CN207208443U - 基于变速机组的船舶直流电力推进系统 - Google Patents

Abstract

一种基于变速机组的船舶直流电力推进系统，包括能量管理系统、两组电力推进装置及母联开关，每组电力推进装置包括变速发电机组、整流装置、逆变装置、直流母线、电动机和螺旋桨；该两组电力推进装置的直流母线通过母联开关相互连接。变速发电机组的交流输出端与整流装置的输入端连接，整流装置的输出端与直流母线连接。逆变装置的直流输入端与直流母线连接，交流输出端与电动机的电源端连接。电动机的输出轴与螺旋桨连接。能量管理系统分别与每一组电力推进装置的整流装置通信连接，且能量管理系统的控制输出端分别与每组电力推进装置的变速发电机组的控制输入端连接。本实用新型能在负载工作在不同工况下时，使得内燃机组始终工作在最佳负荷点。

Description

基于变速机组的船舶直流电力推进系统

技术领域

本实用新型涉及船舶电力推进系统领域。

背景技术

在内河船舶的推进系统应用中，通常采用的是传统柴油机直接推进或者交流电力推进系统。内河船舶，尤其是渡轮具有工况多变、低工况运行时间长等特点，而传统柴油机直接推进存在着启动冒黑烟、噪音大等缺点，交流电力推进系统具有设备多、电缆多等缺点。

船舶电力推进系统都是原动机驱动发电机组为系统供电，对于内河船舶而言，尤其是渡轮，全速运行的工况时间较短，靠岸上下客时的低工况运行时间较长，此时原动机处于偏离最佳燃油点运行状态，燃料得不到充分燃烧，燃料的利用率随之大幅度下降，同时部分燃料还会产生大量的氮氧化物和硫氧化物，对环境造成污染。采用变速发电技术可以有效解决该问题，但是，采用变速发电技术由于机组转速改变则发电机输出的电压不再是恒频恒压的电压信号，无法直接形成交流电网供船上其他设备使用，需要增加一级电能转换装置。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其能在负载工作在不同工况下时，使得内燃机组始终工作在最佳负荷点，在解决节能减排的同时，使用直流配电网络解决了交流配电网络设备多、电缆多的缺点，节约了电力推进系统的占用空间及重量。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

基于变速机组的船舶直流电力推进系统，包括能量管理系统、两组电力推进装置以及母联开关，每组电力推进装置包括变速发电机组、整流装置、逆变装置、直流母线、电动机和螺旋桨；该两组电力推进装置的直流母线通过母联开关相互连接；变速发电机组的交流输出端与整流装置的输入端连接，整流装置的输出端与直流母线连接；逆变装置的直流输入端与直流母线连接，逆变装置的交流输出端与电动机的电源端连接，电动机的输出轴与螺旋桨连接；能量管理系统分别与每一组电力推进装置的整流装置通信连接，以接收每一组电力推进装置的整流装置所采集到的整流装置自身的输入电流值和输入电压值，且能量管理系统的控制输出端分别与每一组电力推进装置的变速发电机组的控制输入端连接，能量管理系统用于存储每一变速发电机组的原动机的外特性表以及采集每一整流装置的输入电流和输入电压，基于所接收的整流装置的输入电流值和输入电压值计算出变速发电机组的发电功率，并根据原动机的外特性表确定与计算出的发电功率相对应的原动机转速，控制原动机按照确定的原动机转速运行。

本实用新型至少具有以下技术效果：

1、根据本实用新型一实施例的基于变速机组的船舶直流电力推进系统采用变速运行的原动机，在不同负载时，原动机工作在该负荷点对应的最佳转速，从而可实现能源的最佳燃烧效果，降低耗油量，减少氮氧化物和硫氧化物等碳烟的排放；

2、根据本实用新型一实施例的基于变速机组的船舶直流电力推进系统采用直流配电形式，与传统交流配电形式相比，减少了变压器，且形成综合直流配电柜，简化了原有交流配电柜和交流变频器，从而节约了整个电力推进系统的体积和重量；

3、采用直流配电形式，可以使螺旋桨等设备制动能量回馈回直流电网后，不直接冲击原动机，而是通过直流母线缓冲后供其他负载使用，即能避免能量消耗又能避免对发电机组的冲击。

