小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶电力推进领域，具体涉及采用可再生的开关磁阻电机的一种互补型小型河流运输船的电力推进系统。
【背景技术】
[0002]船舶的电力推进是船舶推进技术的发展方向，目前新兴的船舶电力推进电机以交流异步电机和交流永磁同步电机为主，尤其永磁同步电机，功率密度高，但其价格昂贵，结构较为复杂。
[0003]目前新兴的采用燃料电池为电能来源的新型电力推进船舶已出现，但燃料电池技术目前技术上并不如蓄电池成熟，技术上更成熟的蓄电池成本也更低。
[0004]开关磁阻电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体；其发电运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，可提高对输入的机械能的利用效率，并且可以不经齿轮箱在低速下直接驱动实现较高的发电效率，使整个发电系统结构更加简洁、可靠；而在运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角控制，电流斩波控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流。开关磁阻电机电动运行的实践较多，相对更成熟，同样的，其控制方式灵活多样，高中低速性能好；并且一台开关磁阻电机，一套控制器和功率变换器，通过不同角度位置时的控制，可以实现电动和发电的双向运行，即相比单向电动或发电运行的开关磁阻电机，无需因能量流来回变化而增加控制硬件设备；从而，若能采用可再生的开关磁阻电机系统，既简化了结构，也降低了成本。
[0005]针对开关磁阻发电机直接输出脉动的直流电的特点，其输出接口部分的电能变换系统应与常规交流电机输出的完全不同，并且脉动的直流电流更利于给蓄电池有效充电而给滤波带来较小的压力；而电动运行时，因其所需电源为直流电，无需逆变装置。
【发明内容】
[0006]根据以上的【背景技术】，本实用新型提出采用开关磁阻电机作为船舶电力推进电机，并且利用船舶在河流中从上游向下游航行时的落差实现开关磁阻电机的回馈再生发电，系统结构简单成本低。
[0007]本实用新型的技术方案为:
[0008]小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，由蓄电池组1、功率变换器2、开关磁阻电机3、控制器4、柴油发电机组5、岸上电源6、其他负载7组成；其技术特征在于，所述蓄电池组I与所述功率变换器2互连，功率变换器2与所述开关磁阻电机3互连，开关磁阻电机3并与所述控制器4连接，控制器4也与功率变换器2连接，所述柴油发电机组5与蓄电池组I连接，所述岸上电源6也与蓄电池组I连接，蓄电池组I也与所述其他负载7连接。
[0009]功率变换器2的主电路采用开关磁阻电机常用的不对称半桥式主电路结构。
[0010]开关磁阻电机3定子绕组相数大于或等于二。
[0011]控制器4接收来自开关磁阻电机3的转子位置信号和绕组电流信号，决定功率变换器2中控制开关磁阻电机3相绕组的开关管的通断及通断时刻。
[0012]柴油发电机组5包括柴油机、同步发电机、整流器。
[0013]岸上电源6为直流电源，并与蓄电池组I相匹配，以利于向蓄电池组I充电。
[0014]其他负载7包括船上照明灯、电坎具、电风扇。
[0015]本实用新型的主要技术效果是:
[0016]小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，采用结构更简单、坚固，可控性灵活，变速性能好，双向流动电能无需增添硬件设备的开关磁阻电机，简化了结构降低了成本。
[0017]在从河流上游向下游运输中，由于落差，特别是落差大时，要采取措施加大机械阻力使船舶降速，本实用新型则配合以螺旋桨的类似风力发电风轮的叶片变桨作业，让阻力变成开关磁阻电机发出的电能，并储存于蓄电池组中，待到从下游向上游运输时，或者船舶落差动力不足时，可利用这部分电能推进船舶，直到蓄电池组电能耗尽才起动柴油发电机组，有效的利用了水力这种可再生能源，减少了柴油这种污染性的化石能源的消费，也降低了运输成本。
[0018]由于开关磁阻发电机直接发出直流电，所以其给蓄电池充电时减少了电能变换的环节，如整流器，另外，它发出的还是脉动的直流电，经适当整形，非常适合于直接给蓄电池充电；而电动运行时，其可直接使用蓄电池组发出的直流电而无需向交流电动机那样加装逆变装置。
[0019]包括其他负载如船上照明、电坎具用电等均可受惠于开关磁阻电机所发的电能。
[0020]为了保证船上用电的持续稳定性，柴油发电机组适时起动；当船舶停靠于岸边，有条件的情况下可利用岸上电源给蓄电池组充电从而进一步减少燃油的消耗。
[0021]因此，本实用新型非常适合于落差较大河流上小型运输船的电力推进系统。
【附图说明】
