一种基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置的制作方法

本发明涉及船舶电力推进装置，具体设计一种基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置。

背景技术：

目前传统船舶一般由原动机直接通过曲轴带动螺旋桨推进，而船舶电力推进系统一般由螺旋桨、电动机、发电机、原动机以及控制设备组成。与传统的机械推进方式相比，电力推进系统具有噪音低、调速性能好、效率高、节能环保等优点。

但是，在船舶电力推进系统中由于输出电压中包含的谐波会引起额外的热损耗并且导致电机电磁转矩产生脉动，从而引起螺旋桨振动，造成推进性能下降。本发明一种基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置能够有效地抑制推进变频器的输出谐波。

技术实现要素：

本发明针对船舶电力推进系统存在的问题，提供一种基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置，可以有效地抑制现有船舶电力推进系统中输出给电动机的交流电能的谐波，增强船舶电力推进系统的推进性能。

为解决上述问题，本发明提供一种基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置，包含：

原动机，转换输入的能量为第一机械能；

发电机，连接原动机，转换所述第一机械能为第一交流电能；

电动机，连接发电机，转换所述第一交流电能为第二机械能；

螺旋桨，连接电动机，通过所述第二机械能驱动船舶运动；

交-直-交变频器，连接设置在发电机和电动机之间，包含互相连接的整流部分和逆变部分；整流部分连接发电机，包含若干个相同的三相桥式整流器，转换第一交流电能为24脉波整流的直流电能；逆变部分连接设置在整流部分和电动机之间，包含若干个带lc输出滤波器的三相三电平逆变器，转换所述直流电能为电动机工作的第二交流电能，实现抑制所述第二交流电能的谐波，电动机将第二交流电能转换为第二机械能。

所述整流部分具体包含相同的四个三相桥式整流器，分别为第一整流器、第二整流器、第三整流器和第四整流器；

第一整流器串联连接第二整流器，第三整流器串联连接第四整流器；且第一整流器和第二整流器串联所在的支路与第三整流器和第四整流器串联所在的支路为并联连接；通过四个三相桥式整流器及其连接方式实现整流部分转换发电机提供的第一交流电能为24脉波整流的直流电能。

所述三相桥式整流器采用三相桥式全控整流电路，包含1个变压器和相同的六个晶闸管；所述变压器用于变换且隔离所述第一交流电能的电压；变压器一次侧连接发电机，为三角形连接方式；变压器二次侧为星形连接方式且连接六个晶闸管，实现抑制3次谐波。

所述六个晶闸管分别为第一晶闸管至第六晶闸管；第一晶闸管和第四晶闸管同相、第二晶闸管和第五晶闸管同相、第三晶闸管和第六晶闸管同相；第一晶闸管、第三晶闸管、第五晶闸管的阳极均连接变压器二次侧，且第一晶闸管、第三晶闸管、第五晶闸管为共阴极组；第二晶闸管、第四晶闸管、第六晶闸管的阴极均连接变压器二次侧，且第二晶闸管、第四晶闸管、第六晶闸管为共阳极组；晶闸管脉冲按第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第五晶闸管、第六晶闸管的顺序依次导通，相邻晶闸管的相位相差60度。

所述逆变部分包含三个带lc输出滤波器且并联连接的三相三电平逆变器；

所述三相三电平逆变器包含直流侧和交流侧；

所述直流侧连接整流部分；直流侧包含两个并联的第一电容和第二电容，用于缓冲无功能量；第一电容和第二电容之间为直流侧中点；

所述交流侧连接在直流侧和发电机之间，包含：三相相同且并联连接的第一电路，连接直流侧，实现svpwm控制、抑制交流侧的低次谐波；一个lc输出滤波器，连接三相第一电路实现抑制交流侧的高次谐波。

所述第一电路包含：

四个依序连接的第一反馈二极管、第二反馈二极管、第三反馈二极管、第四反馈二极管，为所述交流侧向所述直流侧反馈的无功能量提供通道；第一反馈二极管阴极和第四反馈二极管阳极连接整流部分输出电压；第二反馈二极管和第三反馈二极管之间为第一电路的中点；

