CN117561658A

CN117561658A - 用于向发电机提供动力的二冲程内燃机的保护布置

Info

Publication number: CN117561658A
Application number: CN202280034639.4A
Authority: CN
Inventors: 马滕·斯托尔巴卡; 蒂莫·阿尔霍
Original assignee: Weitaike Solutions Co
Current assignee: Weitaike Solutions Co
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2024-02-13
Also published as: EP4060845A1; JP2024510037A; WO2022195169A1; US20240178655A1; KR20230158575A

Abstract

本发明的保护布置是用于向发电机提供动力的二冲程内燃机，发电机具有带有断路器(5A、5B、5C)的输出线(4A、4B、4C)。保护布置包括用于每条输出线路(4A、4B、4C)的热电阻器组(8A、8B、8C)和断路器(9A、9B、9C)。断路器(9A、9B、9C)与相同输出线(4A、4B、4C)的断路器(5A、5B、5C)以并联方式连接到输出线，并且电阻器组(8A、8B、8C)可经由输出线的断路器连接到每个输出线(4A、4B、4C)。保护布置还包括控制单元(11)，该控制单元具有到断路器和断路器的连接，以便监测断路器并控制断路器。在至少一条输出线(4A、4B、4C)的断路器(5A、5B、5C)跳闸断开的情况下，控制单元被布置成控制输出线的断路器(9A、9B、9C)以将热电阻器组(8A、8B、8C)连接到输出线(4A、4B、4C)。

Description

用于向发电机提供动力的二冲程内燃机的保护布置

技术领域

本发明涉及一种用于向发电机提供动力的二冲程内燃机的保护布置。发电机可以是同步的或异步的。

背景技术

像二冲程内燃机这样的内燃机通过将发电机连接到发动机上来用于电力产生。发电机可以：是所谓的轴发电机(如果发电机在发动机的主轴/螺旋轴周围)；或者是其他类型的发电机，其例如可以连接到发动机的飞轮。此外，发电机可以是永磁发电机或具有单独的电压调节控制系统(对于小型发电机称为“AVR”，并且对于大型单元称为“静态励磁机”)以便磁化发电机的发电机。发动机和轴发电机的组合通常被称为发电机组。

实际上，发动机(通常称为原动机)还与其他装置(诸如发动机控制系统和保护系统)一起使用。

如所述，连接到内燃机的发电机用于电力产生。它们用于发电厂或船舶。在船舶中，内燃机也可以连接到船舶的推进系统，在这种情况下，内燃机产生动力用于船舶的推进和电网。然而，船舶上的带有发电机的发动机也许可能仅用于电力的产生。

四冲程发动机(四冲程内燃机)和二冲程发动机(二冲程内燃机)用于电力产生。这些发动机能够使用不同的燃料。

当是以恒定速度运行的情况时，发电机通过断路器连接到船舶的电网。并且当情况是以变速运行时，发电机通过变频驱动(VFD)(变频器)和断路器连接到船舶的电网。因此，发电机(就像主轴/螺旋桨轴周围的轴发电机)将一部分动力转化为可以用于连接到船舶的电网的负载中的电形式。无论是在船舶上还是在陆地上，这些发电机尤其适用于电网的负载情况并因此内燃机中的动力产生变化的情况。

发电机和发动机的结合通常工作良好可靠，因为它们具有针对故障情况的保护和控制系统。然而，可能会出现保护系统工作效率不高的情况。

发明内容

本发明的目的是改进连接到用以提供电力的发电机的二冲程内燃机的保护。更确切地说，本发明是一种防止二冲程发动机超速的独立超速保护布置。已经发现二冲程发动机在某些情况下可能会超速。当二冲程发动机作为电力产生单元运行时，即，仅具有电力发电机作为负载，并且发电机(以及因此还有发动机)不再向电网供应动力，二冲程发动机可能超速太多。该目的以独立权利要求中描述的方式实现。从属权利要求示出了本发明的不同实施方式。

