CN115056956A

CN115056956A - 一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路及方法

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Publication number: CN115056956A
Application number: CN202210663010.8A
Authority: CN
Inventors: 李成阳; 张柯; 张伟; 鲍鹏; 张旭
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-06-13
Also published as: CN115056956B

Abstract

本发明公开了一种应用于船舶电力推进系统的整流变压器充磁电路，包括交流母线I段和交流母线II段，交流母线I段上连接有柴油发电机G1和1#推进支路，交流母线II段上连接有柴油发电机G2和2#推进支路，按照如下方法实现多条推进支路整流变压器的充磁和投入：首先通过并联的小容量充磁变压器对1#推进支路的整流变压器进行充磁，充磁完成后1#推进支路整流变压器投入并分断充磁变压器，闭合1#推进支路整流变压器与其他支路整流变压器的之间的充磁开关，其他支路整流变压器投入运行并断开充磁开关；对于多推进支路的船舶电力推进系统，本发明充磁电路只需要配置一台充磁变压器，大幅降低船舶电力推进系统的占地面积与成本。

Description

一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路及方法

技术领域

本发明属于船舶电力推进系统领域，具体涉及一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路及充磁方法。

背景技术

为减小推进变频器整流桥输出直流中的谐波分量，船舶交流电力推进系统每条推进支路采用两台原边相位分别为+7.5°和-7.5°的三相移相整流变压器与变频器整流桥构成24脉波整流装置。

在变压器空载稳定运行时，变压器的励磁电流较小，通常只有额定电流的1%～3%左右。但是变压器在投入运行时，由于变压器内部磁通不能突变，开关合闸瞬间铁芯内产生的直流偏磁分量，叠加励磁磁通、剩磁后引起变压器铁芯磁通饱和，线路中出现瞬时最大值可达到额定电流的约10倍的励磁涌流。励磁涌流对船舶电网产生冲击，造成船舶配电网的电压跌落和继电保护系统误动，因此需要通过一定的手段抑制变压器的励磁涌流。

根据相关资料，目前抑制变压器励磁涌流的主要方法包括：（1）根据励磁涌流与开关合闸角θ之间的关系，控制器精确控制三相断路器在合适的时刻分相合闸；（2）通过控制电源电压从0逐步升压，实现变压器的软启动；（3）回路中串联电阻或电感；（4）变压器采用磁饱和点可变铁芯、增加磁通补偿线圈等方法防止合闸瞬间变压器磁路饱和。（5）在开关合闸前对变压器进行充磁。

其中，方法（1）要求精确控制三相断路器分相合闸时间。由于目前技术条件下准确识别变压器铁芯内部磁通幅值和极性的难度较大且三相断路器分相合闸的控制精度难以提高等原因，不适合在船舶内部应用；方法（2）需在主回路中增加低压电源、调压器、整流-逆变器等较为复杂的高成本设备；方法（3）除涌流抑制效果不如方法（5）外，电阻在多次运行过程中存在发热和烧蚀问题。方法（4）需要对整流变压器的绕组和磁路结构进行特殊化设计。

因此现有技术下，船舶电力推进系统广泛应用方法（5）。但是应用方法（5）的船舶电力推进系统整流变压器充磁电路具有以下不足：

（1）为防止充磁变压器空载合闸时励磁涌流过大，通常充磁变压器的容量选择被充磁变压器额定容量的0.5%～1%。为了确保支路整流变压器的充磁效果，每条推进支路需配一台充磁变压器。因此船舶电力推进系统中充磁柜的配置数量随着推进支路数量增加而增加。

（2）充磁变压器体积大，成本高。例如一台容量30kVA，额定电压6.6kV/6.6kV的船用干式充磁变压器的柜体尺寸约为2000mm×1800mm×800mm，极大的占用了宝贵的船舶的机舱空间。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有船舶电力推进系统整流变压器充磁电路中存在的预充磁变压器数量多，占用空间大的技术问题，提出一种新型整流变压器充磁电路及充磁方法，只需一台充磁变压器即可为所有推进支路整流变压器充磁，降低船舶电力推进系统设备成本，节约宝贵的舱内空间。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路，包括通过联络开关QF0连接的交流母线I段和交流母线II段，所述的交流母线I段上分别连接有柴油发电机G1和1#推进支路，所述的交流母线II段上分别连接有柴油发电机G2和2#推进支路；柴油发电机G1和柴油发电机G2分别通过发电机开关QFG1和发电机开关QFG2连接交流母线I段和交流母线II段；

