專利名稱：包括具有發(fā)動機和逆變器/整流器的異步電機的單獨的電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單獨使用的電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個例如燃氣輪機或柴油機的主發(fā)動機，由主發(fā)動機驅(qū)動并產(chǎn)生第一交流電壓的發(fā)電機，將由發(fā)電機產(chǎn)生的第一交流電壓變換為DC母線上的直流電壓的第一整流器裝置，和至少一個將DC母線上的直流電壓變換為第二交流電壓的逆變(變流)器(invertor)裝置。
根據(jù)以上所述，本發(fā)明涉及一種單獨使用的電力系統(tǒng)，它意指例如船舶上或如位于一個荒涼的、與其它電力網(wǎng)隔離的場所的電力系統(tǒng)。上述用于船舶上的電力系統(tǒng)，從例如歐洲專利97185可得知。該文獻公開了一種同步發(fā)電機用作由主發(fā)動機的軸驅(qū)動的軸傳動發(fā)電機，該同步發(fā)電機向兩個電力網(wǎng)供電。在一個電力網(wǎng)中，其電壓和頻率由軸傳動發(fā)電機的電壓和頻率確定，即它們直接取決于船舶主發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)速度。對于另一個電力網(wǎng)，由一個AC變流器裝置提供電能，該AC變流器包括一個整流器電路和一個逆變器電路，通過它產(chǎn)生具有恒定幅值和頻率的交流電壓。這兩個獨立的電力網(wǎng)被這樣使用，以便于船舶的主要執(zhí)行機構(gòu)，如電動機、泵、壓縮機、通風和冷卻系統(tǒng)等可直接從由同步發(fā)電機供電的電網(wǎng)獲得電能，而無線電設備、導航系統(tǒng)和照明所需電能通過AC變流器裝置得到。
上述的公知系統(tǒng)存在著缺陷。例如，必須配置一個單獨的電源電路和一個單獨的電動機以便能夠啟動主發(fā)動機。還可能產(chǎn)生另一個主要的問題，由逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不一定高品質(zhì)，即它含有諧波，這對于許多應用有害。還有，在主發(fā)動機故障時，如果沒有甚至在例如主發(fā)動機故障時也能驅(qū)動船舶螺旋槳的輔助發(fā)動機或某些裝置，該系統(tǒng)也是易損壞的。
美國專利4,883,973和4,330,743分別闡述了一種用于車輛和飛機的電力系統(tǒng)，在這兩個系統(tǒng)中，同一電機當車輛或飛機的主發(fā)動機，即電動機起動時用作電動機，而在電動機起動后當作產(chǎn)生供給電力系統(tǒng)電能的發(fā)電機。在美國專利4,883,973中，電機是通過雙型(bimodal)齒輪系與異步電機連接的。齒輪系在起動模式期間以減速驅(qū)動工作，而在發(fā)電模式期間以直接驅(qū)動工作。當車輛電動機被起動時，異步電機的轉(zhuǎn)速必須由一個測速儀記錄下來以便實現(xiàn)在由基于計算機的控制器控制的逆變器裝置中的反饋控制饋送給異步電機，使得該裝置能在輸出電壓中保持期望的電壓/頻率比率。在美國專利4,330,743中描述的用在飛機電力系統(tǒng)中的電機是一個通過一個具有液力變矩器的驅(qū)動裝置連接到飛機發(fā)動機的同步電機。當飛機發(fā)動機被起動，同步電機用作電動機，由此向同步電機供電的逆變器裝置需要關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)。當飛機發(fā)動機被起動時，同步電機作為電動機運行，并且其速率首先上升到運行轉(zhuǎn)速。在這之后，液力變扭器被用來逐漸加速飛機發(fā)動機到一個期望的速率以便起動發(fā)動機。
雖然美國專利4,883,973和4,330,743中描述了同一個電機當主發(fā)動機被起動時用作電動機并且當主發(fā)動機運行時用作發(fā)電機，在兩個公開文獻的裝置中尤其是用作電動機時需要昂貴而笨重的電氣控制裝置，該控制裝置包括一個測速儀或轉(zhuǎn)子位置傳感器，和扭矩變換器及齒輪機構(gòu)。被使用的扭矩變換器和齒輪機構(gòu)是這樣的，它們不能適當?shù)赜糜诟吖β实膫魉?，例如兆瓦。而且，從兩個公開文獻中得知的電力系統(tǒng)的運行是基于從例如電池獲得的直流電壓源的。這種裝置一定程度上限制了這些系統(tǒng)的應用。