本发明的保护布置用于向发电机提供动力的二冲程内燃机，该发电机具有输出线4A、4B、4C，这些输出线带有断路器5A、5B、5C。保护布置包括用于每条输出线4A、4B、4C的热电阻器组8A、8B、8C和断路器9A、9B、9C。断路器9A、9B、9C与相同输出线4A、4B、4C的断路器5A、5B、5C以并联方式连接到输出线，并且电阻器组8A、8B、8C可经由输出线的断路器连接到每条输出线4A、4B、4C。

保护布置还包括控制单元11，该控制单元具有到断路器和断路器的连接，以便监测断路器并控制断路器。在至少一条输出线4A、4B、4C的断路器5A、5B、5C跳闸断开的情况下，控制单元被布置成控制输出线的断路器9A、9B、9C，以将热电阻器组8A、8B、8C连接到输出线4A、4B、4C。

因此，本发明的系统被设计成如果由于例如断路器跳闸而电负载的重要部分瞬间断开来防止二冲程发动机超速。

附图说明

在下文中，参照附图更详细地描述本发明，其中

图1示出了根据本发明的保护布置的示意性实施例，

图2示出了电阻器组提供反扭矩随发电机速度如何变化，以及

图3示出了在二冲程发动机满载全速运转的情况下启动电阻器组的实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的保护布置的示意性实施例。注意，图1仅示意性地示出了布置的不同部分，并且真实的解决方案可能具有更复杂的结构。为了表示本发明的目的，已经选择了较好的示意性图示。

本发明的保护布置用于向发电机提供动力的二冲程内燃机，该发电机具有输出线4A、4B、4C，这些输出线带有断路器5A、5B、5C。发电机可以是同步发电机或异步发电机。保护布置包括用于每条输出线4A、4B、4C的热电阻器组8A、8B、8C和断路器9A、9B、9C。断路器9A、9B、9C与输出线4A、4B、4C的断路器5A、5B、5C以并联方式连接到同一输出线，并且电阻器组8A、8B、8C可经由输出线的断路器连接到每条输出线4A、4B、4C。

发动机的主/螺旋桨轴3没有除发电机2之外的其他负载。因此，二冲程发动机1的大部分负载的是电负载(小部分是发动机1和发电机2的机械摩擦和旋转质量)。

在轴发电机的实施方式的情况下，该实施方式还可以包括齿轮装置(例如增速齿轮或行星齿轮)。这种实施方式可以用于提高发电机的速度并且降低扭矩，并且因此减小发电机的尺寸。

保护布置还包括控制单元11，其具有到断路器和断路器的连接12、13，以便监测断路器并控制断路器。在至少一条输出线4A、4B、4C的断路器5A、5B、5C跳闸断开的情况下，控制单元被布置成控制输出线的断路器9A、9B、9C以将热电阻器组8A、8B、8C连接到输出线4A、4B、4C。

断路器5A、5B、5C与变频器6A、6B、6C连接，这些变频器本身不是本发明的一部分。可以看出，每条输出线4A、4B、4C具有其自身的变频器。图1可以示出三重(triple)三相系统，其中一条线4A、4B、4C实际上意味着用于三相的线，这也是示出三重三相系统的常见方式。

不同的实施方式可以具有来自发电机的两条以上并联的三相输出线。较小的系统可能只具有单个三相系统，而较大的系统可以具有两个、三个、四个以上并联的三相系统(即，发电机由单、双、三、四个以上绕组配置构建)。

例如，变频器的输出7A、7B、7C连接到系统的主断路器板，像船舶电力分配系统或陆地上的例如用于电力分配的任何其他电力分配系统。

如所述，根据本发明的保护布置包括用于每条输出线的热电阻器组8A、8B、8C和断路器9A、9B、9C。每个断路器以与相应的输出线的断路器并联的方式连接10A、10B、10C到相同的输出线，并且电阻器组8A、8B、8C可经由输出线的断路器连接到每条输出线。因此，用于每个三相输出的电阻器组具有三个电阻器单元8A、8B、8C，这三个电阻器单元可以连接成三角形或星形形式。换句话说，每条三相输出线都具有以三角形或星形形式连接的三相电阻器组。

值得一提的是，存在不同的布置来保护发电机，并且存在不同的布置来控制二冲程发动机的速度/负载，如发动机控制器和保护继电器系统。本发明是另一种用于保护发动机免于超速的系统。

