用于向船的船载电功率网络供应外部能量的方法、具有此类外部能量供应器的船 |
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| 申请号 | CN201080016756.5 | 申请日 | 2010-04-14 | 公开(公告)号 | CN102396127A | 公开(公告)日 | 2012-03-28 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | K.蒂格斯; B.德弗里斯; | ||||
| 摘要 | 一种用于向船的船载电 力 网供应外部 能量 的方法、具有此类外部能量供应器的船和用于所述外部供应器的改装方法。为了向船的船载电力网（2）供应外部能量，其中船（1）以 电机 （6）为特征，所述电机（6）在正在为船（1）供应其自己的能量时由船船载的至少一个能量源（3、28）来驱动，为了为船的船载网络（2）供应外部能量，电机（6）依照本 发明 作为发电机进行操作，并且在这种情况下用来自船（1）外面的至少一个能量源（13）的 电流 来驱动，使得其产生用于馈送到船载网络（2）中的具有船载网络（2）的 频率 和 电压 的电流。本发明特别适合于改装船船载的外部能量供应器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于为船的船载电力网（2）供应外部能量的方法，其中船（1）以电机（6）为特征，所述电机（6）在正在为船（1）供应其自己的能量时由船（1）船载的至少一个能量源（3， |
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| 说明书全文 | 用于向船的船载电功率网络供应外部能量的方法、具有此类外部能量供应器的船 技术领域背景技术[0002] 从WO 2004/028899 A1知道船的船载电功率网络，经由其为船的电力驱动发动机（motor）和船船载的柴油发电机的其它负载供应电能。对于向船供应能量的这种方法而言，柴油发电机和因此的用于操作船的驱动发动机及其它负载的能量源位于船的船上。船还具有用于在港内时的操作的附加柴油发电机，其能够连接到船载网络。替换地，可以经由岸上连接对船载网络进行供电。对于船载网络的这种类型的外部能量供应而言，产生经由岸上连接被供应到船载网络中的电流的能量源位于船的外面。在这种情况下，岸上连接必须供应具有船载网络的电压和频率的电流。因此，此类岸上连接必须针对被供应功率的船的要求（频率和电压）具体地定向，并且因此此类岸上连接在许多港口中是不可获得的。 [0003] 当通过直接连接到船载网络来在船中改装此类岸上连接时，继续存在用于必须在船中改装的岸上连接的开关和监控设备的问题。这一般还需要对现有开关和监控设备的干预，并且因此是昂贵的，且常常由于空间原因还是不可能的。 [0004] 已经从WO 2007/060244 A2和WO 2007/060189 A1知道位于船的船上的用于岸上连接的电流转换器的使用，以便将由岸上连接供应的具有与船载网络不同的频率和电压的电流转换成具有船载网络的频率和电压的电流。然而，有时不存在适合于此目的的船船载的可用电流转换器。 发明内容[0005] 本发明的目的是指定一种用于向船的船载电力网供应外部能量的方法，用该方法能够避免上述问题。特别地，该方法应该能够在不对作为必需的船船载的现有开关和监视设备的任何重大变更的情况下执行。本发明的另一目的是指定一种船，利用该船，有可能进行到船的船载网络的此类外部能量的供应。此外，将指定一种方法，通过该方法，能够以相对低的费用在船中改装外部能量供应器。 [0006] 由如权利要求1所要求保护的方法来实现关于所述方法的目的。由具有权利要求10的特征的船来实现关于所述船的目的。一种用于改装外部能量供应器的方法是权利要求 16的主题。有利发展是每种情况下的子权利要求的主题。 [0007] 在用于向船的船载电力网供应外部能量的发明方法中，其中船以电机（electrical machine）为特征，该电机在正在为船供应其自己的能量时由船船载的至少一个能量源来驱动，为了向船的船载网络供应外部能量，该电机作为发电机进行操作，并且在这种情况下用来自船外面的至少一个能量源的电流来驱动该电机，使得其产生具有船载网络的频率和电压以便馈送到船载网络中的电流。 [0008] 因此，将已存在于船的船上且在船的自己的能量供应期间被用于完全不同的目的的电机用于外部能量的供应器。直接或间接地用来自船外面的至少一个能量源的电流来驱动该电机，并且在这种情况下其用于将由该能量源递送的电流的电压和频率转换成具有船载网络的频率和电压的电流。这使得船船载的电机的现有开关和监视设备能够用于外部能量供应，使得出于此目的不需要船中的较大变更或升级。该电机还实现船载网络与布置在船外面的能量源之间的电气分离。这意味着布置在船外面的能量源中或船载网络与布置在船外面的能量源之间的电气连接中的过电压事件及其它影响（其对船载网络有破坏性）未被传输至船载网络且反之亦然。 [0009] 电机基本上可以包括相对于其功率被适当地确定尺寸的船船载的任何电机（即，发动机或发电机）。当正在为船供应其自己的能量时，电机在这种情况下可以由船船载的至少一个能量源来电气地或者还机械地驱动。用电力驱动，能够直接地或经由船载网络从能量源供应功率。 [0010] 位于船的船上的能量源可以包括任何类型的能量源，其从主能量载体（例如，自然或人造燃料、太阳能、风）或辅助能量载体（例如，机器的废热）产生机械能或电能。其示例是柴油发动机、燃气涡轮机或者还有蒸汽涡轮机（后者例如与废热利用系统相结合），其中必要时包括被由此驱动以进行发电的发电机。 [0011] 优选地，使用船船载的电机，其在正在为船供应其自己的能量时被用作发电机，尤其作为废热利用系统的发电机或作为无功功率发电机，因为这些机器已被根据外部能量供应器的功率要求的需要确定尺寸，并且另外不必在外部能量供应期间操作。 [0013] 位于船外面的能量源可以包括任何类型的能量源，其从主能量载体（例如，自然或人造燃料）或从辅助能量载体产生电能，诸如例如位于陆上的电力发电站、浮动发电站、浮动港口电源或离岸平台，其中最后两个通常具有用于发电的发电机和驱动所述发电机的内燃机（例如气体涡轮机或柴油发动机）。 [0014] 电机可以具有在每种情况下用于利用外部能量源的电流对其进行驱动并用于产生用于船载网络的功率的单独绕组系统。然而，依照特别有利的发展，将由用于船的船载网络的外部能量供应的（单独）电力发动机来驱动电机，由来自布置在船外面的能量源的电流对所述电机进行操作，其中电力发动机驱动电机，使得后者产生具有船载网络的频率和电压的电流。 [0015] 当电力发动机从电机解耦合以将自己的能量供应给船且仅被耦合至电机以供应外部能量时，电力发动机不必在为船供应其自己的能量时同时运行，由此能够避免能量损耗。 [0016] 优选地，为了向船的船载网络供应外部能量，电力发动机经由功率传输元件来驱动电机，该功率传输元件将电力发动机的旋转移动转换成电机的旋转移动以便产生具有船载网络所需的频率和电压的电流。这使得能够将低成本的标准发动机（例如异步发动机）用于电力发动机。在这种情况下可以由功率传输元件来使电力发动机的旋转速度适合于产生具有船载网络的频率和电压的电流所需的电机的旋转速度。 [0017] 功率传输元件优选地包括齿轮传动装置。在成本非常低的替换发展中，还可以将链驱动或带驱动用于功率传输元件。如果能够针对功率传输元件改变传动比，则还可以使电力发动机针对用来自不同能量源的具有不同电压和频率的电流进行的操作灵活地适合于在电机侧产生具有船载网络的电压和频率的电流所需的速度。 [0018] 为了避免在从其自己的能量供应器至外部能量供应器的转换时正好通至船的失电（blackout）的船载网络中的电压中断，优选地使船载网络电压的相位同步至在从自己的能量供应器至外部能量供应器的转换之前由电机产生的电压的相位。