專利名稱：電液控制式船舶主機軸帶同步發(fā)電機裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種轉(zhuǎn)速變動的船舶主機可以帶動同步發(fā)電機發(fā)出頻率穩(wěn)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(qū)動三相同步發(fā)電機的發(fā)電柴油輔機。船舶主機的功率比發(fā)電用輔機的功率大得多，并且船舶主機是燃用價格便宜的重柴油的低速柴油機，發(fā)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(fā)電輔機，可以充分利用主機的功率容量，節(jié)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(fā)電輔機的維修工作量，還可減少船舶機艙的被占空間及降低噪音，改善船舶輪機管理人員的工作環(huán)境。因此，船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置被船運界認為是船舶節(jié)能及降低營運費用的主要技術(shù)措施之一。但是，船舶主機在運行時要按照船舶航行或作業(yè)的需要而經(jīng)常變速變工況，而為了保證船舶電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定，又要求同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和機端電壓穩(wěn)定。為了解決這一問題，至今為止已知的主要技術(shù)方法有兩種。一種是用電磁滑差離合器作為聯(lián)結(jié)船舶主機和同步發(fā)電機的中間環(huán)節(jié)，在船舶主機的轉(zhuǎn)速變化時通過調(diào)節(jié)電磁滑差離合器的勵磁電流以保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，同步發(fā)電機中配置的自勵恒壓裝置則保證電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。但這種電磁滑差離合器式的船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置的傳動效率較低，能使發(fā)電機正常發(fā)電的主機轉(zhuǎn)速變化范圍小，發(fā)電機的功率也難以提高，因而至今只有少數(shù)小型船舶采用。另一種方法是，船舶主機的轉(zhuǎn)軸經(jīng)升速齒輪箱直接帶動交流發(fā)電機發(fā)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(wěn)定的工頻交流電能，這種頻率的穩(wěn)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(xiàn)的。為了減少變頻器產(chǎn)生的諧波對船舶電網(wǎng)造成過分嚴重的污染，需在逆變器的出口經(jīng)過交流電抗器接入電網(wǎng)。再用另一臺同步電機接于船舶電網(wǎng)中作為同步調(diào)相機用，以向船舶電網(wǎng)提供所需的無功功率。自動調(diào)節(jié)同步調(diào)相機的勵磁電流以保證船舶電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。同步調(diào)相機的另一個重要作用是在電網(wǎng)發(fā)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(wǎng)的短路保護裝置能可靠的動作。為使同步調(diào)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(diào)相機，船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置正常工作之后，同步調(diào)相機再與它的啟動裝置脫離。這種船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置是目前國內(nèi)外研究的主要方向。但這種形式的船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復雜，造價很高，控制環(huán)節(jié)也很復雜，對其進行維護檢修所需的技術(shù)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(nèi)外仍只有少數(shù)大型船舶采用，很難在各種船舶中大面積推廣采用。
本實用新型的目的是采用電液控制式的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩自動控制系統(tǒng)作為聯(lián)接船舶主機與同步發(fā)電機的中間環(huán)節(jié)，使得船舶主機能以高的傳動效率直接帶動同步發(fā)電機發(fā)電。當船舶主機的轉(zhuǎn)速變化或同步發(fā)電機的輸出功率變化時，電液控制式的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩自動控制系統(tǒng)能維持同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，使這種新型的船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置的效果與同步發(fā)電機直接由發(fā)電柴油輔機驅(qū)動時的效果一樣，且發(fā)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(fā)電裝置相比，結(jié)構(gòu)和控制則大大簡化。這種新型船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置能在各種船舶上普遍采用，以達到船舶節(jié)能和降低營運費用，改善船舶機艙工作環(huán)境的目的。