附图说明

图1示出了根据本实用新型一实施例的基于变速机组的船舶直流电力推进系统的整体原理框图。

图2示出了根据本实用新型一实施例的变速内燃机发电机组及整流装置的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

请参阅图1。根据本实用新型一实施例的基于变速机组的船舶直流电力推进系统包括两组电力推进装置、能量管理系统5以及母联开关10。

每组电力推进装置包括变速发电机组1、整流装置2、逆变装置3、直流母线4、电动机6和螺旋桨7。两组电力推进装置的直流母线通过母联开关10相互连接。母联开关10可以确保一组电力推进装置出问题时，另一组电力推进装置还能正常工作，避免处于全船失电的状态中。

变速发电机组1的交流输出端与整流装置2的输入端连接，整流装置2的输出端与直流母线4连接；逆变装置3的直流输入端与直流母线4连接，逆变装置3的交流输出端与电动机6的电源端连接，电动机6的输出轴与螺旋桨7连接。

能量管理系统5分别与每一组电力推进装置的整流装置2通信连接，以接收每一组电力推进装置的整流装置2所采集到的整流装置自身的输入电流值和输入电压值，且能量管理系统5的控制输出端分别与每一组电力推进装置的变速发电机组1的控制输入端连接。能量管理系统5用于存储每一变速发电机组1的原动机的外特性表，基于所接收的整流装置的输入电流值和输入电压值计算出变速发电机组1的发电功率，并根据原动机的外特性表确定与计算出的发电功率相对应的原动机转速，控制原动机按照确定的原动机转速运行。其中，原动机的外特性表记载了变速发电机组1的发电功率与原动机的转速之间的对应关系，通过查表可以得到当前发电功率下原动机最佳燃油消耗率对应的转速。

变速发电机组1由原动机11、发电机组12和调速控制器13组成。原动机11的转动轴与发电机组12的转子相连，发电机组12的定子绕组出线连接整流装置2的输入端。调速控制器13的控制输出端与原动机11的油门齿条执行机构连接,通过控制原动机11的喷油量使其运行到对应转速下，从而达到控制原动机11的转速的目的。原动机11可以是可变速运行的柴油机、汽油机、煤气机或天然气机；发电机组12为异步发电机或同步发电机。优选地，原动机11为可变速运行的内燃机，发电机组12为异步发电机。

能量管理系统5包括第一控制器51、第一通信模块52、人机交互部件53和第一参数采集电路54。第一参数采集电路54的输出端与第一控制器51电连接，第一参数采集电路54用于采集母联开关10的电流以及每组电力推进装置的直流母线4的母线电压，并将采集结果发送给第一控制器51。人机交互部件53与第一控制器51电连接，用于信息显示及接收用户的输入信息。第一控制器51与第一通信模块52电连接，通过第一通信模块52接收每一组电力推进装置的整流装置2所采集到的整流装置自身的输入电流值和输入电压值；第一控制器51用于存储每一变速发电机组1的原动机的外特性表，基于所接收的整流装置2的输入电流值和输入电压值计算出变速发电机组1的发电功率，并根据外特性表确定与计算出的发电功率相对应的原动机转速，控制原动机按照确定的原动机转速运行。在本实施例中，第一控制器51为PLC控制器；人机交互部件53为触摸显示屏。

整流装置2可将变速发电机组1发出的变频变压交流信号整成稳定的直流电压，供给直流母线4。整流装置2包括第二控制器21、第二通信模块22、第一显示器23、第二参数采集电路24和整流桥25。第二参数采集电路24的输出端与第二控制器21的输入端电连接，用于采集整流装置2的输入端及输出端的电流和电压，并将采集结果发送给第二控制器21。其中，采集到的交流电流和交流电压可用于进行交流电压的锁相及发电机组12的励磁控制，采集到的直流电压可用于直流侧恒压整流控制，采集到的直流电流可用于计算整流装置2的输出功率。第一显示器23与第二控制器21电连接，用于信息显示。整流桥25的输入端与变速发电机组1的交流输出端连接，整流桥25的输出端与直流母线4连接。第二控制器21分别与第一显示器23和第二通信模块22电连接，第二通信模块22与第一通信模块通信52连接，实现了能量管理系统5与整流装置2之间的数据交换。能量管理系统5可控制整流装置2的启停、输出功率大小以及监控整流装置2的运行状况，包括输出功率、母线电压、故障、工作状态等。第二通信模块22支持多种通讯方式，如串口、CAN、以太网、DP通讯等。第二控制器21用于控制整流桥25的工作，使整流桥25的输出电压稳定在预设的电压值。