这可以在为了向船供应能量（例如，通过适应驱动船载网络发电机的柴油发动机的速度和转矩）而运行的发电机处通过本领域的技术人员所熟悉的闭环或开环控制干预针对船载网络来完成。 [0019] 如果相反地在从其自己的能量供应器至外部能量供应器的转换之前，使由电机产生的电压的相位同步至船载网络电压的相位，则能够避免此类开环或闭环控制干预。如果由利用滑动驱动器来驱动电机的异步发动机来驱动电机，则通过精确地使时间上的一个重复点等待进行连接（在该连接处，由电机产生的电压的相位与船载网络电压的相位同步）来以特别简单的方式使这一点是可能的。在其它情况下，例如，在其中由同步机器来驱动电机的情况下，可以例如借助于从电力发动机上游连接的电流转换器由被馈送到电力发动机的电流的相位的开环或闭环控制来执行该同步。 [0020] 如果由用于外部能量供应的电力发动机来驱动电机，还有可能通过机械地使电机的速度和电力发动机的速度相互同步来实现该同步。这通常可以在第一步骤中完成，在第一步骤中，通过由来自船载网络的电流驱动的电机和由来自布置在船外面的能量源的电流驱动的电力发动机相互独立地起动或操作，将电机和电力发动机机械地相互解耦合。于是，已经用船载网络的频率和相位来驱动电机。随后，在第二步骤中，使电机和电力发动机在其速度方面机械地相互同步。这可以通过闭合布置在电力发动机中的电机之间的开关联轴器用电机和电力发动机的机械耦合来完成，所述开关联轴器优选地被出于此目的实施为摩擦联轴器。于是，用来驱动电力发动机的电压和电流的相位是不重要的。 [0021] 这种方法适合于使同步以及还有异步机器二者的速度同步。还可以在没有任何问题的情况下使同步机器与异步机器同步。当改装外部能量供应器时，这种方法意味着不需要对现有同步序列的干预。 [0022] 在具有船载的船的网络、电机和用于在为船供应其自己的能量时驱动电机的船船载的至少一个能量源的本发明的船中，电机能够作为用于向船的船载网络供应外部能量的发电机进行操作，并且当以这种方式来操作时，电机被实施为能够用来自在船外面的至少一个能量源的电流来驱动，使得其产生具有船载网络的频率和电压以便馈送到船载网络中的电流。 [0023] 在这种情况下，优选地将电机实施为发电机，尤其是作为废热利用系统的发电机或作为无功功率发电机，其用来供应功率以用于船的自己的能量供应。 [0024] 替换地，可以将电机实施为发动机，其在正在为船供应其自己的能量时驱动船船载的设备，尤其是横向推进器或泵。 [0025] 有利地，船包括用于驱动电机以便向船自己的船载网络供应外部能量的电力发动机，其中该电力发动机能够经由电气连接与布置在船外面的能量源进行连接，并且被实施为且能够用来自此能量源的电流进行操作，其中该电力发动机被实施为且能够被耦合或正在被耦合至电机，使得当其用此电流进行操作时，由其驱动的电机产生具有船载网络的频率和电压的电流。 [0026] 在有利发展中，联轴器（尤其是在实施例中作为摩擦联轴器）可用于电力发动机去到或来自电机的操作耦合或解耦合。利用被实施为摩擦联轴器的联轴器（如上文已经解释的），能够特别有利地执行电机和电力发动机的速度的机械同步。 [0027] 依照特别有利的发展，所述船包括功率传输元件，尤其是传动装置，以便将电力发动机的旋转移动转换成产生具有船载网络的频率和电压的电流所需的电机的旋转移动。 [0028] 针对本发明的方法及其有利发展所述的优点等同地适用于本发明的船及其各个相应的有利发展。 [0029] 在用于在船中改装用于船的船载电力网的外部能量供应器的发明方法中，其中船具有电机，该电机在正在为船供应其自己的能量时由船船载的至少一个能量源来驱动，并且电力发动机被安装在船中，其被耦合或能够被耦合至电机以便对其进行驱动，其中电力发动机能够经由电气连接而连接至布置在船外面的至少一个能量源，并且被实施为能够由来自此能量源的功率来驱动，其中该电力发动机被实施为且被耦合或能够被耦合至电机，使得当其用此电流进行操作时，由其驱动的电机产生具有船载网络的频率和电压的电流。 [0030] 对于改装该外部能量供应器，这意味着仅必须改装用于驱动船中的电机的电力发动机。在这种情况下，可以使用低成本的异步发动机。可以使用电机的现有监控和开关设备，使得能够避免船中的相对于此类设备的更大变更或升级。与用船载网络到外部能量源的直接连接来改装外部能量供应器相比这是很大的优点，因为这使得需要船中的附加监视和开关设备的昂贵的改装，常常不存在用于该附加监视和开关设备的空间。如果在船中已存在用于电机的起动发动机，则这还可以用电力发动机来替换，由此，甚至能够进一步减少用于改装电力发动机的空间方面的花费。附图说明 [0031] 下面将参考图中的示例性实施例更详细地解释本发明以及依照子权利要求的特征的本发明的有利发展。附图示出：图1 用于外部能量供应的没有起动发动机的无功功率机器的使用； 图2 用于外部能量供应的具有起动发动机的无功功率机器的使用； 图3 用于外部能量供应的无功功率机器的使用，其中已用较大的电力发动机替换起动发动机； 图4 用于外部能量供应的废热利用系统的发电机的使用； 图5 用于外部能量供应的柴油发电机组的发电机的使用； 图6 用于外部能量供应的横向推进器的电力驱动发动机的使用； 图7 排成一行的外部能量供应发动机和由其驱动的电机的布置； 图8 外部能量供应发动机在由其驱动的电机上的布置； 图9 外部能量供应发动机和由其驱动的电机的直角布置。 具体实施方式[0032] 图1中以简化方式示出的船包括：具有额定电压U1和额定频率f1的船载网络；被连接到船载网络2的多个发电机4，且每个发电机4都由一个柴油发动机3驱动以便产生用于船载网络2的功率；以及被连接到船载网络2的负载5。以无功功率机器（无功功率发电机）6的形式经由平滑扼流圈21连接到船载网络2的电机用于产生用于船载网络2的无功功率。作为替换，可以将无功功率机器6直接连接至船载网络2。 [0033] 电力发动机7能够经由传动装置8和开关联轴器9耦合至无功功率机器6。开关联轴器9允许电力发动机7去到或来自机器6的操作性耦合和解耦合。电力发动机7能够经由电线11与岸上电力网12连接且能够由来自此网络12的电流来操作。由能量源13为岸上网络12供应具有与船载网络不同的电压U2和频率f2的电流。 [0034] 通常被实施为同步发动机的无功功率机器6是轴发电机/发动机系统20的组件，其除了平滑扼流圈21之外还包括被耦合到螺旋桨轴22的轴发电机/发动机23、励磁整流器24、起动电流转换器25、机器侧电流转换器26和网络侧电流转换器27。 [0035] 当正在为船1供应其自己的能量时，柴油发动机3另一方面充当能量供应器并驱动发电机4，彼此同步的该发电机4向船载网络2中馈送具有电压U1和频率f1的电流。主机器28（例如，大型柴油发动机）形式的另一能量源驱动螺旋桨轴22并从而驱动轴发电机23，其产生具有不同于船载网络的电压U3和频率f3的电流，该电流被转换器26、27转换成具有船载网络的电压U1和频率f1的电流，并经由平滑扼流圈21被馈送到船载网络2中。 由于轴发电机23不能供应任何无功功率，所以这必须由无功功率机器6来提供。在这种情况下，无功功率机器6分别用来自船载网络2或来自轴发电机23的电流来操作。在这种情况下，无功功率机器6被从发动机7解耦合。 [0036] 在这种情况下，直至达到网络频率f1的点的无功功率机器6的起动用开启式开关（open switch）14以经由起动电流转换器26和网络侧电流转换器27来自船载网络2的电流发生。 [0037] 为了向船的船载网络2供应外部能量，无功功率机器6作为产生有效功率的发电机进行操作。为此，使轴发电机操作停止，并由开关14来使无功功率机器6与网络2隔离。借助于线路11将电力发动机7连接至岸上网络12。