實現(xiàn)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(diào)速回路，在船舶主機驅(qū)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(fā)電機轉(zhuǎn)子聯(lián)接的液壓馬達旋轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)船舶主機帶動同步發(fā)電機發(fā)電。在發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸中加一轉(zhuǎn)速測量盤，轉(zhuǎn)速測量控制裝置通過對測量盤的轉(zhuǎn)速的測量，將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號與給定的同步轉(zhuǎn)速信號進行比較，所得到的差值信號經(jīng)過放大、運算后，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(fā)電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。在船舶主機的某一轉(zhuǎn)速和同步發(fā)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(lián)接的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速維持同步轉(zhuǎn)速運行。當船舶主機的轉(zhuǎn)速升高時，電液伺服變量液壓泵的轉(zhuǎn)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(lián)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高。轉(zhuǎn)速測量裝置將測到的轉(zhuǎn)速信號與給定的同步轉(zhuǎn)速信號比較，并將差值信號放大、運算后輸出一個控制信號，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(fā)電機的轉(zhuǎn)速回落到同步轉(zhuǎn)速并維持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，而液壓系統(tǒng)的工作壓力則由與發(fā)電機的有功負載所決定的液壓馬達的負載轉(zhuǎn)矩的大小所決定。當船舶主機的轉(zhuǎn)速降低時，電液伺服變量液壓泵的轉(zhuǎn)速也隨之降低使其輸出流量減小，導致液壓馬達和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速降低。此時，轉(zhuǎn)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(fā)電機的轉(zhuǎn)速升高到同步轉(zhuǎn)速并維持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。在閉式容積液壓調(diào)速回路中，液壓馬達的轉(zhuǎn)速由液壓泵的輸出流量所決定，而液壓系統(tǒng)的工作壓力則由液壓馬達的負載轉(zhuǎn)矩所決定。因此，當船舶主機的轉(zhuǎn)速不變而發(fā)電機的有功負載增大時，液壓馬達的負載轉(zhuǎn)矩也增大，使液壓系統(tǒng)的工作壓力升高，從而，船舶主機向軸帶同步發(fā)電機裝置的輸出功率也增大。當船舶主機的轉(zhuǎn)速不變而發(fā)電機的有功負載減小時，液壓系統(tǒng)的工作壓力相應降低，船舶主機軸帶同步發(fā)電機裝置的輸出功率也相應減小。由于船舶航行或作業(yè)的需要，當船舶主機的轉(zhuǎn)速要降低到變量液壓泵所允許的最低工作轉(zhuǎn)速以下時，在船舶主機發(fā)出降速或停車指令的同時，啟動輔助柴油發(fā)電機組，并進行發(fā)電機組的并車，有功和無功負載的轉(zhuǎn)移操作，使主機軸帶同步發(fā)電機處于空栽狀態(tài)。然后，通過一電磁換向閥使液壓系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，以便主機軸帶交流發(fā)電裝置退出運行。
在船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)速自動測量控制回路中，并聯(lián)上一套可以手動轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速手動調(diào)節(jié)回路，通過它可以手動調(diào)節(jié)以使同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速能在其額定轉(zhuǎn)速的±5％范圍內(nèi)變化。手動調(diào)節(jié)裝置是一個電子電路構(gòu)成的電流發(fā)生器，通過手動調(diào)節(jié)電位器可以改變輸出電流的大小而作用于電液伺服閥，這樣就可以實現(xiàn)手動小范圍無級調(diào)速，以滿足同步發(fā)電機組并聯(lián)運行操作的需要。
按照本實用新型制造的船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置，可使變速變工況運行的船舶主機能帶動要求恒速運行的同步發(fā)電機直接發(fā)出工頻電能。由于液壓調(diào)速系統(tǒng)的反應速度快，慣性小，因此這種主機軸帶交流發(fā)電裝置的頻率穩(wěn)定性好，船舶主機轉(zhuǎn)速在較大的范圍內(nèi)變化時都能維持同步發(fā)電機的正常運行，并且，發(fā)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(fā)電裝置的容量時，就可使這種主機軸帶交流發(fā)電裝置作為船舶電力系統(tǒng)中的主電源，以使能在船舶的各種航行工況下運行發(fā)電。這樣，可大大節(jié)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(jié)約能源。同時，也大大地改善了船舶機艙的工作環(huán)境。