技术领域
[0001] 本
发明属于全回转舵桨系统技术领域，尤其涉及一种纯电池船舶全回转舵桨系统及悬式电力推进和操控系统。
背景技术
[0002] 新
能源纯电池船舶以其振动小、噪音低以及零排放优势，有着巨大的市场前景和发展潜力，同时，也符合国家发展低
碳绿色经济、节能减排，实现可持续发展的能源发展战略。
[0003] 目前现有的全回转舵桨系统一般有柴油机驱动全回转系统和
电动机直驱全回转系统。
[0004] 如图1所示，柴油机驱动全回转系统由柴油机、离合装置、高弹联轴节、万向轴、
液压马达组件、舵桨装置及液压系统组成。柴油机作为机械动力源带动万向轴通过舵桨壮汉子驱动螺旋桨，正反转操作通过
离合器装置实现。舵桨转向通过液压马达进行转舵操作。
[0005] 但是柴油机驱动全回转系统，柴油机本身振动大、噪音大，由于一般柴油机不能反转，所以必须增加离合器换向装置进行换向，从而改变螺旋桨方向。转舵采用液压转舵，液压转舵由于
流体流动的阻力，所以效率较低。同时液压油
泄漏风险较大，如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故，其次由于工作性能易受到
温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。
[0006] 如图2所示，传统电力推进船舶舵桨系统，是将柴油机变为电动机，有效减小震动和噪音，同时由于电动机可根据需要随意正反转，可去除离合换向装置。但转舵系统依然采用液压装置，同样存在液压油泄漏风险和环境条件受限等缺点。
[0007] 电动机直驱全回转系统由于转向仍然采用液压装置，同样存在液压系统，也就存在液压系统的所有缺点，同时转速控制和转舵控制需要两套系统，集成度不高和成本较高。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种纯电池船舶全回转舵桨系统及悬式电力推进和操控系统，其解决了现有两种全回转舵桨装置的缺点，结合实际项目设计需求，本设计由于动力源为锂电池，推进和转向均为
变频器驱动电动机，从而改变航速和航向，真正实现零污染、零排放、低振动、低噪音以及无油
机舱。
[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0010] 一种纯电池船舶全回转舵桨系统，该系统包括机械部分和电气部分；
[0011] 机械部分包括推进电动机、转舵电动机以及船桨本体装置；
[0012] 电气部分包括驾控
台面板、推进变频器、中央控制箱、转舵变频器机旁柜以及
制动电阻；
[0013] 所述驾控台面板与中央控制箱电连接；
[0014] 所述推进变频器与中央控制箱电连接，所述中央控制箱与转舵变频器机旁柜电连接，所述转舵变频器机旁柜与制动电阻电连接；
[0015] 所述推进变频器与推进电动机电连接，所述推进电动机与中央控制箱电连接；
[0016] 所述转舵电动机与中央控制箱电连接，所述转舵电动机用于驱动舵桨装置本体360°旋转，与舵桨装置本体连接。
[0017] 进一步：所述驾控台面板包含仪器仪表、控制按钮、状态显示以及故障报警；
[0018] 所述仪器仪表、控制按钮、状态显示以及故障报警依次电连接。
[0019] 进一步：所述仪器仪表包括舵
角指示表，用于显示当前螺旋桨的实时
位置；
[0020]
电机电流表，用于显示推进电动机实时电流数值；
[0021] 电机转速表，用于显示推进电动机实施转速数值；
[0022] 调光旋钮，用于调节驾控台面板指示灯
亮度；
[0023] 蜂鸣器，用于对报警状态进行声音提示。
[0024] 进一步：所述控制按钮包括试灯按钮，排除指示灯本身故障显示
精度；
[0025] 消音按钮，对蜂鸣器发出的声音报警进行消音处理；
[0026] 复位按钮，对舵桨控制程序和推进变频器进行复位处理；
[0027] 重载问询按钮，功率较大设备启动是首先判断电站功率是否满足需求，不满足则启动备用电源后在进行问询启动；