四个全控器件；所述全控器件用于控制自身的导通、关断，一个全控器件并联连接一个反馈二极管；

两个钳位二极管，分别为第一钳位二极管、第二钳位二极管；第一钳位二极管阴极连接设置在第一反馈二极管阳极和第二反馈二极管阴极之间，第一钳位二极管阳极连接直流侧中点；第二钳位二极管阴极连接直流侧中点，第二钳位二极管阳极连接设置在第三反馈二极管阳极和第四反馈二极管阴极之间；通过第一钳位二极管限制第一反馈二极管和第二反馈二极管对应的全控器件承受的电压不超过第一电容的电压，减小电压应力；通过第二钳位二极管限制第三反馈二极管和第四反馈二极管对应的全控器件承受的电压不超过第二电容的电压，减小电压应力。

所述lc输出滤波器包含三个第一电感和三个第三电容；三个第一电感的第一端分别连接三相第一电路的中点；第一电感第二端连接电动机；第三电容第一端连接第一电感第二端；三个第三电容的第二端互相连接。

所述整流部分和逆变部分之间还设有并联连接的第四电容和第五电容，实现降低整流部分输出电压中的谐波。

所述全控器件为绝缘栅双极晶体管。

与现有技术相比，本发明的基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置具有噪音低、调速性能好、效率高、节能环保等优点。本发明的推进装置能有效抑制其变频器的输出谐波，极大地提高了船舶航行时的推进力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的船舶电力推进装置结构示意图；

图2为本发明的船舶电力推进装置的交-直-交变频器拓扑结构图；

图3为本发明的船舶电力推进装置的整流器结构图；

图4为本发明的船舶电力推进装置的三相三电平逆变器结构图。

图中：1、原动机；2、发电机；3、交-直-交变频器；4、电动机；5、螺旋桨；6、第一整流器；7、第二整流器；8、第三整流器；9、第四整流器；10、第一电容；11、第二电容；12、第一电感；13、第三电容；14、变压器一次侧；15、第一晶闸管；16、第二晶闸管；17、第三晶闸管；18、第四晶闸管；19、第五晶闸管；20、第六晶闸管；21、全控器件；22、第一钳位二极管；23、第二钳位二极管；24、第四电容；25、第五电容；26、逆变器；27、变压器二次侧；28、第一反馈二极管；29、第二反馈二极管；30、第三反馈二极管；31、第四反馈二极管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于交-直-交变频器的船舶电力推进装置，包含：

原动机1，转换输入的能量为第一机械能；

发电机2，连接原动机1，转换所述第一机械能为第一交流电能；

电动机4，连接发电机2，转换所述第一交流电能为第二机械能；

螺旋桨5，连接电动机4，通过所述第二机械能驱动船舶运动；

交-直-交变频器3，连接设置在发电机2和电动机4之间，包含互相连接的整流部分和逆变部分。所述整流部分和逆变部分之间还设有并联连接的第四电容24和第五电容25。

如图2所示，所述整流部分连接发电机2，转换第一交流电能为24脉波整流的直流电能，实现减小所述直流电能的谐波，提高直流电能的电压品质。所述整流部分包含四个相同的三相桥式整流器，分别为第一整流器6、第二整流器7、第三整流器8和第四整流器9；第一整流器6串联连接第二整流器7，第三整流器8串联连接第四整流器9；且第一整流器6和第二整流器7串联所在的支路与第三整流器8和第四整流器9串联所在的支路为并联连接，并联后的输出电压作为逆变器26的输入电压。通过四个三相桥式整流器及其两并两串的连接方式实现整流部分转换发电机2提供的第一交流电能为24脉波整流的直流电能，降低所述直流电能中的谐波。

如图3所示，所述三相桥式整流器采用三相桥式全控整流电路，包含1个变压器和相同的六个晶闸管；所述变压器用于变换且隔离所述第一交流电能的电压；变压器一次侧14连接发电机2，为三角形连接方式；变压器二次侧27为星形连接方式且连接六个晶闸管，实现抑制3次谐波。

如图3所示，所述六个晶闸管分别为第一晶闸管15至第六晶闸管20；六个晶闸管均为半控器件，需要触发脉冲才能导通，第一晶闸管15、第三晶闸管17、第五晶闸管19的阳极均连接变压器二次侧27，且第一晶闸管15、第三晶闸管17、第五晶闸管19为共阴极组；第二晶闸管16、第四晶闸管18、第六晶闸管20的阴极均连接变压器二次侧27，且第二晶闸管16、第四晶闸管18、第六晶闸管20为共阳极组；第一晶闸管15和第四晶闸管18同相、第二晶闸管16和第五晶闸管19同相、第三晶闸管17和第六晶闸管20同相。在工作状态下共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管处于导通状态，晶闸管脉冲按第一晶闸管15、第二晶闸管16、第三晶闸管17、第四晶闸管18、第五晶闸管19、第六晶闸管20的顺序依次导通，相邻晶闸管的相位相差60度。共阴极组中第一晶闸管15、第三晶闸管17、第五晶闸管19的脉冲依次相差120°；共阳极组中第二晶闸管16、第四晶闸管18、第六晶闸管20的脉冲依次相差120°。同相的上下两个晶闸管的脉冲相差180°。图中，e、f为整流器的两个输出端。