與電磁滑差離合器式的船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置相比，發(fā)電機允許的主機轉(zhuǎn)速變化范圍大，效率大大提高且制造容量不受限制。與變頻器式的船舶主機軸帶交流發(fā)電裝置相比，不必采用同步調(diào)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(wǎng)沒有諧波污染，工作可靠性也明顯提高，對其進行維修所需的技術(shù)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(fā)電裝置的原理結(jié)構(gòu)圖。附圖1中的各標號表示1發(fā)電機電氣控制柜；2同步發(fā)電機；3發(fā)電機轉(zhuǎn)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(tǒng)控制柜；9主機與螺旋槳聯(lián)接軸；10螺旋槳。說明書附圖2是集成式靜壓閉式循環(huán)容積調(diào)速液壓系統(tǒng)工作原理圖。附圖2中的各標號表示1同步發(fā)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(fā)電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定自動控制系統(tǒng)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(fā)電機。
本實用新型適用于主機為柴油機的所有水面船舶，特別適用于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。在設計和制造船舶時，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。實施本實用新型之后，船舶在正常運行時軸帶交流發(fā)電裝置即可運行發(fā)電。若在選擇船舶主機的額定容量時已計及軸帶交流發(fā)電裝置的容量，則實施本實用新型之后，主機軸帶交流發(fā)電裝置可作為船舶電力系統(tǒng)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(fā)電輔機發(fā)電。本實用新型也適用于船舶電網(wǎng)完全由柴油發(fā)電輔機供電的已營運船舶的改造。由于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(fā)電用柴油輔機。在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸中加一轉(zhuǎn)速測量盤，在船舶主機聯(lián)接螺旋槳的轉(zhuǎn)軸中加一齒輪箱，并用集成式靜壓閉式循環(huán)容積調(diào)速液壓系統(tǒng)將發(fā)電機與齒輪箱聯(lián)接，再加上相應的控制裝置即可。
權(quán)利要求1.一種采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(diào)速回路作為變速恒頻傳動環(huán)節(jié)的電液式船舶主機軸帶同步發(fā)電機裝置，其特征是，船舶主機轉(zhuǎn)軸通過齒輪箱帶動電液伺服變量液壓泵，液壓馬達通過聯(lián)軸器驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，由電子電路和位于發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量盤組成的光電測速與控制裝置測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，將所得到的轉(zhuǎn)速電信號與給定的轉(zhuǎn)速電信號進行比較和運算后，輸出一控制信號去調(diào)節(jié)位于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(zhuǎn)速改變導致泵的轉(zhuǎn)速改變時泵的輸出流量不變，從而維持液壓馬達和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電液控制式船舶主機軸帶發(fā)電機裝置，其特征是，在變量液壓泵的流量輸出自動控制回路中，并聯(lián)了一套由電子電路構(gòu)成電流發(fā)生器的手動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，自動調(diào)節(jié)裝置與手動調(diào)節(jié)裝置通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接到電液伺服裝置中以便進行切換，手動調(diào)節(jié)裝置的輸出端通過電位器手動調(diào)節(jié)輸出量以改變電液伺服閥的開度來調(diào)節(jié)液壓馬達和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，以滿足同步發(fā)電機并聯(lián)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(fā)電機發(fā)出恒頻電能的船用電源裝置。它是船舶主機轉(zhuǎn)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(lián)接成閉式容積液壓調(diào)速回路，液壓馬達通過聯(lián)軸器驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。光電測速與控制裝置將發(fā)電機轉(zhuǎn)速變換成電信號后與給定的轉(zhuǎn)速信號進行比較，將差值信號放大和運算后輸出一控制信號去調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速變化時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日1997年11月12日
發(fā)明者施漢基, 張世亮, 王榮輝 申請人:湛江海洋大學工程學院