[0028] 随动模式/非随动模式按钮，在遥控状态下，
手柄操作和按钮操作的模式转换；
[0029] 左转舵按钮，在非随动模式下进行左转舵操作，此时为恒频恒速控制；
[0030] 右转舵按钮，在非随动模式下进行右转舵操作，此时为恒频恒速控制；
[0031] 紧急停车按钮，系统正常工作时，输入“急停”
信号，变流器需迅速封闭脉冲按钮，同时断开主
接触器，进入停机状态，直至急停信号复位；
[0032] 总控
开关按钮，控制舵桨控制系统得电和断电；
[0033] 1#
电池组合闸按钮，控制1#锂电池组合闸，给整船提供电源；
[0034] 1#电池组分闸按钮，控制1#锂电池组分闸，切断该之路电源；
[0035] 备车按钮，变流器完成预充电后，闭合主接触器，进入“准备”状态，同时给变频器使能信号；
[0036] 启动/停止按钮，推进控制系统的启停操作；
[0037] 越控
请求按钮，系统二级故障时，如整船需要，输入“越控请求”信号，系统无视故障需正常工作，直至越控取消；
[0038] 完车按钮，正常停船后的断主
断路器操作。
[0039] 进一步：所述状态显示包括：
[0040] 遥控，当前处于远程控制状态；
[0041] 本地，当前处于本地控制状态；
[0042] 备妥，舵桨系统一切准备就绪，具备启动运行条件；
[0043] 推进变频器运行，推进变频器正常工作；
[0044] 推进变频器运行，转舵变频器正常工作；
[0045] 1#电池组合闸，1#锂电池组合闸状态显示；
[0046] 1#电池组分闸，1#锂电池组分闸状态显示；
[0047] 运控运行，当前处于部分故障越控状态。
[0048] 进一步：所述故障报警包括：
[0049] 主电源故障，主逆开关闭合但是
支撑电容
电压低于740V时主电源故障；
[0050] 控制主电源失效，中央控制箱AC220V交流电源失电；
[0051] 控制辅电源失效，中央控制箱DC24V电源失电；
[0052]
齿轮箱滑油温度高，齿轮箱滑油温度超过80℃报警；
[0053] 综合故障报警，
冷却水流量低于10L/min、通讯故障、推进给定信号超出量程；
[0054] 功率限制，当锂电池组只有一组在网且推进系统两路均合闸的情况下，限制推进给定信号(电动机输出60kW)，其他工况不限制；
[0055] 推进变频器故障，一类故障(过流(750A)、过压(1050V)、超温(150℃)、接地故障)和所有二类故障；
[0056] 推进电动机故障，三相绕组温度超过135℃报警、超过150℃停机，两端
轴承温度超过85℃报警、超过95℃停机，电机转速超过2000rpm报警、超过3000rpm停机；
[0057] 转舵变频器故障，转舵变频器过压、过流、接地、超温故障；
[0058] 转舵电动机故障，转舵电动机超速、过流，故障。
[0059] 进一步：所述中央控制箱采用西
门子PLC1200系列。
[0060] 进一步：所述转舵变频器机旁柜内安装有转舵变频器，接收中央控制箱4-20mA信号，控制转舵电机旋转，同时可在机旁就地手动操作舵桨系统的启停、加减速、转舵及状态显。
[0061] 进一步：所述转舵变频器机旁柜含如下操作和显示：
[0062] 本地/遥控切换，在机旁对本地/遥控模式进行切换；
[0063] 遥控，当前处于远程控制状态；
[0064] 本地，当前处于本地控制状态；
[0065] 舵角指示表，显示当前螺旋桨的实时位置；
[0066] 电机电流表，显示推进电动机实时电流数值；
[0067] 电机转速表，显示推进电动机实时转速数值；
[0068] 备车，舵桨系统运行前的准备动作；
[0069] 启动/停止，推进控制系统的启停操作；
[0070] 完车，正常停船后的断主断路器操作；
[0071] 加减速，机旁执行直接对变频器加减速点动操作；
[0072] 左右转，机旁执行直接对变频器左右转点动操作；
[0073] 紧急停车，在紧急状态下切断主
电路接触器。
