電液控制式船舶主機軸帶同步發電機裝置的製作方法

2023-05-24 19:21:26

專利名稱：電液控制式船舶主機軸帶同步發電機裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種轉速變動的船舶主機可以帶動同步發電機發出頻率穩定的交流電能的船用電源裝置。
一般的船舶上都有一臺推動螺旋槳的低速柴油主機和二至三臺驅動三相同步發電機的發電柴油輔機。船舶主機的功率比發電用輔機的功率大得多，並且船舶主機是燃用價格便宜的重柴油的低速柴油機，發電用輔機則是燃用價格昂貴的輕柴油的高速柴油機。用船舶主機取代一臺柴油發電輔機，可以充分利用主機的功率容量，節約能源，降低船舶的燃料費用和潤滑油消耗量，減少對一臺高速柴油發電輔機的維修工作量，還可減少船舶機艙的被佔空間及降低噪音，改善船舶輪機管理人員的工作環境。因此，船舶主機軸帶交流發電裝置被船運界認為是船舶節能及降低營運費用的主要技術措施之一。但是，船舶主機在運行時要按照船舶航行或作業的需要而經常變速變工況，而為了保證船舶電網的頻率和電壓穩定，又要求同步發電機的轉速和機端電壓穩定。為了解決這一問題，至今為止已知的主要技術方法有兩種。一種是用電磁滑差離合器作為聯結船舶主機和同步發電機的中間環節，在船舶主機的轉速變化時通過調節電磁滑差離合器的勵磁電流以保證發電機的轉速穩定，從而保證電網的頻率穩定，同步發電機中配置的自勵恆壓裝置則保證電網的電壓穩定。但這種電磁滑差離合器式的船舶主機軸帶交流發電裝置的傳動效率較低，能使發電機正常發電的主機轉速變化範圍小，發電機的功率也難以提高，因而至今只有少數小型船舶採用。另一種方法是，船舶主機的轉軸經升速齒輪箱直接帶動交流發電機發出頻率變動的電能，由整流器和逆變器組成的變頻器將頻率變動的電能變成頻率穩定的工頻交流電能，這種頻率的穩定是通過一套自動檢測控制裝置控制逆變器中晶閘管的逆變角而實現的。為了減少變頻器產生的諧波對船舶電網造成過分嚴重的汙染，需在逆變器的出口經過交流電抗器接入電網。再用另一臺同步電機接於船舶電網中作為同步調相機用，以向船舶電網提供所需的無功功率。自動調節同步調相機的勵磁電流以保證船舶電網的電壓穩定。同步調相機的另一個重要作用是在電網發生短路、逆變器快速閉鎖時，向短路點供應足夠大的短路電流，以保證電網的短路保護裝置能可靠的動作。為使同步調相機能啟動，需用一臺專用異步電動機或通過電磁離合器用船舶主機來啟動同步調相機，船舶主機軸帶交流發電裝置正常工作之後，同步調相機再與它的啟動裝置脫離。這種船舶主機軸帶交流發電裝置是目前國內外研究的主要方向。但這種形式的船舶主機軸帶交流發電裝置結構複雜，造價很高，控制環節也很複雜，對其進行維護檢修所需的技術要求船舶輪機管理人員很難達到，工作可靠性也不夠高且體積仍較龐大。因此，至今國內外仍只有少數大型船舶採用，很難在各種船舶中大面積推廣採用。
本實用新型的目的是採用電液控制式的轉速和轉矩自動控制系統作為聯接船舶主機與同步發電機的中間環節，使得船舶主機能以高的傳動效率直接帶動同步發電機發電。當船舶主機的轉速變化或同步發電機的輸出功率變化時，電液控制式的轉速和轉矩自動控制系統能維持同步發電機的轉速穩定，使這種新型的船舶主機軸帶交流發電裝置的效果與同步發電機直接由發電柴油輔機驅動時的效果一樣，且發電機的容量可按需要配置而不受限制。與變頻式船舶主機軸帶交流發電裝置相比，結構和控制則大大簡化。這種新型船舶主機軸帶交流發電裝置能在各種船舶上普遍採用，以達到船舶節能和降低營運費用，改善船舶機艙工作環境的目的。
