CN1514791A - 具有减小的船上电网失真系数的船只驱动系统 - Google Patents

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Abstract

在一个具有电行驶驱动的船只中，在中压电网中实现了一种失真系数的减小，其中，将两个变流器或者变流器组这样共同连接，即，从电网的角度它们表现的如同24脉动的变流器。这样得到的变流器或者变流器组被不同地加载，或者在其直流中间电路中配置不同地参数。

Description

具有减小的船上电网失真系数的船只驱动系统
技术领域
本发明涉及一种具有减小的船上电网失真系数的船只驱动系统。
背景技术
对于船只船上电网的谐波含量存在依赖于频率的边界值。在船上电网中过高的谐波成分造成电网中附加的损失，并且可能导致连接在船上电网并从船上电网提取能量的设备的运行故障。
当电流消耗是非正弦形时，例如当有强非线性耗电器连接在船上电网时，产生船上电网谐波。电网中由于强耗电器的非正弦电流变化与船上电网端阻抗一起导致对电压的相应反作用。这种反作用是通过感应造成的，而这在船上电网中是无法避免的。
如果从船上电网为船只电气驱动供电，则也不允许船上电网包含较大的谐波成分。
船只电气驱动包括一个或多个连接在船上电网上的变流器，由这些变流器为每个或多个电气螺旋桨电机提供电流。通常船上电网是3相中压电网，在个别的情况下也有低压电网。由此，变流器包括变流器变压器为驱动电机产生具有可变电压和频率的三相电压系统。变流器输出的电压取决于频率。
变流器可以是具有直流电压中间回路和在输出端的多相控制电桥的中间电路逆变器。通过对输入端与中间电路电容连接的电桥的控制，形成了对电网起反作用的、在电容上的脉动的负载。
过去人们尝试过，通过对变流器的有效的布线，将由于变流器造成的对船上电网失真系数的反馈保持很低。
在公知的措施中有使用初级绕组按三角形连接的三相变压器。该三相变压器具有两组次级绕组，这两个绕组中一个按星形连接，另一个按三角形连接。这两组次级绕组分别与各自的桥式整流器连接，桥式整流器的输出端为一个共同的中间电路电容供电。对于整流器输出电网的每一相在中间电路电容上与由IGBT(绝缘栅级双极型晶体管)构成的三相电桥连接。IGBT被这样操纵，即使其在连接的螺旋桨电机的支架绕组(Staenderwicklung)中产生接近于正弦形的电流变化。这种整流器被称为十二脉动变流器，其中，在电网侧仅出现11、13、23、25、35、37、47和49等阶的特征谐波。其它谐波相互抵消。
如果将两个这种变流器的输入电流通过对应的附加绕组相互旋转15°，则还可以实现进一步的下降。由此从船上电网的角度得到24脉动变流器的特性。在这种运行中仅出现23、25、47和49等阶的特征谐波。
发明内容
由此，本发明要解决的技术问题是，提供一种驱动船只以及船只驱动系统的方法，其可以进一步降低谐波的幅度。
按照本发明，上述技术问题是通过具有权利要求1特征的方法和具有权利要求6特征的驱动系统来解决的。
在按照本发明的方法中，为电机提供不同的功率。由于电机上不同负载和对应的电网反馈，使船上电网中待测量的失真系数减少到三分之一。这种减少特别在较高的谐波中显著，较高的谐波由于变流器特殊的布线相互不抵消。
对于改善失真系数的理论指出，中间电路电容上的电流角度的改变对这种降低起作用。在中间电路电容上较小的负载下，在变流器中出现的充电电流的相位角与由中间电路电容上较强电流负载的情况下的相位角不同。这种相位角的改变可能对输出端的三相电桥和在连接的电机中的电流变化有反作用。
对船只驱动电机的调节可以这样实现，即，在每种运行情形下各电机上的负载分配在使第23、25、47、49阶谐波最小的意义上实现。
已经表明，螺旋桨电机之间或者螺旋桨电机组之间的功率分配按比例1∶0.9至1∶0.25之间，优选地在1∶0.7至1∶0.5之间，并最高优选为1∶0.6进行。
按照本发明的方法尤其可以用在船首或船尾具有电机的船只中，使得不同的功率不会导致航向的改变，而这种航向改变必须通过舵的偏转得到补偿。
但对谐波成分的改善也可在船尾具有以相同功率运行的两个螺旋桨电机的船上实现。在这种情况下，用于螺旋桨电机的反相器中的中间电路电容不同。由于两个变流器中中间电路电容的不同电容值，可以对较高的谐波、如在24脉动变流器中出现的谐波以相似的方式加以补偿。
这里合适的是，将每个变流器分别作为24脉动变流器实现，使得如本文开始描述的那样，使低次谐波相互抵消。
本发明的扩展是从属权利要求的内容。这里，这些具体实施方式的组合也在本发明要求保护的范围内。
附图说明
在下面附图中示出了本发明的实施方式。其中，
图1示出了船的电气驱动的原理电路图，在船的每端上分别具有两个螺旋桨电机，
图2示出了一个用于说明依赖于在螺旋桨电机上的负载分配的失真系数关系，
图3示出了具有两个螺旋桨电机的船的电气驱动的原理电路图，和
图4示出了一个变流器的原理电路图。
具体实施方式
图1示出了具有电机的船只驱动系统的原理电路图。共有5个示意表示柴油机1，2，3，4和5属于该驱动系统。三相同步发电机6，7，8，9，11分别与每台柴油电机1...5机械耦合。
同步发电机6，7，8，9，11被组合成组，其中，同步发电机6和7工作在第一汇流排12上，而同步发电机8，9，11工作在第二汇流排13上。在正常运行中这两个汇流排相互电气耦合。这两个汇流排12，13表征了一个具有50Hz和6.6kV的中压电网。在这两个汇流排12，13的每个上连接了三相变压器14，15，其输出端为低压电网16，17供电。该变压器输入端按三角形连接，输出端按星形连接。
由两个汇流排12，13实现了为行驶驱动的供电。为此，在汇流排12上连接两个变流器18和19，而在汇流排13上连接两个变流器21和22。每个变流器18...22为一个所属的三相异步电机23...27供电。每个异步电机23...27通过一个船轴28...32驱动一个所属的船螺旋桨33...36。两个船螺旋桨33，35设置在船的一端，而另两个船螺旋桨34和36设置在船的另一端。船螺旋桨的这种分布例如用于双向行使，以便节省掉头行动。
