CN1121744C - 包括具有发动机和逆变器/整流器的异步电机的单独的电力系统 - Google Patents

包括具有发动机和逆变器/整流器的异步电机的单独的电力系统 Download PDF

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Abstract

一种单独使用的电力系统，该电力系统包括一个例如燃气轮机或柴油机的主发动机(14)，一个由主发动机(14)驱动用于产生第一交流电压(19)的发电机(13)，用于将由发电机(13)产生的第一交流电压(19)变换为DC母线上的直流电压的第一整流器装置(12)，和至少一个用于将DC母线(18)上的直流电压变换为第二交流电压(20)的逆变(变流)器装置(10，15)。由主发动机(14)驱动的用于产生第一交流电压(19)的发电机(13)是一个直接连接到主发动机(14)的轴上的异步电机，并且第一整流器装置(12)还包括一个逆变器部分，它用来将DC母线(18)上的直流电压变换为加到所述异步电机(13)的具有可调频率的交流电压，以便将电机用作电动机。

Description

包括具有发动机和逆变器/整流器 的异步电机的单独的电力系统
本发明涉及一种单独使用的电力系统，该系统包括一个例如燃气轮机或柴油机的主发动机，由主发动机驱动并产生第一交流电压的发电机，将由发电机产生的第一交流电压变换为DC母线上的直流电压的第一整流器装置，和至少一个将DC母线上的直流电压变换为第二交流电压的逆变(变流)器(invertor)装置。
根据以上所述，本发明涉及一种单独使用的电力系统，它意指例如船舶上或如位于一个荒凉的、与其它电力网隔离的场所的电力系统。上述用于船舶上的电力系统，从例如欧洲专利97185可得知。该文献公开了一种同步发电机用作由主发动机的轴驱动的轴传动发电机，该同步发电机向两个电力网供电。在一个电力网中，其电压和频率由轴传动发电机的电压和频率确定，即它们直接取决于船舶主发动机的旋转速度。对于另一个电力网，由一个AC变流器装置提供电能，该AC变流器包括一个整流器电路和一个逆变器电路，通过它产生具有恒定幅值和频率的交流电压。这两个独立的电力网被这样使用，以便于船舶的主要执行机构，如电动机、泵、压缩机、通风和冷却系统等可直接从由同步发电机供电的电网获得电能，而无线电设备、导航系统和照明所需电能通过AC变流器装置得到。
上述的公知系统存在着缺陷。例如，必须配置一个单独的电源电路和一个单独的电动机以便能够启动主发动机。还可能产生另一个主要的问题，由逆变器系统产生的电能不一定高品质，即它含有谐波，这对于许多应用有害。还有，在主发动机故障时，如果没有甚至在例如主发动机故障时也能驱动船舶螺旋桨的辅助发动机或某些装置，该系统也是易损坏的。
美国专利4,883,973和4,330,743分别阐述了一种用于车辆和飞机的电力系统，在这两个系统中，同一电机当车辆或飞机的主发动机，即电动机起动时用作电动机，而在电动机起动后当作产生供给电力系统电能的发电机。在美国专利4,883,973中，电机是通过双型(bimodal)齿轮系与异步电机连接的。齿轮系在起动模式期间以减速驱动工作，而在发电模式期间以直接驱动工作。当车辆电动机被起动时，异步电机的转速必须由一个测速仪记录下来以便实现在由基于计算机的控制器控制的逆变器装置中的反馈控制馈送给异步电机，使得该装置能在输出电压中保持期望的电压/频率比率。在美国专利4,330,743中描述的用在飞机电力系统中的电机是一个通过一个具有液力变矩器的驱动装置连接到飞机发动机的同步电机。当飞机发动机被起动，同步电机用作电动机，由此向同步电机供电的逆变器装置需要关于转子位置的数据。当飞机发动机被起动时，同步电机作为电动机运行，并且其速率首先上升到运行转速。在这之后，液力变扭器被用来逐渐加速飞机发动机到一个期望的速率以便起动发动机。
虽然美国专利4,883,973和4,330,743中描述了同一个电机当主发动机被起动时用作电动机并且当主发动机运行时用作发电机，在两个公开文献的装置中尤其是用作电动机时需要昂贵而笨重的电气控制装置，该控制装置包括一个测速仪或转子位置传感器，和扭矩变换器及齿轮机构。被使用的扭矩变换器和齿轮机构是这样的，它们不能适当地用于高功率的传送，例如兆瓦。而且，从两个公开文献中得知的电力系统的运行是基于从例如电池获得的直流电压源的。这种装置一定程度上限制了这些系统的应用。
本发明的目的在于提供一种电力系统，它被设计单独使用，并且其中克服了上述已知系统的缺陷和问题。这通过根据本发明单独使用的电力系统来实现，该电力系统包括一个是燃气轮机或柴油机中至少一个的主发动机，一个由主发动机驱动用于产生第一交流电压的发电机，用于将由发电机产生的第一交流电压变换为DC母线上的直流电压的第一整流器装置，和至少一个用于将DC母线上的直流电压变换为第二交流电压的逆变(变流)器装置，其特征在于由主发动机驱动的用于产生第一交流电压的发电机是一个直接连接到主发动机的轴上的异步电机，并且第一整流器装置还包括一个逆变器部分，它用来将DC母线上的直流电压变换为加到所述异步电机的具有可调频率的交流电压，以便将电机用作电动机。
根据系统其余部分的结构，还有几种将所述异步电机用作电动机的局部变更的原因。例如，当电机用作电动机时，在主发动机故障的情况下，不管该主发动机是燃气轮机或柴油机，燃气轮机可用作主发动机被起动，或船舶的螺桨轴可作为“备用(take-me-home)电动机而被驱动。
当异步电机被用作与主发动机的轴连接的轴传动发电机时，产生了这样一种情况：同一电机既可用作起动作为主发动机的燃气轮机的电动机，又可用作产生来自主发动机的轴的电力的发电机。这可以简化系统，并且减少了所需的部件的数量。而且，异步电机，例如鼠笼或感应电动机，比同步电动机便宜很多，并且需要明显更少的维护。
