本实用新型专利技术设计了一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，包括正转飞轮、反转飞轮、正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、系统控制器、姿态传感器、超级电容、太阳能控制器、太阳能电池板、双向逆变器、交流电源/负载、双向直流变换器、直流电源/负载。采用正反转双飞轮结构，减摇过程中，能量在两个飞轮中流动，所需外部能量极低；当船舶转向时，所产生的力矩相互抵消，因此不会引起纵摇，也不会增加行驶阻力。利用太阳能电池发电并储存在飞轮中，可以在船舶主机不起动的状态下向船舶供电，进行减摇控制；采用飞轮储能，没有二次污染，使用寿命长可达20年以上，安全可靠，传统的蓄电池作为应急电源使用寿命约在3年左右，而且锂电池有爆炸危险。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种船用双飞轮储能减摇一体化控制装置，属于船舶控制
技术介绍
船舶的摇荡对船舶的舒适性、安全性以及航线的经济性都有较大的影响。通常船舶最容易发生的是横摇，而且横摇的摇摆幅度最大，对船上人员的影响也最为严重，为此陀螺进动减摇装置广泛应用在小型船舶系统当中。陀螺减摇器工作时，首先要通过驱动电机将陀螺转子加速到极高转速，通常为了减小阻力需要在陀螺中抽真空。然后通过液压或者电动驱动系统，驱动陀螺转子轴线绕船只横轴线前后转动，从而产生横向的陀螺力矩，用以消除船体的横摇。由于陀螺本身重量较大，既要驱动陀螺转子高速旋转，又要驱动陀螺本体绕横轴线转动，因此需要耗费大量能量，而且机械结构也非常复杂，可靠性和维护性均比较低，也增加了系统的体积和重量，同时控制系统也相对比较复杂。陀螺减摇器的陀螺力矩是减摇的主要控制参数，如公式(1)所示：其中M为陀螺力矩，H为陀螺自传角动量，ωb为进动角速度，J为陀螺转动惯量，ω为陀螺转速。从公式(1)可以看出，陀螺力矩M的大小与陀螺转速ω和进动角速度ωb成正比关系。为了得到较大的陀螺力矩首先要有较高的陀螺转速，这使得陀螺减摇器的起动时间非常长，这样才能使陀螺加速到规定的转速，而且需要消耗较大的能量，这些能量无法回收。当陀螺转速达到额定值时，需要保持恒定转速，这样要增加陀螺减摇力矩就必须增加进动角速度，然而陀螺轴进动的角度范围有限，要增加进动角速度，就会减少进动时间，而这个时间必须大于波浪引起横摇的周期。所以如果横摇周期较长，就要降低进动角速度，因此减摇效果就会受到限制。当船舶转向时，陀螺减摇器会产生纵摇力矩引起纵摇，这是不希望出现的效果，不仅让船上人员赶到不适，还会引起额外的行驶阻力。
技术实现思路
本技术针对现有技术所存在的问题，提出了一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置。该装置采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速非常低，不需要抽真空，机械应力较低，而且结构简单、体积小、重量轻，同时可以作为储能装置使用。本技术的目的是这样实现的：本技术提出一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，包括正转飞轮、反转飞轮、正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、系统控制器、姿态传感器、超级电容、太阳能控制器、太阳能电池板、双向逆变器、交流电源/负载、双向直流变换器、直流电源/负载、船体。所述正转飞轮连接正转飞轮控制器，反转飞轮连接反转飞轮控制器，姿态传感器、正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、太阳能控制器、双向逆变器、双向直流变换器均通过控制总线与系统控制器连接，太阳能电池板与太阳能控制器连接，交流电源/负载与双向逆变器，直流电源/负载与双向直流变换器连接，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、太阳能控制器、双向逆变器、双向直流变换器均连接到超级电容所在的直流母线。所述太阳能电池板安装于船体的上层建筑表面，系统其它部分安装于船体的内部。当所述正转飞轮1和反转飞轮2采用交流电机驱动时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器均包括电抗器、电流传感器、功率开关、电压传感器、控制板组成。所述功率开关组成三相桥通过电抗器向交流电机驱动的正转飞轮或反转飞轮供电，三相桥的直流侧与超级电容连接，电压传感器检测直流侧电压，电流传感器检测交流侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板，控制板输出PWM控制信号分别给功率开关，同时控制板通过控制总线受到系统控制器的控制。当所述正转飞轮1和反转飞轮2采用开关磁阻电机驱动时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器均包括电流传感器、功率开关、电压传感器、控制板、续流二极管组成。所述功率开关与续流二极管组成三相不对称半桥向开关磁阻电机驱动的正转飞轮或反转飞轮供电，正转飞轮或反转飞轮的电机定子绕组串联在不对称半桥之中，不对称半桥的直流侧与超级电容连接，电压传感器检测直流侧电压，电流传感器检测飞轮侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板，控制板输出PWM控制信号分别给功率开关，同时控制板通过控制总线受到系统控制器的控制。