双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统及方法与流程

本发明涉及一种船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统及方法，尤其是涉及一种双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统及方法。
背景技术：
：在目前能源紧缺、环境危机以及航运业低迷的形势下，人们对船舶行驶的燃油经济性和环保性愈加重视。混合轴带系统能节省燃料、减小排放，已成为目前各国积极发展的船舶推进新技术。双馈式船舶轴带系统具有成本较低、体积小的优点，但由于其转速运行范围有限，在主柴油机故障时难以实现零速起动独立推进运行。混合轴带系统按变速恒频装置容量大小可大致分为：全功率式和双馈式轴带系统。1)全功率式轴带系统：浙江大学李荣贵的学术论文“船舶混合轴带永磁同步电机数字控制研究”和中国专利CN201180028366.4：轴带发电系统采用双向全功率变速恒频装置，直接将轴带电机发出的变压/变频交流电转换成为恒压/恒频的交流电并与船载电网相连接。此方案可实现轴带电机在单机推进/并网推进/并网发电三种运行模式间灵活切换。但全功率变速恒频装置容量必须大于轴带电机，因此该方案存在成本高、体积大、不便于安装等不足。2)双馈式轴带系统华中科技大学吴涛的学术论文“变速恒频无刷双馈发电系统独立运行控制研究”和中国专利CN201511011706.9：船用轴带双馈发电机系统中采用双馈式变速恒频装置轴带系统。相比于全功率式轴带系统，双馈轴带系统变速恒频装置的容量仅由螺旋桨调速范围决定。由于船舶行驶过程中螺旋桨调速的实际范围较小(约为额定转速30％)，双馈轴带技术可大大减小变速恒频装置容量、成本和体积，提高系统的技术经济性能。然而双馈电机只能在一定转速范围内并网运行，在主柴油机故障条件下难以单机起动与推进运行。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统及方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统，该系统包括螺旋桨、双馈轴带电机、变速恒频装置和控制器，所述的双馈轴带电机转子连接螺旋桨，双馈轴带电机定子连接船舶电网，所述的变速恒频装置连接在船舶电网和双馈轴带电机转子之间，所述的控制器连接变速恒频装置，双馈轴带电机定子与船舶电网之间通过状态切换单元连接，所述的状态切换单元包括用于将双馈轴带电机三相定子绕组与船舶电网接通与断开的接触器Ks1以及用于将双馈轴带电机三相定子绕组短路和开路的接触器Ks2，所述的接触器Ks1和接触器Ks2分别连接控制器；控制器控制接触器Ks1断开，接触器Ks2闭合，双馈轴带电机三相定子绕组短路，双馈轴带电机切换至感应电机状态，控制器控制变速恒频装置工作，双馈轴带电机单机起动；双馈轴带电机转速达到设定范围，控制器控制接触器Ks2断开，双馈轴带电机三相定子绕组开路，双馈轴带电机切换至双馈电机状态，控制器控制变速恒频装置工作，进而控制接触器Ks1闭合，双馈轴带电机完成单机起动与并网，并拖动螺旋桨运行。所述的双馈轴带电机定子与螺旋桨之间设有用于柔性接排的离合器。控制器分别通过一个弱电控制回路连接至接触器Ks1和接触器Ks2，所述的弱电控制回路均包括一个继电器，继电器线圈分别连接控制器，继电器开关对应与接触器Ks1和接触器Ks2的线圈串联；控制器控制接触器Ks1或接触器Ks2对应的继电器线圈通电后，继电器开关闭合，进而接触器Ks1或接触器Ks2线圈通电，接触器Ks1或接触器Ks2闭合。所述的变速恒频装置包括网侧变流器和转子侧变流器，所述的网侧变流器与船舶电网连接，所述的转子侧变流器与双馈轴带电机转子连接，所述的网侧变流器和转子侧变流器通过两根直流母线连接，所述的直流母线直接跨接一个直流母线电容。