本發(fā)明的目的在于提供一種電力系統(tǒng)，它被設計單獨使用，并且其中克服了上述已知系統(tǒng)的缺陷和問題。這通過根據(jù)本發(fā)明的電力系統(tǒng)來實現(xiàn)，其特征在于由主發(fā)動機驅(qū)動的用于產(chǎn)生第一交流電的發(fā)電機是一個直接與主發(fā)動機的轉(zhuǎn)軸連接的異步電機，并且第一整流器裝置也包括一個逆變器部分，它用于將DC母線上的直流電壓變換為加到所述異步電機的可調(diào)頻的交流電壓，以便將電機用作電動機。根據(jù)系統(tǒng)其余部分的結(jié)構(gòu)，還有幾種將所述異步電機用作電動機的局部變更的原因。例如，當電機用作電動機時，在主發(fā)動機故障的情況下，不管該主發(fā)動機是燃氣輪機或柴油機，燃氣輪機可用作主發(fā)動機被起動，或船舶的螺槳軸可作為“備用(take-me-home)電動機而被驅(qū)動。
當異步電機被用作與主發(fā)動機的軸連接的軸傳動發(fā)電機時，產(chǎn)生了這樣一種情況同一電機既可用作起動作為主發(fā)動機的燃氣輪機的電動機，又可用作產(chǎn)生來自主發(fā)動機的軸的電力的發(fā)電機。這可以簡化系統(tǒng)，并且減少了所需的部件的數(shù)量。而且，異步電機，例如鼠籠或感應電動機，比同步電動機便宜很多，并且需要明顯更少的維護。
本發(fā)明的電力系統(tǒng)可被設計為還包括用于產(chǎn)生在AC母線上的第三交流電壓的柴油機/同步發(fā)電機組，和一個第二整流器裝置。它用于將第三交流電壓轉(zhuǎn)換為在所述DC母線上的直流電壓，以便于當電機用作電動機時它還能在第一整流器裝置中的變流器部分變換為加到所述異步電機的交流電壓。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所需的輔助電力，例如起動主發(fā)動機的電力，可以通過柴油機/同步發(fā)電機組產(chǎn)生。而且，當需要時，例如在主發(fā)動機故障的情況下，系統(tǒng)可以產(chǎn)生電力供給船舶的其它電力網(wǎng)和通過上述配置與主發(fā)動機的軸連接的電動機，以便于按照這種方式船舶的螺旋槳能夠被驅(qū)動，即使是在很低的轉(zhuǎn)速。然而，這是“備用”配置的結(jié)果。
本發(fā)明的電力系統(tǒng)可以被設計為還包括一個被安排機械地隨著同步發(fā)電機的軸運轉(zhuǎn)的電動機，電動機被安排用來接收由逆變器裝置產(chǎn)生的第二交流電壓并驅(qū)動同步發(fā)電機，從而使其產(chǎn)生所述在AC母線上的第三交流電壓；和安裝在所述柴油機/同步發(fā)電機組的部件之間的一個開關(guān)，從而在同步發(fā)電機的負載從柴油機傳送到所述電動機后，使同步發(fā)電機與柴油機分離。
一個同樣的配置，其中最初由柴油機驅(qū)動的同步發(fā)電機被安排為由電動機驅(qū)動，使得當主發(fā)動機，例外地，不能使用時，柴油機僅作為輔助發(fā)動機使用。這種配置的另一個結(jié)果是在AC母線上提供的電壓由一個單獨的同步發(fā)電機供電因而不是由逆變器裝置產(chǎn)生的電力，這意味著，例如，它沒有任何諧波。
下述的本發(fā)明的電力系統(tǒng)和其具有的優(yōu)點將參照附圖
詳細描述，該圖通過一個實例示出根據(jù)本發(fā)明的電力系統(tǒng)的一個實施例的總配電系統(tǒng)圖。
下面在附圖中描述的根據(jù)本發(fā)明的電力系統(tǒng)將在這樣的一個狀態(tài)下描述，其中所涉及的電力系統(tǒng)還沒有運行，即它的主發(fā)動機14還沒有被起動。在這種起動狀態(tài)，至少柴油機1和8中的一個首先被起動。柴油機分別驅(qū)動同步發(fā)電機2和7，通過它產(chǎn)生加到一個主配電盤或AC母線17上的交流電壓。在所涉及的船舶上，由柴油機/同步發(fā)電機組產(chǎn)生的電力也可以由一供電電源所替代，它在圖中由標號4表示。柴油機/同步發(fā)電機組8,7和1,2分別通過開關(guān)5和3與AC母線17相連接。