[0074] 一种悬式电力推进和操控系统，该系统包括动力单元、推进单元、辅助单元以及将推进电机和螺旋桨集成于一体的悬式电力推进装置；
[0075] 所述动力单元、推进单元、辅助单元以及悬式电力推进装置依次电连接。
[0076] 与
现有技术相比，本
申请所具有的有益效果是：
[0077] 节省空间：将推进控制系统和转舵控制系统高度集成于一个控制箱内，减小一半布置空间，系统更加紧凑；
[0078] 节省成本：去除液压装置，采用统一电源，控制系统集成于一套主
控制器，自动化程度更高，成本更低；
[0079] 无油机舱：去除液压装置，整船无任何油污，干净整洁、环保舒适；
[0080] 自动化程度高：可将推进系统和转舵系统的所有参数在驾控台或者岸上进行监控，减少故障率，同时降低运营成本。
附图说明
[0081] 图1为本发明的现有技术柴油机驱动全回转系统示意图；
[0082] 图2为本发明的现有技术传统电力推进船舶舵桨系统示意图；
[0083] 图3为本发明的系统架构示意图；
[0084] 图4为本发明的系统原理示意图；
[0085] 图5为本发明的工作状态示意图；
[0086] 图6为本发明悬式电力推进和操控系统的内部结构示意图。
[0087] 其中：1、舵桨本体装置；2、井箱组件；3、液压马达组件；4、反馈装置；5、万向轴；6、液压离合器装置；7、高弹性联轴节；8、油
泵；9、液压系统；10、推进电机；11、全回转舵桨装置；12、驾控台面板；13、推进变频器；14、中央控制箱；15、转舵变频器机旁柜；16、制动电阻；17、推进电动机；18、转舵电动机；19、动力单元；20、推进单元；21、辅助单元。
具体实施方式
[0088] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0089] 如图3和图4所示，一种纯电池船舶全回转舵桨系统，该系统包括机械部分和电气部分。
[0090] 机械部分包括推进电动机17、转舵电动机18以及船桨本体装置。
[0091] 电气部分包括驾控台面板12、推进变频器13、中央控制箱14、转舵变频器机旁柜15以及制动电阻16。
[0092] 驾控台面板12与中央控制箱14电连接。
[0093] 推进变频器13与中央控制箱14电连接，中央控制箱14与转舵变频器机旁柜15电连接，转舵变频器机旁柜15与制动电阻16电连接。
[0094] 推进变频器13与推进电动机17电连接，推进电动机17与中央控制箱14电连接。
[0095] 转舵电动机18与中央控制箱14电连接，转舵电动机18用于驱动舵桨装置本体360°旋转，与舵桨装置本体用
法兰连接，放置在舵桨舱。
[0096] 架控台面板具有推进系统显示和操作功能，通过面板指示灯或仪表显示系统主要故障报警、运行状态及参数等，通过手柄进行转舵和推进操作。
[0097] 驾控台面板12包含仪器仪表、控制按钮、状态显示以及故障报警。
[0098] 仪器仪表、控制按钮、状态显示以及故障报警依次电连接。
[0099] 仪器仪表包括舵角指示表，用于显示当前螺旋桨的实时位置。
[0100] 电机电流表，用于显示推进电动机17实时电流数值。
[0101] 电机转速表，用于显示推进电动机17实施转速数值。
[0102] 调光旋钮，用于调节驾控台面板12指示灯亮度。
[0103] 蜂鸣器，用于对报警状态进行声音提示。
[0104] 控制按钮包括试灯按钮，排除指示灯本身故障显示精度。
[0105] 消音按钮，对蜂鸣器发出的声音报警进行消音处理。
[0106] 复位按钮，对舵桨控制程序和推进变频器13进行复位处理。
[0107] 重载问询按钮，功率较大设备启动是首先判断电站功率是否满足需求，不满足则启动备用电源后在进行问询启动。
[0108] 随动模式/非随动模式按钮，在遥控状态下，手柄操作和按钮操作的模式转换。
[0109] 左转舵按钮，在非随动模式下进行左转舵操作，此时为恒频恒速控制。
[0110] 右转舵按钮，在非随动模式下进行右转舵操作，此时为恒频恒速控制。