實現本實用新型的方法是用電液伺服變量液壓泵和定量液壓馬達組成閉式液壓容積調速迴路，在船舶主機驅動螺旋槳的主軸中加一齒輪箱，齒輪箱的主動輪軸由船舶主機帶動，從動輪軸帶動液壓泵，液壓泵帶動與發電機轉子聯接的液壓馬達旋轉，這樣就實現船舶主機帶動同步發電機發電。在發電機的轉軸中加一轉速測量盤，轉速測量控制裝置通過對測量盤的轉速的測量，將發電機的轉速信號與給定的同步轉速信號進行比較，所得到的差值信號經過放大、運算後，輸出一個控制信號，去控制電液伺服閥，使其自動改變電液伺服變量液壓泵的排量，以控制液壓泵的輸出流量，使與定量液壓馬達連接的發電機的轉速穩定。在船舶主機的某一轉速和同步發電機的某一有功負載下，變量液壓泵的輸出流量為一定值，使與定量液壓馬達聯接的同步發電機的轉速維持同步轉速運行。當船舶主機的轉速升高時，電液伺服變量液壓泵的轉速也隨著升高使其輸出流量增大，導致定量液壓馬達和與其相聯的發電機轉速升高。轉速測量裝置將測到的轉速信號與給定的同步轉速信號比較，並將差值信號放大、運算後輸出一個控制信號，使電液伺服變量液壓泵的排量自動減少，這樣，泵的輸出流量減小，從而使液壓馬達和發電機的轉速回落到同步轉速並維持轉速的穩定，而液壓系統的工作壓力則由與發電機的有功負載所決定的液壓馬達的負載轉矩的大小所決定。當船舶主機的轉速降低時，電液伺服變量液壓泵的轉速也隨之降低使其輸出流量減小，導致液壓馬達和發電機的轉速降低。此時，轉速自動測量控制裝置將輸出一控制信號，使電液伺服變量液壓泵的排量增大，從而使液壓馬達和發電機的轉速升高到同步轉速並維持轉速的穩定。在閉式容積液壓調速迴路中，液壓馬達的轉速由液壓泵的輸出流量所決定，而液壓系統的工作壓力則由液壓馬達的負載轉矩所決定。因此，當船舶主機的轉速不變而發電機的有功負載增大時，液壓馬達的負載轉矩也增大，使液壓系統的工作壓力升高，從而，船舶主機向軸帶同步發電機裝置的輸出功率也增大。當船舶主機的轉速不變而發電機的有功負載減小時，液壓系統的工作壓力相應降低，船舶主機軸帶同步發電機裝置的輸出功率也相應減小。由於船舶航行或作業的需要，當船舶主機的轉速要降低到變量液壓泵所允許的最低工作轉速以下時，在船舶主機發出降速或停車指令的同時，啟動輔助柴油發電機組，並進行發電機組的並車，有功和無功負載的轉移操作，使主機軸帶同步發電機處於空栽狀態。然後，通過一電磁換向閥使液壓系統處於卸荷狀態，以便主機軸帶交流發電裝置退出運行。
在船舶主機軸帶交流發電裝置的轉速自動測量控制迴路中，並聯上一套可以手動轉換的轉速手動調節迴路，通過它可以手動調節以使同步發電機的轉速能在其額定轉速的±5％範圍內變化。手動調節裝置是一個電子電路構成的電流發生器，通過手動調節電位器可以改變輸出電流的大小而作用於電液伺服閥，這樣就可以實現手動小範圍無級調速，以滿足同步發電機組並聯運行操作的需要。
按照本實用新型製造的船舶主機軸帶交流發電裝置，可使變速變工況運行的船舶主機能帶動要求恆速運行的同步發電機直接發出工頻電能。由於液壓調速系統的反應速度快，慣性小，因此這種主機軸帶交流發電裝置的頻率穩定性好，船舶主機轉速在較大的範圍內變化時都能維持同步發電機的正常運行，並且，發電機的有功功率輸出可以從零到額定功率之間變化。如果在選擇船舶主機時考慮了軸帶交流發電裝置的容量時，就可使這種主機軸帶交流發電裝置作為船舶電力系統中的主電源，以使能在船舶的各種航行工況下運行發電。這樣，可大大節省船舶的燃料費用和潤滑油耗量，省去對一臺高速柴油輔機的維護工作，從而大大降低船舶的營運費用，節約能源。同時，也大大地改善了船舶機艙的工作環境。與電磁滑差離合器式的船舶主機軸帶交流發電裝置相比，發電機允許的主機轉速變化範圍大，效率大大提高且製造容量不受限制。與變頻器式的船舶主機軸帶交流發電裝置相比，不必採用同步調相機作為無功電源，且造價大大降低和體積減小，控制方式大為簡化，對船舶電網沒有諧波汙染，工作可靠性也明顯提高，對其進行維修所需的技術要求明顯降低。