一种双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进方法，该方法包括如下步骤：(1)系统启动，控制器控制接触器Ks1断开，接触器Ks2闭合，双馈轴带电机三相定子绕组短路，双馈轴带电机切换至感应电机状态；(2)控制器控制变速恒频装置，双馈轴带电机进行单机起动；(3)双馈轴带电机转速达到设定范围后，控制器控制接触器Ks2断开，双馈轴带电机三相定子绕组开路，双馈轴带电机切换至双馈电机状态，进而控制接触器Ks1闭合，双馈轴带电机并入船舶电网；(4)双馈轴带电机通过离合器与螺旋桨柔性接排并拖动螺旋桨运行。与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明对于传统的双馈式轴带系统通过设置接触器Ks1、接触器Ks2和控制器实现双馈轴带电机在感应电机和双馈电机两种工作模式下的切换，通过接触器Ks2将双馈轴带电机三相定子绕组短接使其工作于感应电机，实现双馈轴带电机的单机自启动，当转速运行至双馈电机启动速度范围后通过接触器Ks1和打开Ks2的切换使得双馈轴带电机转至双馈电机状态，实现了自启动，解决了轴带电机在主柴油机故障情况下独立起动与单机推进的技术问题，提高了船舶运行的安全性与可靠性；(2)本发明与全功率式轴带系统相比，双馈轴带电机经定子和转子两路向船舶电网回馈功率或从船舶电网吸收功率，而转子侧变流器仅有转差功率(额定状态下通常为定子侧功率的30％，由电机转差决定)，所以相同电机功率下，双馈变流器容量较全功率变流器小，则它的成本和体积相对小，技术经济性能更好。附图说明图1为本发明双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统的结构框图；图2为本发明接触器Ks2的接线示意图；图3为本发明双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的方法的流程框图；图4为本实施例500kW双馈式船舶混合轴带系统转矩特性；图5为本实施例500kW双馈式船舶混合轴带电机单机起动过程的转速仿真曲线。图中，1为船舶电网，2为双馈轴带电机，3为齿轮箱，4为螺旋桨，5为主柴油机，6为变速恒频装置，7为控制器，8为离合器，61为网侧变流器，62为转子侧变流器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1所示，一种双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进的系统，该系统包括螺旋桨4、双馈轴带电机2、变速恒频装置6和控制器7，双馈轴带电机2转子通过齿轮箱3连接螺旋桨4，齿轮箱3还连接有主柴油机5，双馈轴带电机2定子连接船舶电网1，变速恒频装置6连接在船舶电网1和双馈轴带电机2转子之间，控制器7连接变速恒频装置6，双馈轴带电机2定子与船舶电网1之间通过状态切换单元连接，状态切换单元包括用于将双馈轴带电机2三相定子绕组与船舶电网1接通与断开的接触器Ks1以及用于将双馈轴带电机2三相定子绕组短路和开路的接触器Ks2，接触器Ks1和接触器Ks2分别连接控制器7；控制器7控制接触器Ks1断开，接触器Ks2闭合，双馈轴带电机2三相定子绕组短路，双馈轴带电机2切换至感应电机状态，控制器7控制变速恒频装置6工作，双馈轴带电机2单机起动；双馈轴带电机2转速达到设定范围，控制器7控制接触器Ks2断开，双馈轴带电机2三相定子绕组开路，双馈轴带电机2切换至双馈电机状态，控制器7控制变速恒频装置6工作，进而控制接触器Ks1闭合，双馈轴带电机2完成单机起动与并网，并拖动螺旋桨4运行。