所述的1#推进支路包括充磁变压器T0、整流变压器T1和整流变压器T2连接，充磁变压器T0的原边通过充磁开关QFP0与交流母线I段相连，充磁变压器T0的副边分别与整流变压器T1和整流变压器T2连接，整流变压器T1和整流变压器T2的原边分别经过主推进开关QV1和主推进开关QV2连接交流母线I段，整流变压器T1和整流变压器T2的副边与变频器BP1的整流侧相连，变频器BP1的逆变侧与推进电机M1相连；

所述的2#推进支路包括整流变压器T3和整流变压器T4，整流变压器T3和整流变压器T4的原边分别通过主推进开关QV3和主推进开关QV4连接交流母线II段，整流变压器T3和整流变压器T4的副边分别通过充磁开关QFP1和充磁开关QFP2连接整流变压器T1和整流变压器T2副边，同时整流变压器T3和整流变压器T4的副边还与变频器BP1的整流侧相连，变频器BP2的逆变侧与推进电机M2相连。

其中，所述的充磁变压器T0变比为1：1。

本发明的目的之二是提出一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路的充磁方法，根据上述整流变压器充磁电路执行以下步骤完成整流变压器充磁：

步骤1.1，先闭合充磁开关QFP0，充磁变压器T0投入运行，给1#推进支路的整流变压器T1和整流变压器T2充磁；

步骤1.2，在整流变压器T1和整流变压器T2的充磁完成后，闭合主推进开关QV1和主推进开关QV2，整流变压器T1和整流变压器T2投入运行，整流变压器T1和整流变压器T2稳定运行后断开充磁开关QFP0；

步骤1.3，闭合充磁开关QFP1和充磁开关QFP2，整流变压器T1和整流变压器T2分别通过充磁开关QFP1和充磁开关QFP2对2#推进支路的整流变压器T3和整流变压器T4进行充磁；

步骤1.4，整流变压器T3和整流变压器T4充磁完成后，闭合主推进开关QV3和主推进开关QV4，整流变压器T3和整流变压器T4投入运行，整流变压器T3和整流变压器T4稳定运行后，断开充磁开关QFP1和充磁开关QFP2。

进一步，当交流母线I段或交流母线II段的交流母线发生故障时，在继电保护装置选择性切除故障点后，闭合充磁开关QFP1和充磁开关QFP2，无故障的推进支路向故障推进支路的变频器供电，维持故障推进支路运行

本发明的有益效果是：

1，与现有技术方案相比，本发明的充磁电路只需配置一台充磁变压器，降低成本和节约设备占地面积。

2，整流变压器T1和整流变压器T2的容量大于充磁变压器T0，因此通过整流变压器T1和T2给其他整流变压器充磁后被充磁的整流变压器可以获得更高的空载电压水平，降低其投入运行时流经主推进开关的涌流。

3，若因短路等故障而发生选择性切除时，电路中正常支路可通过充磁开关向故障支路供电，提高了推进系统可靠性。

4，本发明的充磁电路主要需增加开关和接线，无复杂贵重设备，具有成本低廉，易于实施的优点。

附图说明

图1是现有技术中具有多条推进支路的船舶电力推进系统；

图2是一种典型的基于24脉波整流的整流变压器充磁电路；

图3为本发明新型船舶电力推进系统整流变压器充磁电路；

图4为一种新型的四推进支路的船舶电力推进系统。

各附图标记为：101—主开关1QV，102—主开关2QV，103—开关1QF，104—小容量充磁变压器，105—整流变压器T1，106—整流变压器T2，301—柴油发电机G1，302—柴油发电机G2，303—交流母线I段，304—交流母线II段，305—1#推进支路，306—2#推进支路，307—联络开关QF0，308—主推进开关QV1，309—主推进开关QV2，310—充磁变压器T0，311—整流变压器T1，312—整流变压器T2，313—变频器BP1，314—推进电机M1，315—主推进开关QV3，316—主推进开关QV4，317—整流变压器T3，318—整流变压器T4，319—变频器BP2，320—推进电机M2，321—充磁开关QFP0，322—充磁开关QFP1，323—充磁开关QFP2，401—1#推进支路整流变压器T1，402—1#推进支路整流变压器T2，403—2#推进支路整流变压器T3，404—2#推进支路整流变压器T4，405—3#推进支路整流变压器T5，406—3#推进支路整流变压器T6，407—4#推进支路整流变压器T7，408—4#推进支路整流变压器T8，409—充磁开关QFP3，410—充磁开关QFP4，411—充磁开关QFP5，412—充磁开关QFP6，413—充磁开关QFP7，414—充磁开关QFP8。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例提供的充磁电路，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中所述电路进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

