具有动力适配调节器的船舶推进系统技术方案

本发明专利技术涉及一种船舶推进系统，它包括一个船舶电网（５）和由此电网供电的一个电推进系统（３、４），该电推进系统具有一个用于螺旋桨电动机（３）的下属调整装置（６）。该螺旋桨电动机（３）的转速由一个上级调节器（２）规定，该调节器的指令参数来自操纵杆（１）。为了抑制由于推进系统过高的动力特性对船舶航行的影响设有一些过滤装置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有动力适配调节器的船舶推进系统具有螺旋桨电动机的船舶螺旋桨的驱动装置借助转速调节器调节。在驾驶台通过操纵杆规定转速的额定值。在调节器进口前，在一个加法电路中，转速额定值(给定参数)与当前的转速值比较，以便由此确定调节误差，此调节误差输入调节器。调节器的出口信号作为控制参数进入调整装置，螺旋桨电动机通过此调整装置与电源连接。在用同步电机驱动时，调整装置由变频/变流器组成，它根据柴油发电机设备的发电机电压，产生一个适当多相的和频率可变的电源电压。此变流器线路设计为，使变流器和同步电机联接起来后与直流电机类似，它的电流通过直流调节器调整。进入直流调节器控制器进口的信号规定了直流电机消耗的电流。按相同的方式，调节器的控制信号规定了同步电机的工作电流。也可以用相同的方式向异步电动机供电能并可应用于船舶驱动。现在已证明这种推进系统是比较刚性的，也就是说，即使在螺旋桨转一圈时的微弱转速波动也能被调整。转速波动或角速度改变的原因在于船舶螺旋桨在水中的特性，航行时水流过船身而且在空间上有不均匀的速度剖面。桨叶在其旋转运动时部分通过在船尾处存在的艉鳍或尾轴架运动，而它们在其旋转运动的其他部分遭遇水的其他流速。流体力学认为，船舶螺旋桨上随时间而变化的负载可用尾流场(伴流场)来描述。由船体上的艉鳍或尾轴架所引起的这种负载波动，表现出来就是螺旋桨尾流场的不均匀性，而这种不均匀性又反映为桨叶旋转时波动的进程系数。也就是说形成周期性的扭矩波动，它导致船舶螺旋桨波动的角速度，该角速度由转速调节器或其下属的电流调节器来调整，以便将船舶螺旋桨的转速尽可能准确地保持为预选的转速额定值不变。据矩波动的频率等于轴转速乘以螺旋桨叶片数。扭矩波动从驱动电机传到地脚螺栓并因而传给船体。在柴油发电机设备的情况下还产生扭矩反作用。由此使船体部件被此脉动扭矩-->的主波激励振动，此外，基于机械方面的既定条件也不能忽视船体在相关频率下发生共振的可能性。这种振动不仅令船上的人员感到厌烦，而且对船舶的整个结构及其装载的货物带来严重的载荷，因此应加以避免。迄今试图用所谓的有限元法计算这种振动的薄弱环节，并将如此确定的危险区通过采用成吨的钢来加强。这种方法一方面昂贵，另一方面减小了允许的装载量和船上可利用的载货容积，增加了燃料消耗量，并且除此之外至多能减少由驱动装置产生的振动对材料的破坏作用，然而并不能从根本上排除这种作用。为将船用螺旋桨的转速尽可能准确保持为预选的转速额定值所进行的转速调节还会导致另一个负面效果。因为尾流场的不均匀性完全反映为螺旋桨进程系数的波动，所以降低了螺旋桨的空泡安全性，因为螺旋桨的工作点可能接近其空泡极限或超过此空泡极限。尤其在船体上存在艉鳍或尾轴架的区域内，螺旋桨的工作点可能达到或超过空泡极限并因而引发产生空泡，它会导致船舶尤其是螺旋桨严重损伤。空泡还导致不允许的压力波动和噪声，这些尤其显著降低了客轮、科研考察船和军用船舶的利用价值和舒适性。另外，由电动机驱动的船用螺旋桨可以非常迅速地调整转速。转速的这一快速调整也会导致在桨叶上产生空泡。在这种情况下，转速调整的速度取决于船的航行速度，也就是取决于水冲击螺旋桨的迎流速度。因此采用加速发生器(Hochlaufgeber)，从调节技术看它们应位于操纵杆与调节器额定值进口之间。当船用螺旋桨实际转速增加时，显著改变其动力特性(Dynamik)。由于螺旋桨曲线族(从系桩拉力曲线过渡到自由航行曲线)呈二次幂变化过程，在实际转速上升时，船用螺旋桨允许的动力性能超比例地下降。在先有技术中已知的船用螺旋桨驱动装置中，由加速发生器确定的加速时间，随着螺旋桨驱动马达转速的上升提高一至三级，以便将转速过量保持在螺旋桨曲线允许范围之内。此外，电推进系统鉴于其功率需求还必须顾及发电机的励磁。发电机励磁的时间特性比船用螺旋桨电动机可能的动态特性慢。在考虑到这两种边界条件的情况下，按先有技术将加速发生器作如下所述的设计：-->从转速为零开始，螺旋桨电动机起先不加限制地亦即最佳地加速。被螺旋桨消耗的功率在有恒定加速时间的加速过程中迅速增加并最终达到转速调节器中的电流极限，以免柴油发电机设备过载。在加速发生器第一阶段结束时转换到另一个加速时间。由电驱动装置提供使用的加速功率几乎降回零。因此形成从柴油发电机设备提取功率的阶跃式改变，柴油发电机设备应当但可能未必能适应这种改变。其结果是导致船舶电网内的频率和/或电压波动。至少在加速时间的第一阶段中，驱动装置从柴油发电机设备提取电功率，在有些情况下为了向另外的船舶电网供电，该电功率可能不足。为了船舶加速，从第一加速阶段变换到第二加速阶段时带来的缺点是，当超过某些转速范围时只产生很小的船舶加速度。螺旋桨电动机的电流极限在上述驱动装置中处于有关的船用螺旋桨曲线上方30％的额定扭矩之处。