如图2所示，整流部分生成的24脉波整流的直流电能，通过并联连接的第四电容24、第五电容25滤波后，实现降低了所述直流电能中的谐波。

如图2所示，逆变部分连接设置在并联的第四电容24、第五电容25输出端和电动机4之间。如图4所示，所述逆变部分包含三个带lc输出滤波器且并联连接的三相三电平逆变器26。转换滤波后的直流电能为电动机4工作的第二交流电能，并抑制所述第二交流电能的谐波。

所述三相三电平逆变器26包含直流侧和交流侧；

所述直流侧连接整流部分；直流侧包含两个并联的第一电容10和第二电容11，用于缓冲无功能量；如图4所示，第一电容10和第二电容11之间点o为直流侧中点；

所诉交流侧连接在直流侧和发电机2之间，包含：三相相同且并联连接的第一电路和一个lc(inductancecapacitance电感电容)输出滤波器，实现提高所述交-直-交变频器3的等效开关频率，提高交-直-交变频器3的输出电压和功率，并降低其输出电压的谐波。

所述三相并联连接的第一电路连接直流侧，实现svpwm(空间矢量脉宽调制spacevectorpulsewidthmodulation)控制、抑制交流侧的低次谐波。如图4所示，所述第一电路包含：

四个依序连接的第一反馈二极管28、第二反馈二极管29、第三反馈二极管30、第四反馈二极管31，为所述交流侧向所述直流侧反馈的无功能量提供通道；第一反馈二极管28阴极和第四反馈二极管阳极连接整流部分输出电压；第二反馈二极管29和第三反馈二极管30之间为第一电路的中点；

四个全控器件21；所述全控器件21用于控制本身的导通、关断，一个全控器件21并联连接一个反馈二极管；所述全控器件21为绝缘栅双极晶体管，其具有开关速度高，开关损耗小，耐脉冲电流冲击，输入阻抗高，通态压降低的优点。

两个钳位二极管，分别为第一钳位二极管22、第二钳位二极管23；第一钳位二极管阴极连接设置在第一反馈二极管阳极和第二反馈二极管阴极之间，第一钳位二极管阳极连接直流侧中点；第二钳位二极管阴极连接直流侧中点，第二钳位二极管阳极连接设置在第三反馈二极管阳极和第四反馈二极管阴极之间；通过第一钳位二极管22限制第一反馈二极管28和第二反馈二极管29对应的全控器件21承受的电压不超过第一电容10的电压，减小电压应力；通过第二钳位二极管23限制第三反馈二极管30和第四反馈二极管31对应的全控器件21承受的电压不超过第二电容11的电压，减小电压应力。

如图4所示，所述lc输出滤波器包含三个第一电感12和三个第三电容13；三个第一电感12的第一端分别连接三相第一电路的中点；第一电感第二端连接电动机4；第三电容第一端连接第一电感第二端；三个第三电容的第二端互相连接；a、b、c分别为带lc输出滤波器的三相三电平逆变器26的三个输出端。所述交-直-交变频器3的逆变部分通过采用并联连接的三相三电平逆变器26实现svpwm控制，逆变部分输出电压中的低次谐波得到有效地抑制，且提高了交-直-交变频器3的等效开关频率。但交-直-交变频器3等效开关频率提高的同时，输出电压中的高次谐波(由开关频率引起的谐波及其边带谐波)，会随着开关频率的增大而增大，通过使用lc滤波器有效抑制三相三电平逆变器26输出电压的高次谐波。本发明通过对交-直-交变频器3采用svpwm控制与lc输出滤波器相结合，抑制输出电压中的高次和低次谐波，保证三相三电平逆变器26在规定的输出频率范围内满足谐波规范要求。

与现有技术相比，本发明的基于交-直-交变频器3的船舶电力推进装置具有噪音低、调速性能好、效率高、节能环保等优点。本发明的推进装置能有效抑制其变频器的输出谐波，极大地提高了船舶航行时的推进力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。