发动机速度/负载控制系统执行喷射正确燃料量作为速度和负载的函数以及保持发动机速度并因此负载稳定的任务。此外，发动机速度/负载控制系统还包含主要的超速保护功能，该功能在参数化的触发点处切断燃料喷射。本发明提供了二次超速保护系统，该二次超速保护系统是独立的系统，如果一次超速系统没有反应，则本发明将启动。当断路器出于某些原因而跳闸时，可能会发生这种情况。控制单元与发动机速度/负载控制系统连接，并且向发动机速度/负载控制系统传送跳闸/电气故障情况。

本发明向发动机速度/负载控制系统(即，向本发明以外的其他系统)提供信息以切断燃料喷射，并且还提供时间来燃烧发动机中的剩余燃料，同时通过从电阻器组对系统引起扭矩来防止发动机超速。

控制单元11还可以布置成可连接到其他控制器/系统(如变频器控制器)，以便将所述跳闸/电气故障情况传送给其他控制器/系统。此外，控制单元可以从所述发动机速度/负载控制系统和其它控制器/系统接收信息。

可以注意到，本发明在具有许多部件和装置的系统中使用。为了识别系统中可能的故障模式和故障影响，尽管本发明的系统独立地工作，本发明也可以连接到其他装置，如所述发动机速度/负载控制系统和其他控制器。因此，故障模式和影响分析(FMEA)是可能的。因此，当断路器跳闸时，例如在故障和其他有害或危险的情况下，本发明的控制单元11接收来自跳闸动作的信息并且控制输出线的断路器9A、9B、9C，以响应于跳闸动作将电阻器组8A、8B、8C连接到每条输出线。每个电阻器组由连接在以三角形或星形连接的发电机相之间的3个电阻器/电阻器结构组成。

热电阻器组的电阻值的大小被确定成使得电阻器组8A、8B、8C为二冲程发动机1提供足够的反扭矩至少两秒，以便为发动机速度/负载控制系统提供时间来切断对二冲程发动机1的燃料喷射，并且还提供时间来燃烧二冲程发动机中的剩余燃料，同时防止发动机超速情况。

为了使图1清楚地显示断路器与控制和保护系统11之间的连接12，对于一条输出线4A，即对于断路器5A和断路器9A，示出了断路器与控制和保护系统11之间的连接13。用于其他输出线路的类似的连接用短虚线示出。

示意性地示出了控制单元11。该控制单元取决于实际实施方式可以是一个实体或分布式实体。

如所述，电阻器组的热电阻器被利用在发电机输出线上，电阻器仅在电负载显著降低的情况下连接。电阻器的大小被确定成使得由电阻器提供的反扭矩将二冲程发动机的速度上升限制在例如至少2秒(例如，2秒至3秒之间)的合理的时间量内，以便发动机控制系统具有足够的时间来切断燃料喷射，并且发动机可以燃烧剩余的燃料而不会速度过高。

图2示出了由电阻器组8A、8B、8C提供的发电机速度和反扭矩的函数。在本实施例中，变频器系统(一个变频器系统是每台轴式发电机的总功率的1/3)的额定功率为3MW，并且电阻器组的额定功率为变频器系统的额定功率的33％，即，约1MW。

由本发明的超速保护系统引起的总反扭矩不依赖于至少一个断路器跳闸之前的电网负载情况。电网可以是船舶电网或连接到陆地发电厂的电网。由于电阻器组的功率仅取决于发电机扭矩，而发电机扭矩是功率和速度的函数，因此发电机扭矩决定了电阻器组应对发动机引起多少反扭矩。