[0111] 紧急停车按钮，系统正常工作时，输入“急停”信号，变流器需迅速封闭脉冲按钮，同时断开主接触器，进入停机状态，直至急停信号复位。
[0112] 总控开关按钮，控制舵桨控制系统得电和断电。
[0113] 1#电池组合闸按钮，控制1#锂电池组合闸，给整船提供电源。
[0114] 1#电池组分闸按钮，控制1#锂电池组分闸，切断该之路电源。
[0115] 备车按钮，变流器完成预充电后，闭合主接触器，进入“准备”状态，同时给变频器使能信号。
[0116] 启动/停止按钮，推进控制系统的启停操作。
[0117] 越控请求按钮，系统二级故障时，如整船需要，输入“越控请求”信号，系统无视故障需正常工作，直至越控取消。
[0118] 完车按钮，正常停船后的断主断路器操作。
[0119] 状态显示包括：
[0120] 遥控，当前处于远程控制状态。
[0121] 本地，当前处于本地控制状态。
[0122] 备妥，舵桨系统一切准备就绪，具备启动运行条件。
[0123] 推进变频器13运行，推进变频器13正常工作。
[0124] 推进变频器13运行，转舵变频器正常工作。
[0125] 1#电池组合闸，1#锂电池组合闸状态显示。
[0126] 1#电池组分闸，1#锂电池组分闸状态显示。
[0127] 运控运行，当前处于部分故障越控状态。
[0128] 故障报警包括：
[0129] 主电源故障，主逆开关闭合但是支撑电容电压低于740V时主电源故障。
[0130] 控制主电源失效，中央控制箱14AC220V交流电源失电。
[0131] 控制辅电源失效，中央控制箱14DC24V电源失电。
[0132] 齿轮箱滑油温度高，齿轮箱滑油温度超过80℃报警。
[0133] 综合故障报警，
冷却水流量低于10L/min、通讯故障、推进给定信号超出量程等。
[0134] 功率限制，当锂电池组只有一组在网且推进系统两路均合闸的情况下，限制推进给定信号(电动机输出60kW)，其他工况不限制。
[0135] 推进变频器13故障，一类故障(过流(750A)、过压(1050V)、超温(150℃)、接地故障)和所有二类故障。
[0136] 推进电动机17故障，三相绕组温度超过135℃报警、超过150℃停机，两端轴承温度超过85℃报警、超过95℃停机，电机转速超过2000rpm报警、超过3000rpm停机。
[0137] 转舵变频器故障，转舵变频器过压、过流、接地、超温故障。
[0138] 转舵电动机18故障，转舵电动机18超速、过流，故障。
[0139] 中央控制箱14放置在机电舱，是实现整船推进、转舵功能的核心控制单元，进行
数据处理和运算，柜体设置显示屏，显示推进变频器13、转舵变频器、转舵电机及控制系统的参数和状态。具有profinet通讯
接口，可将系统数据传输至上位机。
[0140] 中央控制箱14是舵桨装置控制系统的核心，进行
数据采集、运算和传输。控制电源、通讯均满足冗余要求，选用西门子PLC1200系列，系统配合整船网络监控组成Profinet网络构架，重要信号与驾控台、推进变频器13、推进电机10、转舵电机通过硬线连接。
[0141] 每套中央控制箱包含如下表：
[0142] 名称 数量电源模
块 1个
主控制器 1个
I/O输入输出模块 若干
继电器 若干
熔断器 若干
空气断路器 若干
220V插座 1个
显示屏 1个
CANopen转Profinet 1个
[0143] 转舵变频器机旁柜15、转舵制动电阻16及转舵电机放置在舵桨舱，转舵变频器用于驱动转舵电机转动从而改变舵桨装置的转向，机旁柜用于实现模式转换和机旁操作，满足规范要求。
[0144] 转舵变频器机旁柜15内安装有转舵变频器，接收中央控制箱144-20mA信号，控制转舵电机旋转，同时可在机旁就地手动操作舵桨系统的启停、加减速、转舵及状态显示。
[0145] 机旁柜包含如下操作和显示：
[0146] 本地/遥控切换：在机旁对本地/遥控模式进行切换。
[0147] 遥控：当前处于远程控制状态。