本发明的电力系统可被设计为还包括用于产生在AC母线上的第三交流电压的柴油机/同步发电机组，和一个第二整流器装置。它用于将第三交流电压转换为在所述DC母线上的直流电压，以便于当电机用作电动机时它还能在第一整流器装置中的变流器部分变换为加到所述异步电机的交流电压。在本发明的系统中，所需的辅助电力，例如起动主发动机的电力，可以通过柴油机/同步发电机组产生。而且，当需要时，例如在主发动机故障的情况下，系统可以产生电力供给船舶的其它电力网和通过上述配置与主发动机的轴连接的电动机，以便于按照这种方式船舶的螺旋桨能够被驱动，即使是在很低的转速。然而，这是“备用”配置的结果。
本发明的电力系统可以被设计为还包括一个被安排机械地随着同步发电机的轴运转的电动机，电动机被安排用来接收由逆变器装置产生的第二交流电压并驱动同步发电机，从而使其产生所述在AC母线上的第三交流电压；和安装在所述柴油机/同步发电机组的部件之间的一个开关，从而在同步发电机的负载从柴油机传送到所述电动机后，使同步发电机与柴油机分离。
一个同样的配置，其中最初由柴油机驱动的同步发电机被安排为由电动机驱动，使得当主发动机，例外地，不能使用时，柴油机仅作为辅助发动机使用。这种配置的另一个结果是在AC母线上提供的电压由一个单独的同步发电机供电因而不是由逆变器装置产生的电力，这意味着，例如，它没有任何谐波。
下述的本发明的电力系统和其具有的优点将参照附图详细描述，该图通过一个实例示出根据本发明的电力系统的一个实施例的总配电系统图。
下面在附图中描述的根据本发明的电力系统将在这样的一个状态下描述，其中所涉及的电力系统还没有运行，即它的主发动机14还没有被起动。在这种起动状态，至少柴油机1和8中的一个首先被起动。柴油机分别驱动同步发电机2和7，通过它产生加到一个主配电盘或AC母线17上的交流电压。在所涉及的船舶上，由柴油机/同步发电机组产生的电力也可以由一供电电源所替代，它在图中由标号4表示。柴油机/同步发电机组8，7和1，2分别通过开关5和3与AC母线17相连接。
当主发动机14将起动时，将AC母线17上的电压连通到整流器装置11的开关6闭合，整流器装置将AC母线17的交流电压变换为DC母线18上的直流电压。图中示出一些连接到DC母线18上的逆变器装置10和15，逆变器装置被用来产生用于其它目的的期望频率的交流电压。这将在下面详细讨论，在DC母线18上还经由开关24连接着一个产生可调频的交流电压19的逆变器装置12，该交流电压被提供给异步电机13，在这里它用作电动机。电动机13的轴被机械地连接为与主发动机14的轴一起旋转。这个连接是直接连接，即它不含有任何齿轮或开关。主发动机14可以是例如燃气轮机或大型柴油机。
由于用作主发动机14的燃气轮机的轴被电动机13驱动，燃气轮机将被起动。由于提高(drive-up)转速，由逆变器装置12产生的交流电压的频率根据一个合适的斜率被控制上升，以使得电动机13能够按一个合适的转差率使用，而与频率无关。当主发动机是柴油机时，它按普通的操作程序，例如利用压缩空气，被起动。当主发动机14在运行时，并且电动机13的旋转频率升高到超过由逆变器装置12产生的交流电压的频率，异步电机13起到发电机的作用并开始通过逆变器装置12向DC母线18输送回电力，逆变(换流)器单元12这时被控制用作整流器。由发电机13产生的交流电压由逆变器装置12通过改变转差率而调节。则发电机13的转速能够大范围地改变而不会影响由逆变(变流)器装置12整流的在DC母线18上的直流电压值。DC母线18则既从AC母线17又从发电机13供电。
下一步起动经由逆变器装置10连接到DC母线18上的电动机9，电动机被机械地连接以随着柴油机/同步发电机组8，7的同步发电机7的轴旋转。发电机7的负荷则从柴油机8转移到电动机9，由此安装在柴油机8和同步发电机7之间的轴上的开关22断开。由电动机9驱动的同步发电机7则产生交流电压21在AC线17上。当柴油机8利用开关22由同步发电机7断开时，该发动机可以被停机。由它所驱动的同步发电机2和柴油机1也被停机并利用开关3从AC母线上断开。柴油机/同步发电机组1，2被连接到系统主要是提供冗余：但没有绝对必要承担根据本发明的系统的最主要的运行负荷。当然，主发动机故障或也许甚至柴油机8故障的情况下，船舶的电力系统能保持运行并且电动机13能够由柴油机/同步发电机组1，2供电，从而按照这种方式也能实现上述的“备用”配置。
现在回到上述的状态，其中开关3断开，开关6，通过它在起动模式期间电能从AC母线17提供到DC母线18，接着也被断开。在连续的正常应用中，系统的总电力-不管系统是船舶式还是例如偏僻的发电厂式-这里都从由主发动机14驱动的发电机13获得，而无需使用其它柴油机组。然而，如果变流器系统12或发电机13运行不良，柴油机1和8则在起动柴油机所需的一段时间后准备提供AC和DC母线所需的电能。与同一电站连接的其它用户可通过例如开关16与AC母线相连，和通过与开关23相连的变流器装置15与DC母线18相连。“大型”发动机可通过变流器装置15在它们的额定电流下起动。
本发明的电力系统所具有的主要优点是为系统供电的发电机和起动燃气轮机主发动机的电动机是同一个异步电机，通常为一个典型的鼠笼式感应电机，它成本低(cost-effective)，结构简单，体积小，使用寿命长。异步电机直接连接到主发动机的轴上，并且无需齿轮或开关装置。其基础是任何所需的调整，当异步电机作为电动机运行时供电电压的调频和当异步电机作为发电机运行时整流器母线的调压，可利用逆变(变流)器装置12用电气方式执行。如上所述，异步电机13还可用作“备用”电机或一些其它至少部分地起到主发动机的功用。当电力系统被正常使用，完全无需驱动辅助柴油机，从而改善了整个系统的效率，所需的维护减少。电力系统的运行可以被自动控制；工作人员无需采取任何措施。而且，在正常工作时AC母线上的电压没有谐波，因为它是由电动机9驱动的同步发电机7供电的。
上面仅通过一个实施例描述了本发明的电力系统，但应当理解为在不脱离所附的权利要求书的范围的情况下可以以多种方式扩展和改变该系统。