當主發(fā)動機14將起動時，將AC母線17上的電壓連通到整流器裝置11的開關(guān)6閉合，整流器裝置將AC母線17的交流電壓變換為DC母線18上的直流電壓。圖中示出一些連接到DC母線18上的逆變器裝置10和15，逆變器裝置被用來產(chǎn)生用于其它目的的期望頻率的交流電壓。這將在下面詳細討論，在DC母線18上還經(jīng)由開關(guān)24連接著一個產(chǎn)生可調(diào)頻的交流電壓19的逆變器裝置12，該交流電壓被提供給異步電機13，在這里它用作電動機。電動機13的軸被機械地連接為與主發(fā)動機14的軸一起旋轉(zhuǎn)。這個連接是直接連接，即它不含有任何齒輪或開關(guān)。主發(fā)動機14可以是例如燃氣輪機或大型柴油機。
由于用作主發(fā)動機14的燃氣輪機的軸被電動機13驅(qū)動，燃氣輪機將被起動。由于提高(drive-up)轉(zhuǎn)速，由逆變器裝置12產(chǎn)生的交流電壓的頻率根據(jù)一個合適的斜率被控制上升，以使得電動機13能夠按一個合適的轉(zhuǎn)差率使用，而與頻率無關(guān)。當主發(fā)動機是柴油機時，它按普通的操作程序，例如利用壓縮空氣，被起動。當主發(fā)動機14在運行時，并且電動機13的旋轉(zhuǎn)頻率升高到超過由逆變器裝置12產(chǎn)生的交流電壓的頻率，異步電機13起到發(fā)電機的作用并開始通過逆變器裝置12向DC母線18輸送回電力，逆變(換流)器單元12這時被控制用作整流器。由發(fā)電機13產(chǎn)生的交流電壓由逆變器裝置12通過改變轉(zhuǎn)差率而調(diào)節(jié)。則發(fā)電機13的轉(zhuǎn)速能夠大范圍地改變而不會影響由逆變(變流)器裝置12整流的在DC母線18上的直流電壓值。DC母線18則既從AC母線17又從發(fā)電機13供電。
下一步起動經(jīng)由逆變器裝置10連接到DC母線18上的電動機9，電動機被機械地連接以隨著柴油機/同步發(fā)電機組8,7的同步發(fā)電機7的軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機7的負荷則從柴油機8轉(zhuǎn)移到電動機9，由此安裝在柴油機8和同步發(fā)電機7之間的軸上的開關(guān)22斷開。由電動機9驅(qū)動的同步發(fā)電機7則產(chǎn)生交流電壓21在AC線17上。當柴油機8利用開關(guān)22由同步發(fā)電機7斷開時，該發(fā)動機可以被停機。由它所驅(qū)動的同步發(fā)電機2和柴油機1也被停機并利用開關(guān)3從AC母線上斷開。柴油機/同步發(fā)電機組1,2被連接到系統(tǒng)主要是提供冗余但沒有絕對必要承擔根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的最主要的運行負荷。當然，主發(fā)動機故障或也許甚至柴油機8故障的情況下，船舶的電力系統(tǒng)能保持運行并且電動機13能夠由柴油機/同步發(fā)電機組1,2供電，從而按照這種方式也能實現(xiàn)上述的“備用”配置。
現(xiàn)在回到上述的狀態(tài)，其中開關(guān)3斷開，開關(guān)6，通過它在起動模式期間電能從AC母線17提供到DC母線18，接著也被斷開。在連續(xù)的正常應用中，系統(tǒng)的總電力-不管系統(tǒng)是船舶式還是例如偏僻的發(fā)電廠式一這里都從由主發(fā)動機14驅(qū)動的發(fā)電機13獲得，而無需使用其它柴油機組。然而，如果變流器系統(tǒng)12或發(fā)電機13運行不良，柴油機1和8則在起動柴油機所需的一段時間后準備提供AC和DC母線所需的電能。與同一電站連接的其它用戶可通過例如開關(guān)16與AC母線相連，和通過與開關(guān)23相連的變流器裝置15與DC母線18相連。“大型”發(fā)動機可通過變流器裝置15在它們的額定電流下起動。