随后，将无功功率机器6耦合至电力发动机7并由后者来进行驱动。在这种情况下，用来自岸上网络12的具有电压U2和频率f2的电流来驱动电力发动机7，并且其经由传动装置8来驱动无功功率机器6，使得其产生具有岸上网络2的电压U1和频率f1的电流。 [0038] 在这种情况下，电力发动机7和传动装置8的传动比被调谐至无功功率机器6，使得在电力发动机7用来自网络12的具有电压U2和频率f2的电流进行操作的期间，驱动无功功率机器6，使得其以一定速度旋转，在该速度下其产生具有船载网络2的电压U1和频率f1的电流。 [0039] 为了避免从自己能量供应至外部能量供应的转换期间的网络中的电压中断，在转换阶段中，必须同时短暂地存在由发电机4中的一个或多个和由无功功率机器6进行的功率馈送。为此，由一个或多个发电机4产生的电压和由无功功率机器6产生的电压的相位必须相互同步。 [0040] 因此，在从自己能量供应器至外部能量供应器的转换之前，即在将无功功率机器6连接至网络2之前，通过柴油发动机3的相应激活使船载网络2的电压的相位同步至由无功功率机器6产生的电压的相位。只有在此同步之后，才将经由开关14将无功功率机器6连接至船载网络2并随后将使发电机或其余发电机4从船载网络2断开。 [0041] 替换地，还可以使由无功功率机器6产生的电压的相位与船载网络2的电压的相位同步。如果将电力发动机7实施为异步机器，则这尤其容易，因为此类机器的相位由于滑动而不断地改变，并且为了连接至网络2，只需等待相位同步的时间。在其它情况下，例如，其中正在由同步机器来驱动无功机器，可以例如借助于从电力发动机7上游连接的转换器由被馈送至电力发动机7的电流的相位的闭环控制或开环控制来执行同步。 [0042] 在从外部能量供应器至自己能量供应器的转换中，为了避免电压中断，以类似方式，必须使由被首先起动的发电机4产生的电压的相位与船载网络2或由其供应的无功功率机器6的电压的相位同步，或者相反地必须使无功功率机器6的船载网络2的电压的相位与由被首先起动的发电机4产生的电压的相位同步。 [0043] 对于船1的自己能量供应器而言，还可以借助于联轴器9再次将无功功率机器6从电力发动机7解耦合。 [0044] 在所示的两种情况下，将无功功率机器6和电力发动机7相互耦合以便同步，然而，其中开关14被断开，并因此使无功功率机器6从船载网络2隔离。只有一旦电气同步已经发生时，才经由开关14将无功功率机器6连接至船载网络2并随后将使发电机或其余发电机4从船载网络2断开。 [0045] 然而，除了相对于频率和相位的这种类型的“电气”同步之外，还有可能是“机械”同步。不同于针对电气同步，将开关14闭合以便机械同步，即将无功功率机器6连接至船载网络2并借助于联轴器9机械地使无功功率机器6从电力发动机7解耦合。在第一步骤中，然后将用来自船载网络2的具有频率f1的电流来驱动无功功率机器6，并用来自岸上网络12的具有频率f2的电流来驱动电力发动机，其相互独立地起动和操作。然后用船载网络2的频率和相位来操作无功功率机器6。随后在第二步骤中，通过闭合开关联轴器9来使无功功率机器6和电力发动机7机械地相互同步。为此目的，将开关联轴器9实施为摩擦联轴器，使得在无功功率机器6侧和电力发动机7侧上的摩擦在每种情况下设定相同的速度。为了改装外部能量供应器，这种方法意味着不需要对现有同步序列的干预。 [0046] 作为从岸上电力网12供应的替代，还可以例如从浮动发电站、浮动港口电源或离岸平台供应外部能量。 [0047] 图2所述的船与图1所示的船的不同之处在于存在小型起动发动机29，其用于起动无功功率机器6以便向船1供应被从网络2直接经由起动电流转换器30馈送的能量。在这种情况下，无功功率机器6在其一个轴端处被耦合至起动发动机29并能够在其另一轴端处耦合至电力发动机7。在这种情况下，电力发动机7的功率比起动发动机29的功率大得多。 [0048] 在图3中描绘的船1中，由电力发动机7来替换起动发动机29。