在驱动电机的电流极限与计算的船用螺旋桨曲线之间的区域是必要的，以便除了在船舶加速过程所必需的加速扭矩外，还要有备用量用于波涛汹涌的海面和船舶机动性。迄今在船用螺旋桨驱动装置中分级控制的加速发生器，没有能力使驱动螺旋桨的电动机在加速过程中提供规定的加速扭矩。与之相反，它们在大的转速范围内只是释放当时的电流极限。其原因在于船舶的加速时间是这种类型的加速发生器加速时间的多倍。如上面已提及的那样，柴油发电机设备显示了一种时间功率特性，与船用螺旋桨电动机的功率消耗相比，此功率特性只能较缓慢地改变。因此除了基于螺旋桨曲线的限制外，还应考虑一些根据发电机设备最大动力特性得出的限制。在设计用于船舶柴油发电机设备的柴油机时，涉及负载特性应顾及International Associaten of Classification Society(IACS)的规定。属于规定内容的三级负载改变曲线，在当今高增压的柴油机中，对船用螺旋桨驱动装置的动力特性有重要的作用。带来的困难是，在那里提到的尤其在大功率区的值如今由于没有足够的维护或由于使用低质重油往往不再能够达到。因此，在柴油机轴输出功率时所具有的动力特性，当船舶长时间在海上航行时根据经验判断会下降。在柴油机的功率输出中另一个随时间的梯度(它按IACS没有规定或通-->常必须加以规定)是柴油机的热承载能力。在热运行的柴油机中从零到额定功率或从额定功率到零均匀地改变负载，只允许在一个取决于该柴油机结构尺寸的最短时间内进行。这些时间段的长短视不同的结构尺寸强烈变动。这种随时间的变化曲线也不允许逐段地被超过，因为要不然会导致损坏柴油机。上面提及的最短时间对于小型柴油机可在10-20秒之间，而对于大型柴油机可达120秒。处于柴油发电机设备与船用螺旋桨电动机之间的变流器需要一个控制无功功率(Steuerblindleistung)。控制无功功率取决于负载。这种变流器例如是恒流直流中继变流器(Stromzwischenkreisumrichter)、直接变频器、直流电机变流器等。无功功率由柴油发电机设备的同步发电机提供。取决于负载的无功功率在上述具有控制无功功率的变流器中随时间的梯度可比同步发电机的端电压改变快15至25倍，发电机设备可能跟不上这种改变。尤其是同步发电机励磁场的去励磁需要时间。若驱动船用螺旋桨时超过了柴油机的动力极限(dynamischen Gren本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于具有一船舶电网（５）的船舶的船舶推进系统，它包括－一个带有操纵杆（１）的操纵杆装置，该装置在其出口（７）输出一个与操纵杆（１）的位置对应的操纵杆信号；－一个产生电能的电源（５６）；－一个电调整装置（６），它具有一功率进口 、一功率出口（１９）和一个控制器进口（１２），其中功率进口与电源（５）连接；－一个用于驱动船用螺旋桨（４）的螺旋桨电动机（３），它与调整装置（６）的功率出口（１９）相连；－一个转速传感器（１４），它输出一个与船用螺旋桨（４）的转速相 应的转速信号；－一个调节装置（２），它具有一调节器出口（１１）、一额定值进口（８）和一实际值进口（１３），其中在额定值进口（８）输入操纵杆信号和在实际值进口（１３）输入转速信号，并且调节器出口（１１）与调整装置（６）的控制器进口（１２） 连接；－一些过滤装置（２、３６、４１、５５），它们用于抑制对船舶航行造成影响的调整装置（６）输给螺旋桨电动机（３）的电能瞬时值随时间的改变。

【技术特征摘要】
DE 2000-1-14 10001358.9;DE 2000-3-10 10001602.7;DE1.一种用于具有一船舶电网(5)的船舶的船舶推进系统，它包括-一个带有操纵杆(1)的操纵杆装置，该装置在其出口(7)输出一个与操纵杆(1)的位置对应的操纵杆信号；-一个产生电能的电源(56)；-一个电调整装置(6)，它具有一功率进口、一功率出口(19)和一个控制器进口(12)，其中功率进口与电源(5)连接；-一个用于驱动船用螺旋桨(4)的螺旋桨电动机(3)，它与调整装置(6)的功率出口(19)相连；-一个转速传感器(14)，它输出一个与船用螺旋桨(4)的转速相应的转速信号；-一个调节装置(2)，它具有一调节器出口(11)、一额定值进口(8)和一实际值进口(13)，其中在额定值进口(8)输入操纵杆信号和在实际值进口(13)输入转速信号，并且调节器出口(11)与调整装置(6)的控制器进口(12)连接；-一些过滤装置(2、36、41、55)，它们用于抑制对船舶航行造成影响的调整装置(6)输给螺旋桨电动机(3)的电能瞬时值随时间的改变。2.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述瞬时值是直流电压值或交流电压有效值。3.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述瞬时值是交流电压的频率。4.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述干扰是船体内的振动，这些振动是由于螺旋桨电动机(3)的扭矩波动引起的。5.