CN202879782U

CN202879782U - 船舶混合动力系统

Info

Publication number: CN202879782U
Application number: CN 201220488313
Authority: CN
Inventors: 段征; 黎菁; 李明; 俞臻; 代玉涛; 周特威; 房硕
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: Shanghai shine Heavy Industry Co., Ltd.
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-09-21

Abstract

本实用新型涉及一种船舶混合动力系统，包括柴油机、减速齿轮箱、轴带电机、发电机组、配电板及螺旋桨。该船舶混合动力系统还包括变频器，该柴油机的输出端连接该减速齿轮箱的输入端，该减速齿轮箱的第一输出端连接该螺旋桨，第二输出端连接该轴带电机，该发电机组电连接该配电板，该配电板电连接该有源前端变频器，该变频器电连接该轴带电机。

Description

船舶混合动力系统

技术领域

本实用新型涉及船舶动力系统，尤其是涉及船舶的混合动力系统。

背景技术

混合动力是一种新型的船舶动力推进形式，它将机械（柴油机）推进和电力（发电机组）推进有机结合，根据不同工况，适时切换柴油机和轴带电机驱动螺旋桨，或者两者同时驱动螺旋桨，有效的解决了船舶在短时间内多变的工况和输出较大推力的需求，减少了船舶的总燃油消耗量和排放，同时提高了船舶运行的可靠性。

虽然在现有船舶中已经实现了混合动力，但是这一混合动力系统存在许多有待改进的问题。例如，无法保证稳定的并车工况或是在并车后无法调节电动机和柴油机的功率分配，因此无法实现电动机和柴油机的并车运行，进而无法选小型号的柴油机，节能性大为降低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种船舶混合动力系统，以改善系统在混合动力下的性能。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种船舶混合动力系统，包括柴油机、减速齿轮箱、轴带电机、发电机组、变频器、配电板及螺旋桨，该柴油机的输出端连接该减速齿轮箱的输入端，该减速齿轮箱的第一输出端连接该螺旋桨，第二输出端连接该轴带电机，该发电机组电连接该配电板，该配电板电连接该有源前端变频器，该变频器电连接该轴带电机。

在本实用新型的一实施例中，该配电板连接船舶主电网。

在本实用新型的一实施例中，该变频器是有源前端变频器。

在本实用新型的一实施例中，该柴油机通过高弹性联轴节连接该减速齿轮箱。

在本实用新型的一实施例中，上述的船舶混合动力系统还包括切换装置，连接该轴带电机，用于将该轴带电机在发电机和电动机之间切换。

本实用新型由于采用以上技术方案，可以通过变频器实现柴油机和轴带电动机通过减速齿轮箱的并车运行，这对于混合动力节能和柴油机的选型十分重要。由于轴带电动机可以提供辅助的推力，因此柴油机可以选择功率小的型号，节省建造经费、节省船舶尺寸空间以及节能减少燃油消耗量。而传统的方案因为没有变频器的存在，所以无法保证稳定的并车工况或是在并车后无法调节轴带电动机和柴油机的功率分配，因此无法实现轴带电动机和柴油机的并车运行，进而无法选小型号的柴油机，节能性大为降低。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本实用新型一实施例的混合动力系统结构组成。

图2示出本实用新型另一实施例的混合动力系统结构组成。

图3示出本实用新型一实施例的机械推进模式能量流示意图

图4示出本实用新型一实施例的电力推进模式能量流示意图

图5示出本实用新型一实施例的混合动力推进模式能量流向图。

具体实施方式

图1示出本实用新型一实施例的混合动力系统结构组成。如图1所示，混合动力的主要组成设备包括：柴油机1 01、减速齿轮箱102、轴带电机1 03、发电机组104、变频器105、配电板106、螺旋桨107以及图未示的控制和监测系统等。图1中实现为机械连接，虚线为电连接。柴油机1 01通过高弹性联轴节连接减速齿轮箱102。

柴油机1 01的输出端连接减速齿轮箱1 02的输入端。减速齿轮箱1 02有两个输出端，其中第一输出端连接螺旋桨1 07，第二输出端连接轴带电机1 03。发电机组1 04电连接配电板1 06，配电板1 06电连接变频器1 05，变频器1 05电连接轴带电机1 03。