[0148] 本地：当前处于本地控制状态。
[0149] 舵角指示表：显示当前螺旋桨的实时位置。
[0150] 电机电流表：显示推进电动机17实时电流数值。
[0151] 电机转速表：显示推进电动机17实时转速数值。
[0152] 备车：舵桨系统运行前的准备动作。
[0153] 启动/停止：推进控制系统的启停操作。
[0154] 完车：正常停船后的断主断路器操作。
[0155] 加减速：机旁执行直接对变频器加减速点动操作。
[0156] 左右转：机旁执行直接对变频器左右转点动操作。
[0157] 紧急停车：在紧急状态下切断主电路接触器。
[0158] 推进变频器13接收来自中央控制箱14主控制器发出的4-20mA信号，输出可控三相交流电，从而控制电动机拖动螺旋桨旋转。
[0159] 转舵制动电阻16用于吸收消耗舵桨装置在降速或停车过程中产生的
电能，从而保护电源网络和转舵变频器。
[0160] 转舵制动电阻16用于消耗转舵电机制动工况下产生
能量。
[0161] 参照图5，本发明由舵桨装置机械部分及电气部分组成，电机经过轴系将动力传递到舵桨
输入轴，通过舵桨内两对螺旋圆
锥齿轮、
传动轴，驱动桨叶旋转，产生推力，从而使船舶航行。舵桨水下部分可以在360°范围内自由旋转，提供全方位推力，改变船舶航向。
[0162] 本系统是用于控制和监测全回转
推进器装置的系统，系统设计“驾控台遥控控制”和“机旁就地控制”两种控
制模式：控制优先级为：机旁＞驾控台。控制部位的转换由设置在机旁控制箱上的“本地-遥控”转换开关实现。
[0163] 架控台面板具有两套独立的推进系统显示和操作功能，主要数据显示、报警功能、运行状态通过面板指示灯或仪表显示，整船数据集中显示在设置于驾控台的15寸监控屏上。
[0164] 中央控制箱14放置在机电舱，是实现整船推进、转舵功能的核心控制单元，进行数据处理和运算，柜体设置显示屏，显示推进变频器13、转舵变频器、转舵电机及控制系统的参数和状态。
[0165] 转舵变频/机旁柜、转舵制动电阻16及转舵电机放置在舵桨舱，转舵变频器用于驱动转舵电机转动从而改变舵桨装置的转向，机旁柜用于实现模式转换和机旁操作，满足规范要求。
[0166] 转舵制动电阻16用于吸收消耗舵桨装置在降速或停车过程中产生的电能，从而保护电源网络和转舵变频器。
[0167] 转舵电动机18用于驱动舵桨装置360°旋转，与舵桨装置本体用法兰连接，放置在舵桨舱。
[0168] 通过上述
实施例推进和转舵为变频器驱动电动机，完全省去液压装置，环境优化、可以适用任何电源型式的船舶。
[0169] 实施例2
[0170] 参照图6，一种悬式电力推进和操控系统，该系统包括动力单元19、推进单元20、辅助单元21以及将推进电机10和螺旋桨集成于一体的悬式电力推进装置。
[0171] 动力单元19、推进单元20、辅助单元21以及悬式电力推进装置依次电连接。
[0172] 动力单元19包括推进电机10、变频器以及控制系统。
[0173] 推进单元20包括螺旋桨、轴系、轴承、密封、舱壳及吊柱。
[0174] 辅助单元21回转装置、滑环、接地装置、
刹车、冷却、润滑。
[0175] 通过将舵桨推进控制和转舵控制系统从
硬件到
软件全部集成为一套系统，如操控手柄可推进可360度旋转、控制单元集成于一套PLC，集成于一个
箱体，结构更加紧凑、兼容性扩展性更强、成本更低。需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0176] 以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种
修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0177] 应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的
权利要求来限制。