图3示出了发电机速度和负载(电力网的负载)处于额定值的实施例，即，发动机以发电机的额定速度(全速)运行，并且电网的负载已满。

在1秒时标记发生电负载跳闸的情况，即1个、2个或全部3个变频器系统由于任何原因掉线，然后在短反应时间后，超速保护系统启动2秒，换句话说，断路器9A、9B和9C闭合2秒，以便将电阻器组连接到输出线。在两秒之后，断路器断开。线31示出了一个变频器系统跳闸的情况。线32示出了两个变频器系统跳闸的情况。线33示出了三个变频器系统跳闸的情况。可以注意到，发电机上的扭矩在三秒钟后下降到系统中剩余的负载水平，该水平取决于跳闸情况后剩余的电负载量(即，零个、一个或两个变频器系统保持在线(online))。应该注意的是，图3中的实施例只是指示性的。在船舶电力分配系统中，剩余的电负载也取决于船舶上的实际消耗。控制系统11可以对或不对断路器9A、9B和9C的闭合时间进行排序，以便使对发电机系统的扭矩引起平滑。这是由于发动机的燃料喷射已经结束并且剩余的燃料已经在发动机中燃烧的动作。

在一个变频器系统掉线与超速保护系统启动之间的反应时间期间，发电机上的负载没有任何变化，因为其他两个变频器系统可能会补偿一个变频器系统的损失。(假设1/3的负载由剩余的2/3在线负载拾取)。发动机速度/负载控制器可以通过注意这种情况对此做出反应。在这种情况下，因为不需要电阻器组，则不接合电阻器组。这样，电网就能保持尽可能的稳定。

可以注意到，发电系统可以在可变速度和可变负载下运行。

本发明为具有二冲程发动机的发电机组布置以及连接到二冲程发动机的发电机提供了可靠的附加超速保护。虽然上面的实施例是针对轴发电机和二冲程发动机的特定功率确定大小的，但是很明显也可以使用其他大小标尺。

从上面可以明显看出，本发明不限于本文中描述的实施方式，而是可以在独立权利要求范围内的许多其他不同实施方式中实施。

Claims

1.一种向同步或异步发电机提供动力的二冲程内燃机的保护布置，所述同步或异步发电机具有带有断路器(5A、5B、5C)的输出线(4A、4B、4C)，其特征在于，所述保护布置包括用于每条输出线(4A、4B、4C)的热电阻器组(8A、8B、8C)和断路器(9A、9B、9C)，所述断路器与相同输出线(4A、4B、4C)的断路器(5A、5B、5C)以并联方式连接到所述输出线，并且电阻器组(8A、8B、8C)能够经由所述输出线的断路器连接到每条输出线(4A、4B、4C)，

所述保护布置还包括控制单元(11)，所述控制单元具有到所述断路器和所述断路器的连接，以便监测所述断路器并控制所述断路器，以及

在至少一条输出线(4A、4B、4C)的所述断路器(5A、5B、5C)跳闸断开的情况下，所述控制单元被布置成控制所述输出线的断路器(9A、9B、9C)以将所述热电阻器组(8A、8B、8C)连接到输出线(4A、4B、4C)。

2.根据权利要求1所述的保护布置，其特征在于，所述电阻器组(8A、8B、8C)具有在所述输出线的每个三相系统中以三角形或星形形式连接的三个电阻器单元。

3.根据权利要求2所述的保护布置，其特征在于，三个电阻器单元(8A、8B、8C)中的每一个都包括并联或串联的一个或多个电阻器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的保护布置，其特征在于，所述电阻器组(8A、8B、8C)的电阻值的大小被确定成使得所述电阻器组为二冲程发动机(1)提供足够的反扭矩至少两秒，以便提供时间来切断对所述二冲程发动机(1)的燃料喷射，并且还提供时间来燃烧所述二冲程发动机中的剩余燃料。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的保护布置，其特征在于，所述控制单元(11)具有与发动机速度/负载控制系统(15)的连接(14)并且将跳闸/电气故障情况传送到所述发动机速度/负载控制系统，

以及到所述断路器和所述断路器的连接(12、13)，以便监测所述断路器并控制所述断路器，以及

所述控制单元被布置成当所述断路器跳闸时控制所述输出线的所述断路器(9A、9B、9C)以将所述热电阻器组(8A、8B、8C)连接到输出线(4A、4B、4C)，并且本发明的控制单元11接收来自跳闸动作的信息。

6.根据权利要求6所述的保护布置，其特征在于，所述控制单元还被布置成能够连接到其他控制器/系统，以便将所述跳闸/电气故障情况传送给所述其他控制器/系统。