本技术提出一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，根据使用环境的不同，船用飞轮储能与减摇一体化控制装置工作过程具体包括4个模态，实现步骤如下：步骤A：正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮，使之达到设定的工作转速，此过程中，飞轮储存了一定的机械能，同时正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别从超级电容所在的直流母线吸收电能，此为模态1，即起动模态；步骤B：当太阳能电池板、交流电源/负载或者直流电源/负载产生了多余电能时，分别通过太阳能控制器、双向逆变器或者双向直流变换器向超级电容所在的直流母线注入能量，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮，使工作点转速增加，将注入的电能换换为机械能储存在正转飞轮和反转飞轮中，此为模态2，即储能模态；步骤C：当系统控制器通过姿态传感器检测到船体的姿态变化产生横摇时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮根据工作转速点进行加减速，两个飞轮的加速度和减速度相同，因此正转飞轮控制器、反转飞轮控制器所产生的减摇转矩大小相同方向也相同，减小船体的横摇幅度，其中减速飞轮输出能量，加速飞轮吸收能量，两者大体相当，正转飞轮和反转飞轮所损耗的能量从超级电容(7)所在的直流母线吸收，此为模态3，即减摇模态；步骤D：当船舶发电装置没有开启或者故障状态时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮将工作点转速降低，与此同时控制正转飞轮和反转飞轮在新的工作转速点进行加减速来进行减摇控制，由于工作点转速降低，系统的存储的机械能可以转换为电能注入超级电容所在的直流母线，再通过双向逆变器和双向直流变换器分别向交直流负载供电，此为模态4，即应急供电模态。本技术的有益效果是：本技术采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速非常低，不需要抽真空，机械应力较低，而且结构简单、体积小、重量轻，起动时间短；采用正反转双飞轮结构，减摇过程中，能量在两个飞轮中流动，所需外部能量极低。通过同时调节两个飞轮的工作点转速，可以吸收或者释放能量，因此即可以作为储能装置使用，也不会影响减摇效果；减摇力矩作用时间可以持续控制，因此减摇周期可以任意调节；双飞轮转向相反，转速较低，当船体转向时产生的进动力矩相互抵消，因此不会产生陀螺减摇器所引起的纵摇力矩；飞轮减摇力矩是通过飞轮加减速得到的，响应速度非常快，因此减摇效果较好。而陀螺减摇器需要机械结构驱动陀螺进动响应速度较低，影响减摇效果；飞轮减摇力矩是通过飞轮加减速得到的，响应速度非常快；采用正反转双飞轮结构，当船舶转向时，所产生的力矩相互抵消，因此不会引起纵摇，也不会增加行驶阻力；利用船体上安装的太阳能电池发电并储存在飞轮中，可以在船舶主机不起动的状态下向船舶供电，进行减摇控制；采用飞轮储能，没有二次污染，使用寿命长可达20年以上，安全可靠。传统的蓄电池作为应急电源使用寿命约在3年左右，而且锂电池有爆炸危险。附图说明图1是本技术中船用飞轮储能与减摇一体化控制装置拓扑图；图2是本技术中船用飞轮储能与减摇一体化控制装置结构示意图；图3是本技术中交流电机驱动飞轮控制器原理图；图4是本技术中开关磁阻电机驱动飞轮本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，包括正转飞轮(1)、反转飞轮(2)、正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、系统控制器(5)、姿态传感器(6)、超级电容(7)、太阳能控制器(8)、太阳能电池板(9)、双向逆变器(10)、交流电源/负载(11)、双向直流变换器(12)、直流电源/负载(13)、船体(14)；所述正转飞轮(1)连接正转飞轮控制器(3)，反转飞轮(2)连接反转飞轮控制器(4)，太阳能电池板(9)与太阳能控制器(8)连接，姿态传感器(6)、正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)、双向直流变换器(12)均通过控制总线(15)与系统控制器(5)连接，交流电源/负载(11)与双向逆变器(10)连接，直流电源/负载(13)与双向直流变换器(12)连接，正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)、双向直流变换器(12)均通过直流母线连接到超级电容(7)；所述太阳能电池板(9)安装于船体(14)的上层建筑表面，系统其它部分安装于船体(14)的内部。
【技术特征摘要】
1.一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，包括正转飞轮(1)、反转飞轮(2)、正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、系统控制器(5)、姿态传感器(6)、超级电容(7)、太阳能控制器(8)、太阳能电池板(9)、双向逆变器(10)、交流电源/负载(11)、双向直流变换器(12)、直流电源/负载(13)、船体(14)；所述正转飞轮(1)连接正转飞轮控制器(3)，反转飞轮(2)连接反转飞轮控制器(4)，太阳能电池板(9)与太阳能控制器(8)连接，姿态传感器(6)、正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)、双向直流变换器(12)均通过控制总线(15)与系统控制器(5)连接，交流电源/负载(11)与双向逆变器(10)连接，直流电源/负载(13)与双向直流变换器(12)连接，正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)、双向直流变换器(12)均通过直流母线连接到超级电容(7)；所述太阳能电池板(9)安装于船体(14)的上层建筑表面，系统其它部分安装于船体(14)的内部。2.如权利要求1所述一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，所述正转飞轮(1)和反转飞轮(2)采用交流电机驱动时，正转飞轮控制器(3)和反转飞轮控制器(4)均包括电抗器(101)、电流传感器(102)、功率开关(103)、电压传感器(104)、控制板(105)；所述功率开关(...
【专利技术属性】
技术研发人员：冬雷，
申请(专利权)人：冬雷，
类型：新型
国别省市：北京;11
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