本实施例中，第二控制器21为DSP控制器。整流桥25采用电压型三相半桥拓扑结构。DSP控制器根据控制目标以及第二参数采集电路24传递过来的数据，控制整流桥25中开关管的开通与关断。请结合图2所示，在图2的示例中，第二参数采集电路24采集了A、B两相之间的线电压U_AB、B、C两相之间的线电压U_BC、A相电流i_a、B相电流i_b、整流桥25的输出电压u_o以及整流桥25的输出电流i_o。

逆变装置3可为电动机 6提供变频变压信号，从而控制电动机6的转速或转矩。逆变装置3具备能量回馈的功能。逆变装置3包括第三控制器31、第三通信模块32、第二显示器33、第三参数采集电路34和逆变桥35。第三参数采集电路34的输出端与第三控制器31的输入端电连接，用于采集逆变桥35的输入端电压及输出端的电流和电压，并将采集结果发送给第三控制器31。第二显示器33与第三控制器31电连接，用于信息显示。逆变桥35的输入端与直流母线4连接，逆变桥35的输出端与电动机6的电源端连接。第三控制器31分别与第二显示器33和第三通信模块32电连接，第三通信模块32与第一通信模块12通信连接。第三通信模块32支持多种通讯方式，如串口、CAN、以太网、DP通讯等。第三控制器31用于控制逆变桥35的工作。

本实施例中，第三控制器31为DSP控制器。逆变桥35采用电压型三相半桥拓扑结构，逆变桥35的交流侧接电动机6的定子绕组输出，直流侧与直流母线4连接。DSP控制器根据及电动机6的转速或转矩控制目标以及第三参数采集电路34传递过来的数据，控制逆变桥35中开关管的开通与关断。

进一步地，整流装置2的输出端是通过第一直流开关41与直流母线4连接；逆变装置3的直流输入端是通过第二直流开关42与直流母线4连接；日用负载8通过第三直流开关43连接至直流母线4。上述的直流开关可以是直流断路器、固态限流开关和快速熔断器等，在系统发生短路时，迅速切断直流开关，可起到快速隔绝故障点的作用。母联开关10可选用塑壳断路器及快速熔断器串联的形式。

当螺旋桨7降速或制动时，多余的能量通过电动机6及逆变装置3反馈回直流母线4上，可以用来提供给日用负载8供电，因此减小变速发电机组1的功率输出，从而避免制动能量的消耗。

优选地，能量管理系统5以及两组电力推进装置的整流装置2、逆变装置3、直流母线4集成在同一个直流配电柜中。

进一步地，根据本实用新型一实施例的基于变速机组的船舶直流电力推进系统包括推进遥控设备9，推进遥控设备9与逆变装置3的第三通信模块32通信连接。推进遥控设备9属于现有技术，在本实施例中，推进遥控设备9是采用基于PLC及工控机的上位机操作平台。

根据本实用新型一实施例的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，采用直流配电形式，具有简化系统、节约整个电力推进系统体积和重量、节约能源等优点，同时采用变速发电机组，能在负载变化时工作在不同原动机转速下，以获得最佳燃油消耗，减少排放。

Claims (10)

1.基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，包括能量管理系统、两组电力推进装置以及母联开关，每组电力推进装置包括变速发电机组、整流装置、逆变装置、直流母线、电动机和螺旋桨；该两组电力推进装置的直流母线通过所述母联开关相互连接；

所述变速发电机组的交流输出端与所述整流装置的输入端连接，所述整流装置的输出端与所述直流母线连接；所述逆变装置的直流输入端与所述直流母线连接，所述逆变装置的交流输出端与所述电动机的电源端连接，所述电动机的输出轴与所述螺旋桨连接；