出于冗余的原因，将设置在船只一端的螺旋桨电机23和26连接到不同的汇流排上。按照这种方式保证了，在一个汇流排12或13断电时在船的每一端至少有一个螺旋桨电机可用于驱动。
变流器18...22相互是同样实现的。所涉及的是具有直流电压中间电路的12脉动变流器。因为变流器18...22相互等同，仅详细地描述一个变流器18...22的结构就足够了。
变流器18在输入端具有一个三相变压器37，其具有一个连接在汇流排12上的、按三角形连接的初级绕组组38。属于三相变压器37还有两组与初级绕组38磁性耦合的次级绕组39和41。次级绕组39的组按三角形连接，而次级绕组41的组按星形连接，从而在输出电压之间得到一个相位转动。两个次级绕组41和39组的每个与一个所属的三相桥式整流器42和43连接。桥式整流器42，43是简单的非受控二极管桥式整流器。
两个桥式整流器42，43为一个共同的中间电路电容44充电，该电容由多个单独电容的并联电路构成。中间电路电容的电容量大约为每个电机56mF。由中间电路电容44为一个由IGBT构成的可控三相电桥45供电，该电桥在输出端为异步电机23产生三相供电电压。
通过没有进一步示出的、三相变压器37上的附加绕组保证了，次级绕组的两个组41和39上的相位额外地转动正7.5°。
在同一汇流排12上连接的变流器19具有同样如前述的结构，但有这样一个限制，即通过附加的线路得到一个负7.5°的相位转动。由此，两个变频器相互具有15°的相位转动，使得从汇流排12的角度看它们如同一个24脉动变流器工作。
对于24脉动变流器只产生第23阶谐波以上的特征谐波，其以下的谐波相互抵消。这种抵消可以简单地这样表示，即在一个变流器的低于23阶的谐波降低电流需求时，另一个变流器的低于23阶的谐波正好以相同的量转换到高的电流需求。由此，从汇流排的角度看，负载没有变化。因此，汇流排12的布线原本就是谐波很少的。在这种布线下，要考虑的未补偿的各个特征谐波是第23、25，以及第47和49谐波等。
按照所示出的电路安排可以得到在图2的表格中举出的失真系数值。如果三个发电机处于运行，并用相同的功率运行所有的电机，则在汇流排12，13上可以测得一个3.09％的失真系数。螺旋桨电流具有一个7.54％的失真系数。相反，如果不对称地运行电机，即按1∶0.6的比例将功率分配在汇流排12以及13上，其中总的驱动功率与此前完全一样，则在汇流排12以及13上的电压变化中失真系数显著地下降为1.9％。在这种运行情况下螺旋桨电机24的功率例如为螺旋桨电机23功率的0.6倍；对于螺旋桨电机26和27同样的关系成立。
如果有四个发电机处于运行且对螺旋桨电机再次均匀地加载，则给出类似的情况。此时失真系数由于较小的发电机内阻比在具有三个发电机的运行情况小了一些，即只有2.91％。如果在总的驱动功率不变的情况下对各电机不对称地加载，则失真系数又显著地减小。在这种情况下电机23和26的功率与电机24和27的比例是1∶0.37。汇流排12，13上电压失真系数下降为1.31％。
尽管对于单个电机电流中的失真系数实际上没有变化，如从第二栏中可以看出的。对于单个电机电流中的失真系数实际上独立于负载分配。如同由每个单个的电机给出的一样，对于电流的失真系数实际上也是独立于在汇流排12，13上的负载和运行站。
如果五个发电机处于运行且电机之间的驱动功率按1∶0.37的比例分配，则同样得到非常有利的比例。
如从表格中看出的，通过在一个较强加载的和一个较弱加载的变流器之间的补偿作用可以减小汇流排12，13上电压变化中的失真系数。反之，每个变流器输出信号中的失真系数实际上独立于负载分配。其出发点是，在中间电路电容的周期性再充电中，由于负载变化引起的电流角度的变化起到了补偿作用。
如果具有两个驱动电机的船只按照图3配备，则可以实现一种类似的改善。按照图3的电路装置实际上是图1的电路装置的左侧，但具有这样的限制，即，变流器21连接在汇流排12上。因此采用了与在图1左半部中同样的附图标记。因此，对结构进行重新的解释是多余的。
另一个与按照图1的实施方式的区别在于，变流器18，21的每个实现为24脉动。例如，通过将中间电路电容44经两个磁性不耦合的电压器进行充电，可以实现一个24脉动的变流器，其中，电压器初级侧在相位上相互转动15°。图4中示出了一个这样的变流器。
根据图4，变流器18具有两个输入变压器46和47。每个输入变压器46，47拥有一个初级绕组48和49的组，如已经提到的，这两者电气上相互转动15°。此外，两个变压器46，47的每个具有两组次级绕组51，52，53和54，它们按三角形或者按星形连接，并与一个所属的桥式整流器55，56，57和58连接。桥式整流器55...58对一个中间电路电容59充电，由该电容为三组电桥61，62和63进行供电，这些电桥在其电桥分支中包含IGBT。通过按公知的方式控制IGBT，在输出端产生所希望的三相交流电。
两个变流器18和21按照图4构成，并且如已经解释的那样区别在于中间电路电容59的大小。因为按照图4实施方式中的每个变流器24脉动地工作，不会出现低于23阶的谐波。仅仅剩余23，25和47，49阶的谐波。这里出现一种补偿，其中，在相同的功率下，即在两个剩余的螺旋桨电机23和26上驱动功率对称分布下，两个中间电路电容59的电容量按类似于根据图1的实施方式中在螺旋桨电机之间的功率分配那样地区别，导致了失真系数的减小。
总之，在一个具有电行驶驱动的船只中，在中压电网中实现了一种失真系数的减小，其中，将两个变流器或者变流器组这样共同连接，即，从电网的角度它们表现的如同24脉动的变流器。这样得到的变流器或者变流器组被不同地加载，或者在其直流中间电路中配置不同地参数。