本發(fā)明的電力系統(tǒng)所具有的主要優(yōu)點是為系統(tǒng)供電的發(fā)電機和起動燃氣輪機主發(fā)動機的電動機是同一個異步電機，通常為一個典型的鼠籠式感應電機，它成本低(cost-effective)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，使用壽命長。異步電機直接連接到主發(fā)動機的軸上，并且無需齒輪或開關(guān)裝置。其基礎是任何所需的調(diào)整，當異步電機作為電動機運行時供電電壓的調(diào)頻和當異步電機作為發(fā)電機運行時整流器母線的調(diào)壓，可利用逆變(變流)器裝置12用電氣方式執(zhí)行。如上所述，異步電機13還可用作“備用”電機或一些其它至少部分地起到主發(fā)動機的功用。當電力系統(tǒng)被正常使用，完全無需驅(qū)動輔助柴油機，從而改善了整個系統(tǒng)的效率，所需的維護減少。電力系統(tǒng)的運行可以被自動控制；工作人員無需采取任何措施。而且，在正常工作時AC母線上的電壓沒有諧波，因為它是由電動機9驅(qū)動的同步發(fā)電機7供電的。
上面僅通過一個實施例描述了本發(fā)明的電力系統(tǒng)，但應當理解為在不脫離所附的權(quán)利要求書的范圍的情況下可以以多種方式擴展和改變該系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1．一種單獨使用的電力系統(tǒng)，該電力系統(tǒng)包括一個例如燃氣輪機或柴油機的主發(fā)動機(14)，一個由主發(fā)動機(14)驅(qū)動用于產(chǎn)生第一交流電壓(19)的發(fā)電機(13)，用于將由發(fā)電機(13)產(chǎn)生的第一交流電壓(19)變換為DC母線上的直流電壓的第一整流器裝置(12)，和至少一個用于將DC母線(18)上的直流電壓變換為第二交流電壓(20)的逆變(變流)器裝置(10,15)，其特征在于由主發(fā)動機(14)驅(qū)動的用于產(chǎn)生第一交流電壓(19)的發(fā)電機(13)是一個直接連接到主發(fā)動機(14)的軸上的異步電機，并且第一整流器裝置(12)還包括一個逆變器部分，它用來將DC母線(18)上的直流電壓變換為加到所述異步電機(13)的具有可調(diào)頻率的交流電壓，以便將電機用作電動機。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其特征在于還包括一個用于產(chǎn)生在AC母線(17)上的第三交流電壓(21)的柴油機/同步發(fā)電機組(8,7)，和一個將第三交流電壓(21)變換為DC母線(18)上的直流電壓的第二整流器裝置(11)，以便在電機被用作電動機時，它能在整流器單元(12)中的逆變器部分進一步被變換為加到所述異步電機(13)的交流電壓。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)，其特征在于還包括一個被機械地安裝以便隨著同步發(fā)電機(7)的軸旋轉(zhuǎn)的電動機(9)，該電動機被安排用來接收由逆變器裝置(10)產(chǎn)生的第二交流電壓(20)并驅(qū)動同步發(fā)電機(7)，以便使其產(chǎn)生在AC母線(17)上的所述第三交流電壓(21)；和一個安裝在所述柴油機/同步發(fā)電機組(8,7)的部件之間的軸上的開關(guān)(22)，以便將同步發(fā)電機(7)在其負荷從柴油機(8)轉(zhuǎn)移到所述電動機(13)以后從柴油機(8)上斷開。
全文摘要
一種單獨使用的電力系統(tǒng),該電力系統(tǒng)包括一個例如燃氣輪機或柴油機的主發(fā)動機(14),一個由主發(fā)動機(14)驅(qū)動用于產(chǎn)生第一交流電壓(19)的發(fā)電機(13),用于將由發(fā)電機(13)產(chǎn)生的第一交流電壓(19)變換為DC母線上的直流電壓的第一整流器裝置(12),和至少一個用于將DC母線(18)上的直流電壓變換為第二交流電壓(20)的逆變(變流)器裝置(10,15)。由主發(fā)動機(14)驅(qū)動的用于產(chǎn)生第一交流電壓(19)的發(fā)電機(13)是一個直接連接到主發(fā)動機(14)的軸上的異步電機,并且第一整流器裝置(12)還包括一個逆變器部分,它用來將DC母線(18)上的直流電壓變換為加到所述異步電機(13)的具有可調(diào)頻率的交流電壓,以便將電機用作電動機。
文檔編號H02J1/10GK1233356SQ97198693
公開日1999年10月27日 申請日期1997年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月11日
發(fā)明者厄爾基·亨圖寧, 特羅·穆拉寧 申請人:Abb工業(yè)公司