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述干扰是在船舶电网(5)内的电压升高或频率波动，它们是由于操纵杆(1)在朝螺旋桨电动机(3)转速减小的方向过快调整时引起的。6.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述干扰是在船舶电网(5)的电压升高、电压降落或频率波动，它们是由于螺旋桨(4)上的负载变化引起的，负载变化的原因在于舵的运动、螺旋桨螺距改变、或当船舶有另一些传动链时另一条传动链的转速改变。7.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述干扰是由于船用螺旋桨(4)的动力特性取决于航速的变化形成的。8.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述过滤装置(2、36、41、55)包括第一过滤装置，它设置成用于当幅度波动的频率超过规定的极限和/或幅度波动的幅度低于规定的极限时，抑制在控制器进口(12)处信号的幅度波动。9.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置是幅度选择器。10.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置是滤波器。11.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置连接在实际值进口(17)上游，使实际值信号通过此第一过滤装置输入。12.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置设在调节器出口(11)与控制器进口(12)之间。13.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置(36)组合在调节装置(2)内。14.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置设计为自适应的，当时的过滤装置特征值取决于船用螺旋桨(4)的转速。15.按照权利要求8所述的船舶推进系统，其特征为：第一过滤装置具有一个过滤装置控制器进口，转速信号输入其中。16.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调节装置(2)具有比例积分调节特性。17.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调节装置(2)和/或第一过滤装置设计为数字式或模拟式或模/数混合式工作。18.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调节装置(2)和/或过滤装置以程序的形式在一个微处理机/微控制器内实现。19.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调节装置(2)包含相互串联的一比例调节器(33)、一积分调节器(34)和一加法器(35)，其中比例调节器(33)的进口构成一个其中输入调节误差的进口，比例调节器(33)的出口与积分调节器(34)的进口相连，并且比例调节器(33)的出口和积分调节器(34)的出口与加法器(35)的进口相连，加法器的出口构成调节器出口并反馈到比例调节器(33)的进口。20.按照权利要求19所述的船舶推进系统，其特征为：所述反馈器(19)调整为在额定负载时得出静态调节误差约为0.2％至2％。21.按照权利要求20所述的船舶推进系统，其特征为：所述静态调节误差通过一个修正后的额定值n*补偿。22.按照权利要求21所述的船舶推进系统，其特征为：所述额定值补偿nL*根据估计的负载进行。23.按照权利要求22所述的船舶推进系统，其特征为：所述负载根据未经补偿的转速额定值或尤其是转速实际值按特征曲线确定。24.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调整装置(6)设计为调节器，它的额定值进口构成调整装置(6)的控制器进口(12)。25.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调整装置(6)在其功率出口(19)输出一直流电压，它的值取决于操纵杆(1)的位置。26.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调整装置(6)在其功率出口(19)输出一交流电压，它的频率取决于操纵杆(1)的位置。27.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述调整装置(6)设计为，通过控制器进口(12)处的信号调整调整装置(6)输给螺旋桨电动机(3)的电流。28.按照权利要求1所述的船舶推进系统，其特征为：所述过滤装置(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：冈特盖尔，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]