Claims (3)

1.一种单独使用的电力系统，该电力系统包括一个是燃气轮机或柴油机中至少一个的主发动机(14)，一个由主发动机(14)驱动用于产生第一交流电压(19)的发电机(13)，用于将由发电机(13)产生的第一交流电压(19)变换为DC母线上的直流电压的第一整流器装置(12)，和至少一个用于将DC母线(18)上的直流电压变换为第二交流电压(20)的逆变(变流)器装置(10，15)，其特征在于由主发动机(14)驱动的用于产生第一交流电压(19)的发电机(13)是一个直接连接到主发动机(14)的轴上的异步电机，并且第一整流器装置(12)还包括一个逆变器部分，它用来将DC母线(18)上的直流电压变换为加到所述异步电机(13)的具有可调频率的交流电压，以便将电机用作电动机。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于还包括一个用于产生在AC母线(17)上的第三交流电压(21)的柴油机/同步发电机组(8，7)，和一个将第三交流电压(21)变换为DC母线(18)上的直流电压的第二整流器装置(11)，以便在电机被用作电动机时，它能在整流器单元(12)中的逆变器部分进一步被变换为加到所述异步电机(13)的交流电压。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其特征在于还包括一个被机械地安装以便随着同步发电机(7)的轴旋转的电动机(9)，该电动机被安排用来接收由逆变器装置(10)产生的第二交流电压(20)并驱动同步发电机(7)，以便使其产生在AC母线(17)上的所述第三交流电压(21)；和一个安装在所述柴油机/同步发电机组(8，7)的部件之间的轴上的开关(22)，以便将同步发电机(7)在其负荷从柴油机(8)转移到所述电动机(13)以后从柴油机(8)上断开。
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