所述能量管理系统分别与每一组电力推进装置的整流装置通信连接，以接收每一组电力推进装置的整流装置所采集到的整流装置自身的输入电流值和输入电压值，且所述能量管理系统的控制输出端分别与每一组电力推进装置的变速发电机组的控制输入端连接，所述能量管理系统用于存储每一变速发电机组的原动机的外特性表，基于所接收的整流装置的输入电流值和输入电压值计算出变速发电机组的发电功率，并根据原动机的外特性表确定与计算出的发电功率相对应的原动机转速，控制原动机按照确定的原动机转速运行。

2.根据权利要求1所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述能量管理系统包括第一控制器、第一通信模块、人机交互部件和第一参数采集电路；

所述第一参数采集电路的输出端与所述第一控制器电连接，第一参数采集电路用于采集所述母联开关的电流以及每组电力推进装置的直流母线的母线电压，并将采集结果发送给所述第一控制器；

所述人机交互部件与所述第一控制器电连接，用于信息显示及接收用户的输入信息；

所述第一控制器与所述第一通信模块电连接，通过第一通信模块接收每一组电力推进装置的整流装置所采集到的整流装置自身的输入电流值和输入电压值；所述第一控制器用于存储每一变速发电机组的原动机的外特性表，基于所接收的整流装置的输入电流值和输入电压值计算出所述变速发电机组的发电功率，并根据所述外特性表确定与计算出的发电功率相对应的原动机转速，控制原动机按照确定的原动机转速运行。

3.根据权利要求2所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述第一控制器为PLC控制器；所述人机交互部件为触摸显示屏。

4.根据权利要求2所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述整流装置包括第二控制器、第二通信模块、第一显示器、第二参数采集电路和整流桥；

所述第二参数采集电路的输出端与所述第二控制器的输入端电连接，用于采集所述整流桥的输入端及输出端的电流和电压，并将采集结果发送给所述第二控制器；

所述第一显示器与所述第二控制器电连接，用于信息显示；

所述整流桥的输入端与所述变速发电机组的交流输出端连接，所述整流桥的输出端与所述直流母线连接；

所述第二控制器分别与所述第一显示器和所述第二通信模块电连接，所述第二通信模块与所述第一通信模块通信连接；所述第二控制器用于控制所述整流桥的工作，使所述整流桥的输出电压稳定在预设的电压值。

5.根据权利要求2所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述逆变装置包括第三控制器、第三通信模块、第二显示器、第三参数采集电路和逆变桥；

所述第三参数采集电路的输出端与所述第三控制器的输入端电连接，用于采集所述逆变桥的输入端电压及输出端的电流和电压，并将采集结果发送给所述第三控制器；

所述第二显示器与所述第三控制器电连接，用于信息显示；

所述逆变桥的输入端与所述直流母线连接，所述逆变桥的输出端与所述电动机的电源端连接；

所述第三控制器分别与所述第二显示器和所述第三通信模块电连接，所述第三通信模块与所述第一通信模块通信连接；所述第三控制器用于控制所述逆变桥的工作。

6.根据权利要求5所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述基于变速机组的船舶直流电力推进系统包括推进遥控设备，所述推进遥控设备与所述第三通信模块通信连接。

7.根据权利要求1所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述变速发电机组由原动机、发电机组和调速控制器组成；所述原动机的转动轴与所述发电机组的转子相连，所述发电机组的定子绕组出线连接所述整流装置的输入端；

所述调速控制器的控制输出端与所述原动机的油门齿条执行机构连接,以控制所述原动机的转速。

8.根据权利要求7所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述原动机为可变速运行的内燃机。

9.根据权利要求1所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述整流装置的输出端通过第一直流开关与所述直流母线连接；所述逆变装置的直流输入端通过第二直流开关与所述直流母线连接。

10.根据权利要求1所述的基于变速机组的船舶直流电力推进系统，其特征在于，所述能量管理系统以及所述两组电力推进装置的整流装置、逆变装置、直流母线集成在同一个直流配电柜中。