說明書附

圖1是電液控制式船舶主機軸帶交流發電裝置的原理結構圖。附圖1中的各標號表示1發電機電氣控制櫃；2同步發電機；3發電機轉速光電檢測裝置；4船舶柴油主機；5定量液壓馬達；6電液伺服變量液壓泵；7齒輪增速箱；8液壓系統控制櫃；9主機與螺旋槳聯接軸；10螺旋槳。說明書附圖2是集成式靜壓閉式循環容積調速液壓系統工作原理圖。附圖2中的各標號表示1同步發電機；2集成式定量液壓馬達組；3兩位四通電磁換向閥；4集成式電液伺服變量液壓泵；5船舶柴油主機；6、7低壓溢流閥；8輔助泵；9、10高壓溢流閥。說明書附圖3是發電機轉速穩定自動控制系統原理圖。附圖3中的各標號表示1電液伺服閥；2變量液壓泵；3定量液壓馬達；4同步發電機。
本實用新型適用於主機為柴油機的所有水面船舶，特別適用於排水量千噸以上的大、中型船舶和排水量二百噸以下、機艙面積特別窄小的小型船舶。在設計和製造船舶時，船舶主機的功率是按照螺旋槳的最大推力要求選擇額定功率的，而在正常航行時船舶主機的功率一般都未達到滿功率。實施本實用新型之後，船舶在正常運行時軸帶交流發電裝置即可運行發電。若在選擇船舶主機的額定容量時已計及軸帶交流發電裝置的容量，則實施本實用新型之後，主機軸帶交流發電裝置可作為船舶電力系統中的主電源，只有在船舶停靠碼頭或拋錨，主機停止運行時才由柴油發電輔機發電。本實用新型也適用於船舶電網完全由柴油發電輔機供電的已營運船舶的改造。由於液壓管路的安裝布置可因地制宜，因此在實施本實用新型進行改造時，只需拆去一臺發電用柴油輔機。在發電機轉軸中加一轉速測量盤，在船舶主機聯接螺旋槳的轉軸中加一齒輪箱，並用集成式靜壓閉式循環容積調速液壓系統將發電機與齒輪箱聯接，再加上相應的控制裝置即可。
權利要求1.一種採用電液伺服變量液壓泵和定量液壓馬達組成閉式容積液壓調速迴路作為變速恆頻傳動環節的電液式船舶主機軸帶同步發電機裝置，其特徵是，船舶主機轉軸通過齒輪箱帶動電液伺服變量液壓泵，液壓馬達通過聯軸器驅動發電機發電，由電子電路和位於發電機轉軸的轉速測量盤組成的光電測速與控制裝置測量發電機的轉速，將所得到的轉速電信號與給定的轉速電信號進行比較和運算後，輸出一控制信號去調節位於變量泵中的電液伺服裝置來改變變量泵的排量，使得主機的轉速改變導致泵的轉速改變時泵的輸出流量不變，從而維持液壓馬達和發電機的轉速穩定。
2.根據權利要求1所述的電液控制式船舶主機軸帶發電機裝置，其特徵是，在變量液壓泵的流量輸出自動控制迴路中，並聯了一套由電子電路構成電流發生器的手動轉速調節裝置，自動調節裝置與手動調節裝置通過轉換開關接到電液伺服裝置中以便進行切換，手動調節裝置的輸出端通過電位器手動調節輸出量以改變電液伺服閥的開度來調節液壓馬達和發電機的轉速，以滿足同步發電機並聯運行操作的需要。
專利摘要一種變速運行的船舶主機帶動同步發電機發出恆頻電能的船用電源裝置。它是船舶主機轉軸通過齒輪箱帶動電液伺服變量液壓泵，此泵與定量液壓馬達聯接成閉式容積液壓調速迴路，液壓馬達通過聯軸器驅動發電機發電。光電測速與控制裝置將發電機轉速變換成電信號後與給定的轉速信號進行比較，將差值信號放大和運算後輸出一控制信號去調節變量泵中的電液伺服裝置來改變泵的相應排量，以保證船舶主機轉速變化時發電機的轉速穩定。
文檔編號H02K7/18GK2355494SQ97248448
公開日1999年12月22日 申請日期1997年11月12日 優先權日1997年11月12日
發明者施漢基, 張世亮, 王榮輝 申請人:湛江海洋大學工程學院