变频器1 05可以实现轴带电机1 03转速的控制，从而进行功率控制。对于柴油机和电动机（由轴带电机1 03构成）混合动力模式而言，变频器1 05可以调节电动机和柴油机的功率分配，实现电动机和柴油机的并车运行。

在图2所示较佳实施例中，变频器105是有源前端(Active From End,AFE)变频器105a。它可以将轴带电机103在发电机状态下的产生的电能进行调频后馈入船舶主电网。在变频器105是有源前端(Active From End,AFE)变频器的实施例中，配电板106还连接船舶主电网108。

控制和监测系统用于控制整个系统的运行。例如控制和监测系统包括切换装置（图未示），连接轴带电机1 03，用于将轴带电机1 03在发电机1 03a和电动机1 03b之间切换。

柴油机101是船舶的主要动力，正常情况下由柴油机101通过减速齿轮箱102传动来带动螺旋桨107为船舶提供动力。减速齿轮箱102为一端输入二端输出模式，它除了连接柴油机101和螺旋桨1 07之外，另一个端连接轴带电机103。当船舶处于停泊作业或停靠码头的情况下，可以将柴油机1 01设定为固定转速模式，仅通过调节螺距实现船舶推力大小的控制，此时可以将轴带电机103起动，设置为轴带发电机模式，发出的电能可供船舶其他设备使用。当变频105是图2所示的有源前端变频器105a时，轴带电机1 03发出的电能通过有源前端变频器105a的调频接入船舶主电网1 08，供给船舶其它用电设备使用。当柴油机故障的情况下，轴带电机1 03可以通过切换装置转换为电动机，由发电机组104提供电能，通过减速齿轮箱102传动来带动螺旋桨107为船舶提供动力。在需要最大推力的情况下，还可以将柴油机1 01和轴带电动机同时工作，为船舶提供最大推力。

因此概括来说，上述各实施例的混合动力系统有三种操作模式：

（1）机械推进：柴油机101工作传动螺旋桨，发电机组104可以不工作，轴带电机103工作于发电机模式或不工作状态；

（2）电力推进：发电机组104运行，柴油机101停机或怠速，轴带电机103工作于电动机模式传动螺旋桨；

（3）混合动力：柴油机1 01和发电机组1 04并车同时输出动力，轴带电机103工作于电动机模式，柴油机101和电动机通过减速齿轮箱102并车后联合驱动螺旋桨，为船舶提供最大的推力。

以下将主要讨论图2所示实施例在各种工作模式下的应用情况，以及与传统推进方案的优劣比较。

机械推进

柴油机101经减速齿轮箱102传动螺旋桨，为船舶提供动力是一种常见的动力形式。与此同时减速齿轮箱传动轴带发电机1 03a的模式，是船舶绿色节能方式的一种重要方案，但是传统的方案结构一般不具备有源前端变频器，也就是轴带发电机发出的电能不能并入船舶主电网，只能连接到一个侧推母排上，一般只提供给侧推电机使用，因此限制了轴带发电机的使用工况和使用效率，节能的效果也大打折扣。本实施例的特点是可以通过双向功率的有源前端变频器调频1 05a后将轴带发电机1 03a并如入船舶主电网108，这样就可以大大的扩展轴带发电机1 03a的使用工况，充分利用柴油机的功率，节能效果也大为提高。如图3所示为本实施例机械推进模式的能量流示意图。

电力推进

电机推进模式主要用于船舶输出小推力或柴油机1 0 1故障的情况下，发电机组104将电能通过配电板106、有源前端变频器1 05a和轴带电动机后驱动螺旋桨的模式。首先通过切换装置将轴带电机103切换至电动机103b的模式，然后通过发电机组104提供电能，以电力推进的模式为船舶提供动力。

传统的方案中没有变频器，只能通过调节螺距来控制推力大小，本实施例中使用有源前端变频器1 05a，变频控制电动机的转速，可以更好的与螺旋桨匹配，提高船舶的操控性能，此外发电机组还可以为辅助推力器和生活用负载供电。如图4所示为电力推进模式的能量流示意图。