双馈轴带电机2定子与螺旋桨4之间设有用于柔性接排的离合器8，该离合器8设置在双馈轴带电机2定子和齿轮箱3之间，同样，主柴油机5和齿轮箱3之间也设有一个离合器8。控制器7分别通过一个弱电控制回路连接至接触器Ks1和接触器Ks2，弱电控制回路均包括一个继电器，继电器线圈分别连接控制器7，继电器开关对应与接触器Ks1和接触器Ks2的线圈串联；控制器7控制接触器Ks1或接触器Ks2对应的继电器线圈通电后，继电器开关闭合，进而接触器Ks1或接触器Ks2线圈通电，接触器Ks1或接触器Ks2闭合。图2中所示为接触器Ks2的具体接线方式，接触器Ks2的进线端接电机定子的三相绕组A，B，C，出线端三相短接，即用导线实现a接b，b接c。变速恒频装置6包括网侧变流器61和转子侧变流器62，网侧变流器61与船舶电网1连接，转子侧变流器62与双馈轴带电机2转子连接，网侧变流器61和转子侧变流器62通过两根直流母线连接，直流母线直接跨接一个直流母线电容。如图3所示，一种双馈式船舶混合轴带电机单机起动与推进方法，该方法包括如下步骤：(S1)系统启动，将螺旋桨4通过离合器8与双馈轴带电机2脱排；(S2)控制器7控制接触器Ks1断开，接触器Ks2闭合，双馈轴带电机2三相定子绕组短路，双馈轴带电机2切换至感应电机状态；(S3)控制器7控制变速恒频装置6工作，双馈轴带电机2单机起动；(S4)判断双馈轴带电机2转速是否达到设定范围，若是执行步骤(S5)，否则返回步骤(S3)；(S5)控制器7控制接触器Ks2断开，双馈轴带电机2三相定子绕组开路，双馈轴带电机2切换至双馈电机状态；(S6)控制接触器Ks1闭合，控制器7控制变速恒频装置6工作将双馈轴带电机2并入船舶电网1；(S7)螺旋桨4通过离合器8与双馈轴带电机2柔性接排；(S8)控制器7控制变速恒频装置6工作使得双馈轴带电机2推进运行。以典型的500kW双馈式船舶混合轴带系统为例，利用MATLAB/simulink进行了建模与仿真以验证本发明的可行性与有效性。仿真系统及电机的主要参数分别如表1与表2所示。表1仿真系统参数主柴油机5额定功率2MW螺旋桨4额定功率1.5MW螺旋桨4额定转速216.7r/min直流母线额定电压700V转子侧变流器62额定容量160kVA变频器开关频率3kHz齿轮箱3转速比1:6表2双馈轴带电机2参数额定功率500kW定子额定线电压400V定子额定频率50Hz转子开路线电压1150V极对数3额定转速1300r/min转速运行范围700～1300r/min双馈轴带电机2可拖动螺旋桨4在700r/min～750r/min范围内低速运行，当转速超过750r/min后，由于螺旋桨4负载转矩超过电机最大转矩，轴带系统无法正常运行，双馈式船舶混合轴带系统转矩特性曲线如图4所示。双馈混合轴带系统单机起动过程中的转速仿真曲线如图5所示，其具体过程为：1)0～2.7s：在螺旋桨4与轴带电机离合器8脱排条件下闭合Ks2，然后控制转子侧变流器62通过变压变频方式起动感应电机模式运行的轴带电机；2)2.7～5s：电机转速在2s时上升到400r/min，受转子侧变流器62容量限制轴带电机进入弱磁运行区。在转子变流器控制下电机转矩开始减小但转速继续增加；3)5s～8s:当电机转速进入双馈电机正常运行范围时(5s后转速>700r/min)，控制电机定子电流减小到零，然后断开Ks2后将轴带电机恢复为双馈电机模式运行。接下来，通过转子侧变流器62控制轴带双馈电机起动与并网。在6s时，当电机定子电压与电网电压满足幅值、频率、相位相等的并网条件后合上Ks1，将轴带双馈电机并入船舶电网1。在6.4s时，控制电机转速从700r/min增加到750r/min，双馈轴带电机2完成单机起动过程；4)8s以后：完成轴带电机单机起动后，通过离合器8柔性接排逐渐将双馈轴带电机2与螺旋桨4连接起来，实现单机推进运行。当前第1页1 2 3