因此，电力发动机7接管用于启动无功功率机器6以进行轴发电机操作的起动发动机的功能（即当正在为船供应其自己的能量时），以及还有用于到船1的外部能量供应器的外部供应发动机的功能二者。电力发动机7在这种情况下可以借助于开关31可选地连接至起动电流转换器30或线路11。在这种情况下，可以可选地将联轴器9实施为开关联轴器或刚性连接联轴器。 [0049] 在图4中描绘的船1中，将仅示出其部分的废热利用系统40的发电机46用于外部能量供应器，其将用于驱动船的内燃机的废热转换成电能。废热利用系统40包括用于驱动发电机46和蒸汽涡轮机43的排气涡轮机42，其能够经由联轴器44耦合至发电机46的轴的一端。此外，发电机46能够经由联轴器9和传动装置8在轴的另一端处耦合至电力发动机7。为了为船1供应其自己的能量，将发电机46耦合至排气涡轮机42和蒸汽涡轮机43，并由后者来机械地驱动，但是使其从电力发动机7解耦合。这意味着间接地由作为其能量源的内燃机对其进行驱动。 [0050] 为了供应外部能量，借助于联轴器44使发电机46与排气涡轮机42和蒸汽涡轮机43分离并替代地借助于联轴器9耦合至电力发动机7。经由线路11将电力发动机7连接至岸上网络12并用来自此网络的功率进行操作。在这种情况下，其驱动发电机46，使得后者产生具有船载网络2的电压U1和频率f1的电流。 [0051] 在图5中描绘的船1中，将柴油发电机组50的发电机56用于供应外部能量。发电机56能够为此目的在其一个轴端处经由联轴器52耦合至柴油发动机51并能够在其另一轴端处经由联轴器9和传动装置8耦合至电力发动机7。为了为船1供应其自己的能量。将发电机56耦合至作为其能量源的柴油发动机51，并由后者对其进行机械驱动，但是使其从电力发动机7解耦合。为了供应外部能量，借助于联轴器52使发电机56从柴油发动机 51断开，并替代地用联轴器9耦合至发动机7。经由线路11将电力发动机7连接至岸上网络12并用来自此网络的功率进行操作。在这种情况下，其驱动发电机56，使得后者产生具有船载网络2的电压U1和频率f1的电流。 [0052] 在图6中描绘的船1中，使用用于横向推进器设备60的电力驱动发动机66来供应外部能量。能够由联轴器62将驱动发动机66在其轴端中的一个处耦合至横向推进器61并经由联轴器9和传动装置8在其另一轴端处耦合至电力发动机7。当正在为船供应其自己的能量时，将驱动发动机66耦合至横向推进器61且其驱动横向推进器61，由此，用来自船载网络2的功率、即用来自作为其（一个或多个）能量源的柴油发动机3中的一个或多个的能量对其进行操作。在这种情况下，使驱动发动机66从电力发动机7解耦合。对于外部能量供应而言，借助于联轴器9使驱动发动机66从横向推进器61解耦合并替代地经由联轴器9耦合至发动机7。经由线路11将电力发动机7连接至岸上网络并用来自此网络的功率进行操作。在这种情况下，其以发电机产生具有船载网络2的电压U1和频率f1的电流的方式驱动作为发电机进行操作的驱动发动机66。 [0053] 如在结合图1解释的情况下，可以主要以在图2至图6所示的示例性实施例中的类似方式来执行用于用关联的同步过程从自己的能量供应转换至外部能量供应或反过来的方法。 [0054] 如图7所示，可以在船1中以排成一行的方式布置电机6、46、56、66、电力发动机7和中间传动装置8。 [0055] 如果可用空间是非常有限的，如图8所示，则还可以相互成直角地布置电机6、46、56、66和电力发动机7，其中能够例如经由被实施为直角传动装置的传动装置8来传送功率。 [0056] 作为替换，如图9所示，还可以将电力发动机7布置在电机6、46、56、66上或之上，其中例如经由传动装置8或被布置在其端面表面中的一个上的链驱动来传送功率。 |
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