如附图2所示一种典型的基于24脉波整流的整流变压器充磁电路，配置的充磁变压器充磁的具体实施方法是：所示在整流变压器T1 105和整流变压器T2 106原边并联一台小容量充磁变压器104。在主开关合闸前闭合开关1QF 103对整流变压器进行充磁。待整流变压器的励磁电流幅值稳定，再闭合主开关1QV 101和主开关2QV 102，此时整流变压器铁芯内部已经建立稳定交变磁通，因此合闸励磁涌流被抑制。整流变压器空载励磁电流稳定后，断开开关1QF 103，整流变压器T1 105和整流变压器T2 106投入运行。

如附图3所示，本发明实施例提供了一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路，所述船舶电力推进系统具有1#推进支路305和2#推进支路306两条推进支路，包括通过母线联络开关QF0 307连接的交流母线I段303和交流母线II段304，所述的交流母线I段303上分别连接有柴油发电机G1 301和1#推进支路305，所述的交流母线II段304上分别连接有柴油发电机G2 302和2#推进支路306；柴油发电机G1 301和柴油发电机G2 302分别通过发电机开关QFG1和发电机开关QFG2连接交流母线I段 303和交流母线II段 304。

所述的1#推进支路305包含主推进开关QV1 308和主推进开关QV2 309，充磁变压器T0 310，整流变压器T1 311和整流变压器T2 312，变频器BP1 313和推进电机M1 314。充磁变压器T0 310变比为1：1，充磁变压器T0 310的原边经过充磁开关QFP0 321与交流母线I段 303相连，充磁变压器T0 310的副边分别与整流变压器T1 311和整流变压器T2 312的原边连接。整流变压器T1 311和整流变压器T2 312的原边分别经过主推进开关QV1 308和主推进开关QV2 309连接交流母线I段303，整流变压器T1 311和整流变压器T2 312的副边与变频器BP1 313的整流侧相连，变频器BP1 313的逆变侧与推进电机M1 314相连。

所述的2#推进支路包含主推进开关QV3 315和主推进开关QV4 316，整流变压器T3317和整流变压器T4 318，变频器BP2 319和推进电机M2 320。整流变压器T3 317和整流变压器T4 318的原边分别通过主推进开关QV3 315和主推进开关QV4 316连接交流母线II段304，副边与变频器BP1 313的整流侧相连，变频器BP2 319的逆变侧与推进电机M2 320相连。整流变压器T3 317和整流变压器T4 318的副边分别通过充磁开关QFP1 322和充磁开关QFP2 323连接整流变压器T1 311和整流变压器T2 312副边。

实施例2

根据附图3所示电路中整流变压器的充磁方法是：

（1）首先闭合充磁开关QFP0 321，充磁变压器T0 310投入运行。充磁变压器T0 310给1#推进支路305的整流变压器T1 311和整流变压器T2 312充磁。

（2）在整流变压器T1 311和整流变压器T2 312的充磁完成后，闭合主推进开关QV1308和主推进开关QV2 309，整流变压器T1 311和整流变压器T2 312投入运行。整流变压器T1 311和整流变压器T2 312稳定运行后断开充磁开关QFP0 321。

（3）闭合充磁开关QFP1 322和充磁开关QFP2 323，整流变压器T1 311和整流变压器T2 312通过充磁开关QFP1 322和充磁开关QFP2 323对2#推进支路306的整流变压器T3317和整流变压器T4 318进行充磁。

（4）整流变压器T3 317和整流变压器T4 318充磁完成后，闭合主推进开关QV3 315和主推进开关QV4 316，整流变压器T3 317和整流变压器T4 318投入运行。整流变压器T3317和整流变压器T4 318稳定运行后，断开充磁开关QFP1 322和充磁开关QFP2 323。

实施例3

附图3所示电路整流变压器原边发生故障，特别的，例如交流母线II段304发生短路故障，为切除短路点继电保护装置分断发电机开关QFG2、母线联络开关QF0 321、主推进开关QV3 315和主推进开关QV4 316，2#推进支路306失电。此时通过闭合充磁开关QFP1 322和充磁开关QFP2 323，整流变压器T1 311和整流变压器T2 312向2#推进支路 306的变频器供电，维持2#推进支路306运行。

实施例4

本发明所述技术方案可应用于推进支路数大于2的船舶电力推进系统。一般的，目前船舶电力推进系统设计实践中某一推进支路整流推进变压器的容量足以为其他支路的整流变压器同时进行充磁。