混合动力

本实施例的最大特点是可以通过有源前端变频器105a实现柴油机和轴带电动机通过减速齿轮箱的并车运行，这对于混合动力节能和柴油机的选型十分重要。由于轴带电动机可以提供辅助的推力，因此柴油机可以选择功率小的型号，节省建造经费、节省船舶尺寸空间以及节能减少燃油消耗量（这对于一些拖轮类的工程船舶尤为意义重大）。而传统的方案因为没有变频器的存在，所以无法保证稳定的并车工况或是在并车后无法调节轴带电动机和柴油机的功率分配，因此无法实现轴带电动机和柴油机的并车运行，进而无法选小型号的柴油机，节能性大为降低。同时在给定的航速或设定的操作模式下的各种工况，都取得高效是重要的，可以避免高功率在低负荷下运行，产生的高燃油消耗率。图5为混合动力推进模式的能量流向图。

可以理解，图1所示实施例相比传统方案的优势在电力推进模式和混合动力模式下的动力调节方面，在此不再展开。

在以上各模式中涉及轴带电机的切换。轴带电机是混合动力系统中最重要的环节，传统方案中不需要使用变频器来控制轴带电机，轴带电机从发电机模式转换为电动机模式比较简便，实现方案较为容易，如通过一个小电机起动轴带电动机的方式等。由于目前变频器控制同步电动机（非永磁同步电动机）较为困难，在本实用新型的实施例中，采用一个外部控制装置来同步变频器控制和电动机的励磁系统，从而避免了传统切换方式中使系统产生的不稳定。

通过变频器可以较为方便的调节电动机的转速使之通过减速齿轮箱与柴油机并车，但由于柴油机无法进行功率控制，因此只能调节变频器对电动机进行功率控制。如何既能保证并车过程的平稳，转速的相对稳定，又能保证功率的稳定转移，则必须对系统的使用工况和设备的工作特性综合全方位考虑，才能制定合理的控制策略，由于柴油机和轴带电机的功率相差较大，稍有不慎则可能造成电动机逆功闷车，可以通过精确控制轴带电动机，使其在最佳的并车工作状态。

混合动力除考虑柴油机、轴带电机的本身故障保护外，还应该考虑在两者并车的工况下由于其本身故障造成的对其他设备的影响。例如在柴油机故障停车的情况，如何做好故障的预警处理，以及故障发生后电动机和变频器的保护。由于并车工况是船舶动力系统的最大功率状态，船舶可能在此工况进行非常重要的工程作业，例如起锚、牵引等在这种工况下如果发生动力系统的故障，将会影响到船舶的工作安全，尤其是此时的故障保护技术是混合动力的核心技术之一，在并车时柴油机或轴带电机故障时，应立刻降负荷、将故障设备及时的脱离系统，保证系统的稳定，同时判断运行正常的柴油机或轴带电机是否可以独立工作完成任务，如功率不够也应及时脱离系统，否则很有可能造成设备的损坏。

由于目前海洋工程的大力发展，相关的多用途工程船、拖船的数量不断增加。此类船舶工况多变，功率的需求变化范围较大，在作业时有时需要很大的推力，但是平时航行时只需要较小的动力。如果采用本实用新型所提出的混合动力系统则无论是在前期的设备投资和后期的运行消耗上都会产生较好的经济效益。

并且对于普通的运输船，也会遇到在淡、旺季对工况有不同的要求，如在淡季航行慢、载重小，使用的推力也小，在旺季要求航行快、载重大使用的推力也大，使用本实用新型所提出的混合动力系统可以充分满足运输船在淡、旺季对动力的需求，具有广阔的应用前景。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种船舶混合动力系统，包括柴油机、减速齿轮箱、轴带电机、发电机组、配电板及螺旋桨，其特征在于，该船舶混合动力系统还包括变频器，该柴油机的输出端连接该减速齿轮箱的输入端，该减速齿轮箱的第一输出端连接该螺旋桨，第二输出端连接该轴带电机，该发电机组电连接该配电板，该配电板电连接该有源前端变频器，该变频器电连接该轴带电机。

2.如权利要求1所述的船舶混合动力系统，其特征在于，该配电板连接船舶主电网。

3.如权利要求2所述的船舶混合动力系统，其特征在于，该变频器是有源前端变频器。

4.如权利要求1所述的船舶混合动力系统，其特征在于，该柴油机通过高弹性联轴节连接该减速齿轮箱。

5.如权利要求1所述的船舶混合动力系统，其特征在于，还包括切换装置，连接该轴带电机，用于将该轴带电机在发电机和电动机之间切换。