Claims (9)

1.一种用于运行船只的方法，该船只包括：
在船一端的至少一个电气螺旋桨电机(23...27)，
在船另一端的至少一个电气螺旋桨电机(23...27)，以及
对每个螺旋桨电机(23...27)的一个具有直流中间电路(44)的变流器(18...22)，和
一个为变流器(18...22)共同供电的三相船上电网(12，13)，
其中，按照本方法将功率不相同地分配到两个螺旋桨电机(23...27)上，以便减少由变流器(18...22)在船上电网(12，13)中引起的谐波的规模。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述变流器(18...22)这样设置并连接到所述船上电网(12，13)上，使其仅在船上电网(12，13)中引起第23，25，47，49...阶的谐波。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，这样控制功率的分配，使得在船上电网(12，13)中谐波的矢量和，特别是第23，25，47，49...阶谐波的矢量和为最小。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺旋桨电机(23...27)之间的功率分配按比例1∶0.9至1∶0.25之间进行，优选地在1∶0.7至1∶0.5之间，并最高优选为1∶0.6。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变流器(18...22)的每个在输入端具有一个变压器(37)，这些变压器这样构成，使得输入电流相互移相15°，并各产生一个12脉动电网反馈。
6.一种船只驱动系统，其具有：
一个三相船上电网(12)，
至少一个第一螺旋桨电机(23)，
至少一个第二螺旋桨电机(26)，
一个为第一螺旋桨电机(23)供电的第一变流器(18)，其连接在船上电网(12)上、具有一个带有中间电路电容(44)的直流中间电路并按12脉动工作，
一个为第二螺旋桨电机(26)供电的第二变流器(21)，其连接在船上电网(12)上、具有一个带有中间电路电容(59)的直流中间电路并按12脉动工作，
其中，第一变流器(18)的中间电路电容(44)的电容值与第二变流器(21)的中间电路电容(59)的电容值这样地按一个比例不同，使得在两个螺旋桨电机(23，26)的相同功率消耗下在船上电网(12)中的谐波最小。
7.根据权利要求6所述的船只驱动系统，其特征在于，所述电容值比例在1∶0.9至1∶0.25之间，优选地在1∶0.7至1∶0.5之间，并最高优选为1∶0.6。
8.根据权利要求6所述的船只驱动系统，其特征在于，所述变流器(18，21)具有输入变压器(39，41)，该变压器这样地构成，使得输入电流相互移相15°。
9.根据权利要求6所述的船只驱动系统，其特征在于，在至少一个所述变流器(18，21)中中间电路电容(44)由多个电容构成，并且可以通过断开电容改变中间电路电容(44)的总容量。
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