特别的，例如图4所示的一种四推进支路船舶电力推进系统整流变压器充磁电路，3#推进支路整流变压器T5 405和3#推进支路整流变压器T6 406的副边通过充磁开关QFP5411和充磁开关QFP6 412连接2#推进支路整流变压器T3 403和2#推进支路整流变压器T4404的副边。4#推进支路整流变压器T7 407和4#推进支路整流变压器T8 408的副边通过充磁开关QFP7 413和充磁开关QFP8 414连接3#推进支路整流变压器T5 405和3#推进支路整流变压器T6 406副边。

图4所示电路，其整流变压器充磁方法与实施例2的区别是：

（1）1#推进支路整流变压器T1 401和1#推进支路整流变压器T2 402对其他支路整流变压器进行充磁，需1#推进支路305整流变压器稳定运行后，首先闭合充磁开关QFP5411、充磁开关QFP6 412、充磁开关QFP7 413和充磁开关QFP8 414，然后闭合充磁开关QFP3409和充磁开关QFP4 410。

（2）2#、3#、4#推进支路整流变压器投入运行后，同时断开充磁开关QFP3 409至充磁开关QFP8 414。

实施例5

本实施例以某型船舶电力推进系统为例说明本发明所述技术方案在实际船舶电力推进系统中的实际效果。所述船舶电力推进系统具有两条推进支路，每条支路包含两台容量为4500kVA，变比6.6kV/1350V，连接组别为D(+7.5°)y11d0和D（-7.5°）y11d0，充磁变压器容量为30kVA。采用现有技术需配置2台充磁变压器柜，充磁变压器给整流变压器充磁后，推进支路合闸时流经主推进开关的峰值励磁涌流为58A。

采用本发明所述方案，仅需配置1台充磁变压器柜，1#推进支路整流变压器给2#整流变压器充磁时，2#推进支路合闸时流经主推进开关的峰值励磁涌流为31A。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路，其特征在于：包括通过联络开关QF0（307）连接的交流母线I段（303）和交流母线II段（304），所述的交流母线I段（303）上分别连接有柴油发电机G1（301）和1#推进支路（305），所述的交流母线II段（304）上分别连接有柴油发电机G2（302）和2#推进支路（306）；

所述的1#推进支路（305）包括充磁变压器T0（310）、整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）连接，充磁变压器T0（310）的原边通过充磁开关QFP0（321）与交流母线I段（303）相连，充磁变压器T0（310）的副边分别与整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）连接，整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）的原边分别经过主推进开关QV1（308）和主推进开关QV2（309）连接交流母线I段（303），整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）的副边与变频器BP1（313）的整流侧相连，变频器BP1（313）的逆变侧与推进电机M1（314）相连；

所述的2#推进支路（306）包括整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318），整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318）的原边分别通过主推进开关QV3（315）和主推进开关QV4（316）连接交流母线II段（304），整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318）的副边分别通过充磁开关QFP1（322）和充磁开关QFP2（323）连接整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）副边，同时整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318）的副边还与变频器BP1（313）的整流侧相连，变频器BP2（319）的逆变侧与推进电机M2（320）相连。

2.根据权利要求1所述的一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路，其特征在于，所述的充磁变压器T0（310）变比为1：1。

3.一种如权利要求1所述充磁电路的充磁方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1.1，闭合充磁开关QFP0（321），充磁变压器T0（310）投入运行，给整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）充磁；

步骤1.2，在整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）的充磁完成后，闭合主推进开关QV1（308）和主推进开关QV2（309），整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）投入运行，稳定运行后断开充磁开关QFP0（321）；

步骤1.3，闭合充磁开关QFP1（322）和充磁开关QFP2（323），整流变压器T1（311）和整流变压器T2（312）对整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318）进行充磁；

步骤1.4，整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318）充磁完成后，闭合主推进开关QV3（315）和主推进开关QV4（316），整流变压器T3（317）和整流变压器T4（318）投入运行，稳定运行后，断开充磁开关QFP1（322）和充磁开关QFP2（323）。

4.根据权利要求3所述的一种船舶电力推进系统整流变压器充磁电路的充磁方法，其特征在于，交流母线I段（303）或交流母线II段（304）的交流母线发生故障时，在继电保护装置选择性切除故障点后，闭合充磁开关QFP1（322）和充磁开关QFP2（323），无故障的推进支路向故障推进支路的变频器供电，维持故障推进支路运行。