[0022]图1所示为本实用新型的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统结构图。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示为小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统结构图，功率变换器2的主电路为不对称半桥式结构，IGBT为主开关管；开关磁阻电机3不能为单相绕组电机，虽然单相开关磁阻发电机具备运行条件，但做电动机时单相绕组不能起动，至少应为两相绕组，本实施例为三相绕组定/转子极数12/8极的结构。
[0024]开关磁阻电机3的转子位置信息和相绕组电流信息经光电转子位置传感器和电流传感器分别检测到后给控制器4，控制器4的核心控制芯片采用DSP，当开关磁阻电机3做电动机运行时，控制器4根据开关磁阻电机3转子位置信息产生相应的控制信号经IGBT驱动电路控制相应IGBT开关动作，电流传感器的反馈主要用于保护，开关磁阻电机3的电能由蓄电池组I提供，当蓄电池组I的输出电能消耗殆尽并发出指示时，起动柴油发电机组5供电。
[0025]当检测到船舶的运行速度高于开关磁阻电机3的推进速度时，判断为船舶由于受势能影响自由向下游运行，此时控制船舶上与开关磁阻电机3机械连接的螺旋桨的桨叶变角，类似于风力发电装置中的变桨作业，使得螺旋桨随着船舶的加速运行而受力并将机械能传递给开关磁阻电机3，同时配合以控制器4的完全不同于电动运行时的控制信号产生和输出规律，开关磁阻电机3转子所受力矩反向，从而使得电能反向并向蓄电池组I充电，同时也向其他负载7供电；此时开关磁阻电机3作为发电机，其定子相绕组工作于励磁与发电双阶段，励磁采用专用蓄电池提供，即他励方式，该蓄电池的电能通过蓄电池组I提供；待蓄电池组I被充满电并发出指示后，控制器4关闭全部输出给功率变换器2的信号，功率变换器2中IGBT开关管的工作即全部断开。
[0026]当开关磁阻电机3以电动机模式长期运行，蓄电池组I中电能消耗殆尽发出警报后，人工起动柴油发电机组5发电，并经整流后向开关磁阻电机3供电，同时向蓄电池组充电并提供其他负载7电能，当蓄电池组I充电满电指示后，柴油发电机组5停机，节省燃油。
[0027]当船舶停靠港口时，根据港口条件，若蓄电池组I电能不满，由岸上电源6向蓄电池组充电同时向其他负载7供电。
【主权项】
1.小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，由蓄电池组(I)、功率变换器(2)、开关磁阻电机(3)、控制器(4)、柴油发电机组(5)、岸上电源(6)、其他负载(7)组成；其技术特征在于，所述蓄电池组(I)与所述功率变换器(2)互连，功率变换器(2)与所述开关磁阻电机⑶互连，开关磁阻电机⑶并与所述控制器⑷连接，控制器⑷也与功率变换器(2)连接，所述柴油发电机组(5)与蓄电池组(I)连接，所述岸上电源(6)也与蓄电池组(I)连接，蓄电池组(I)也与所述其他负载(7)连接。
2.根据权利要求1所述的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，其特征在于，所述的功率变换器(2)的主电路采用开关磁阻电机常用的不对称半桥式主电路结构。
3.根据权利要求1所述的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，其特征在于，所述的开关磁阻电机(3)定子绕组相数大于或等于二。
4.根据权利要求1所述的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，其特征在于，所述的控制器⑷接收来自开关磁阻电机⑶的转子位置信号和绕组电流信号，决定功率变换器(2)中控制开关磁阻电机(3)相绕组的开关管的通断及通断时刻。
5.根据权利要求1所述的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，其特征在于，所述的柴油发电机组(5)包括柴油机、同步发电机、整流器。
6.根据权利要求1所述的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，其特征在于，所述的岸上电源(6)为直流电源，并与蓄电池组⑴相匹配，以利于向蓄电池组(I)充电。
7.根据权利要求1所述的小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，其特征在于，所述的其他负载(7)包括船上照明灯、电坎具、电风扇。
【专利摘要】小型河流运输船电力推进再生式开关磁阻电机系统，由蓄电池组(1)、功率变换器(2)、开关磁阻电机(3)、控制器(4)、柴油发电机组(5)、岸上电源(6)、其他负载(7)组成，其中所述蓄电池组(1)与所述功率变换器(2)互连，功率变换器(2)与所述开关磁阻电机(3)互连，开关磁阻电机(3)并与所述控制器(4)连接，控制器(4)也与功率变换器(2)连接，所述柴油发电机组(5)与蓄电池组(1)连接，所述岸上电源(6)也与蓄电池组(1)连接，蓄电池组(1)也与所述其他负载(7)连接；该系统结构简单、成本低，非常适合于落差较大河流上的小型运输船舶的电力推进系统。
【IPC分类】H02J7-00, H02J9-04
【公开号】CN204361729
【申请号】CN201420869491
【发明人】孙冠群
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月30日