轴带电机通过齿轮箱与螺旋桨连接，齿轮箱还连接船舶主机，即图1中的主柴油机。双馈轴带电机的定子侧通过状态切换线路与船舶电网连接，船舶电网属于船载电站的一部分，双馈轴带电机的转子侧通过变速恒频装置与船舶电网连接。状态切换线路上设有定子开关K_s1，用于将双馈轴带电机的定子绕组与船舶电网接通与断开，定子开关K_s1和变速恒频装置都与控制器连接。

本系统在双馈轴带电机转子侧增加一套撬棒装置，该撬棒装置包括撬棒开关K_s2和撬棒电阻，撬棒电阻通过撬棒开关K_s2与双馈轴带电机的转子侧连接。撬棒开关K_s2与控制器连接，通过控制器控制撬棒开关K_s2的闭、合，实现撬棒装置的投入与切除，闭合撬棒开关K_s2时，撬棒装置投入，双馈轴带电机转子绕组经撬棒电阻短路，断开撬棒开关K_s2时撬棒装置切除。齿轮箱与双馈轴带电机之间设有第一离合器，齿轮箱与船舶主机之间设有第二离合器。

变速恒频装置包括网侧变流器和机侧变流器，网侧变流器与船舶电网连接，机侧变流器与双馈轴带电机的转子侧连接，网侧变流器和机侧变流器通过两根直流母线连接，直流母线直接跨接一个直流母线电容。

控制器通过一个弱电控制回路连接至定子开关，弱电控制回路包括继电器，继电器线圈连接控制器，继电器的开关与定子开关的线圈串联。

如图2所示，上述双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法包括以下步骤：

S1、通过控制器控制门极脉冲g_r1～g_r6闭锁变速恒频装置的机侧变流器，闭合撬棒开关使双馈轴带电机的转子绕组经撬棒电阻短路，闭合定子开关，在感应电机模式下起动双馈轴带电机；

S2、在低速条件下控制第一离合器接排，将双馈轴带电机与螺旋桨连接；

S3、不断判断双馈轴带电机的转速是否达到正常运行范围，当达到时，通过控制器断开定子开关与撬棒开关，将双馈轴带电机切换到双馈电机模式；

S4、通过变速恒频装置中机侧变流器控制轴带电机起励，当双馈轴带电机的定子电压与船舶电网的电压满足幅值、频率、相位相等的并网条件后，通过闭合定子开关将轴带双馈电机并入船舶电网；

S5、通过机侧变流器控制双馈轴带电机调速，实现双馈轴带电机的单机推进运行。

本实施例中，以典型的500kW双馈式船舶混合轴带系统为例，利用MATLAB/simulink进行了建模与仿真以验证本发明的可行性与有效性，系统的基本参数如表1所示。根据图3所示的系统转矩匹配特性，轴带电机可拖动螺旋桨在700r/min～750r/min范围内运行(如图3中深色区域所示)。当转速超过750r/min后，由于螺旋桨负载转矩超过电机最大转矩，轴带系统无法正常运行。

表1 500kW双馈式船舶混合轴带系统基本参数

仿真结果：

500kW双馈式船舶混合轴带电机单机起动与独立推进过程的转速仿真曲线如图4所示，其具体过程为：

1)0～1s：在机侧变流器闭锁条件下闭合K_s2投入撬棒装置将转子绕组短路，闭合K_s1将电机定子并入船舶电网，在感应电机模式下起动轴带电机；

2)1～5s：当双馈轴带电机加速到270r/min时，在低速条件下接排离合器1，双馈轴带电机拖动螺旋桨旋转起来；

3)5s～7.8s：5s时，双馈轴带电机转速进入正常运行范围时(转速>700r/min)，断开K_s1、K_s2将双馈轴带电机恢复为双馈电机模式运行；接下来，通过机侧变流器控制双馈轴带电机起励，当电机的定子电压与电网电压满足幅值、频率、相位相等的并网条件后，在5.3s闭合K_s1将双馈轴带电机并入船舶电网，此后，通过机侧变流器控制双馈轴带电机调速独立推进船舶航行。

Claims (5)

1.一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法，该系统包括螺旋桨、双馈轴带电机、变速恒频装置和控制器，所述双馈轴带电机通过齿轮箱与所述螺旋桨连接，所述齿轮箱还连接船舶主机，所述双馈轴带电机的定子侧通过状态切换线路与船舶电网连接，所述双馈轴带电机的转子侧通过所述变速恒频装置与所述船舶电网连接，所述状态切换线路上设有定子开关，所述定子开关和变速恒频装置都与所述控制器连接，其特征在于，还包括撬棒装置，所述撬棒装置包括撬棒开关和撬棒电阻，所述撬棒电阻通过撬棒开关与所述双馈轴带电机的转子侧连接，所述撬棒开关与所述控制器连接；所述齿轮箱与双馈轴带电机之间设有第一离合器；

所述控制方法包括以下步骤：

S1、通过所述控制器闭锁变速恒频装置的机侧变流器，闭合所述撬棒开关使双馈轴带电机的转子绕组经撬棒电阻短路，闭合所述定子开关，在感应电机模式下起动双馈轴带电机；

S2、在低速条件下控制所述第一离合器接排，将双馈轴带电机与螺旋桨连接；

S3、当双馈轴带电机的转速达到正常运行范围后，通过控制器断开定子开关与撬棒开关，将双馈轴带电机切换到双馈电机模式；

S4、在并网条件下将双馈轴带电机并入船舶电网；

S5、通过机侧变流器控制双馈轴带电机调速，实现双馈轴带电机的单机推进运行。

2.根据权利要求1所述的一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法，其特征在于，所述齿轮箱与船舶主机之间设有第二离合器。

3.根据权利要求1所述的一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法，其特征在于，所述变速恒频装置包括网侧变流器和机侧变流器，所述网侧变流器与所述船舶电网连接，所述机侧变流器与所述双馈轴带电机的转子侧连接，所述网侧变流器和机侧变流器通过两根直流母线连接，所述直流母线直接跨接一个直流母线电容。

4.根据权利要求1所述的一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法，其特征在于，所述控制器通过一个弱电控制回路连接至定子开关，所述弱电控制回路包括继电器。

5.根据权利要求1所述的一种双馈式船舶混合轴带电机独立推进系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

通过变速恒频装置中机侧变流器控制轴带电机起励，当双馈轴带电机的定子电压与船舶电网的电压满足幅值、频率、相位相等的并网条件后，通过闭合定子开关将轴带双馈电机并入船舶电网。

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