大型船用吊舱动力系统综合测试试验台及试验方法与流程

1.本发明涉及一种船舶推进系统的试验装置，特别是一种大型船用吊舱电动机(n≥10mw)综合测试试验台及试验方法，属于船舶电力推进系统技术领域。


背景技术：

2.水上航运包括内河航运、沿海和远洋航运等各个水运领域，承担着全球80％以上的物资运输。随着船舶动力技术的发展，自动化、智能化和低碳化已成为当前发展的热点，综合电力推进系统具有调速范围广，易于正反转、体积小、布局灵活、无有害气体排放等优点，已成为当今船舶先进动力系统的代表。然而，目前大部分船舶电推动力系统主要被国外垄断，或核心装备依赖国外进口，大型船用吊舱电动机缺乏相应的性能测试验证台，即使实现的核心装备的自主研制，依然缺乏试验验证，无法实现产品性能优化和升级，相关技术发展进展缓慢。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种大型船用吊舱动力系统综合测试试验台及试验方法，能实现电压等级从6.6kv、11kv、13.8kv，功率范围在11mw以下的大型船用吊舱电动机的性能测试。
4.本发明通过以下技术方案予以实现：
5.一种大型船用吊舱动力系统综合测试试验台，包括变电模块、驱动模块、加载模块，控制与监测台和循环水系统，所述变电模块包括两组高压开关，预充磁变压器和三绕组整流变压器，三相电开关控制柜a输出电源依次通过高压开关和预充磁变压器，与三绕组整流变压器的星型绕组输入端相连，三相电开关控制柜b输出电源通过高压开关与三绕组整流变压器三角形绕组输入端相连；
6.所述驱动模块包括第一驱动单元和第二驱动单元，三绕组整流变压器输出端与第一驱动单元输入端相连，第一驱动单元输出端通过开关接线柜与加载模块中被测试的大型船用吊舱电动机相连；
7.被测试的大型船用吊舱电动机轴通过联轴器与所述加载模块的抱轴发电机第一出轴相连，抱轴发电机第二出轴通过联轴器与水力测功器轴相连，抱轴发电机输出端与第二驱动单元一端连接；第二驱动单元另一端分成三路，第一路直流电通过第一直流开关回馈到第一驱动单元的直流输入端，第二路直流电通过第二直流开关直接输入电池组充电存储能量，第三路为交流电回馈用户使用负载使用；
8.所述控制与监测台包括工控机、plc控制器、车钟和avl控制器，所述plc控制器通过以太网与工控机通信，实时反馈给控制与监测试验台相应的电压、电流、转速和功率的性能参数；所述avl控制器的信号线与水力测功器控制端电连接，控制与监测台的信号线分别与高压开关及抱轴发电机控制端电连接；
9.所述循环水系统包括供水单元、冷却单元和循环水池，供水单元水泵进水管和冷
却单元水泵进水管分别通向循环水池，供水单元水泵出水管通过供水单元电磁进水阀与水力测功器的进水端相连，水力测功器的出水端通过供水单元电磁回水阀通向循环水池；冷却单元水泵出水管依次通过第一驱动单元和第二驱动单元后通向循环水池。
10.本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
11.进一步的，所述驱动模块的第一驱动单元和第二驱动单元结构相同，分别包括变频器、电压互感器、电流互感器和制动电阻柜，每个变频器输出端分别与对应的电压互感器、电流互感器和制动电阻柜连接，三绕组整流变压器输出端与第一驱动单元的变频器输入端连接，第二驱动单元的电流互感器与被测试的大型吊舱电动机连接；第二驱动单元经变频器逆变后的交流端与用户使用负载连接，第二驱动单元的变频器的第一直流端通过第一直流开关与用于储存反馈电能的电池组连接，第二驱动单元的变频器的第一直流端还通过第二直流开关与第一驱动单元的第二直流端相连，将能量回馈至第一驱动单元的第二直流端；
12.所述控制与监测台的信号线分别与对应驱动单元的变频器、电阻柜、电流互感器和电压互感器电连接；
13.所述冷却单元出水管依次与第一驱动单元的变频器、第二驱动单元的变频器、第二驱动单元的制动电阻柜、第一驱动单元的制动电阻柜相连后通向循环水池。
14.进一步的，所述三绕组整流变压器的容量：11000kva，3相3线，初级电压：13.8kv或11kv或6.6kv，次级电压：2000v，频率：50hz/60hz；所述预充磁变压器的容量：3300kva。
15.进一步的，所述变频器为三电平交直交变频器，额定容量：11mva，二极管整流，igbt功率器件，输入电压：2
×
2000v，输出电压：3ac 3000v，输入频率：50/60hz。
16.进一步的，所述制动电阻柜的功率范围：300～500kw，电压范围：500～3000v，额定温升：380℃。
17.进一步的，所述电压互感器的精度：0.2级，输出电压≤0.1kv；电流互感器的精度：0.2级，输出电流≤5a。
18.一种大型船用吊舱动力系统综合测试试验台的使用方法，包括以下开机步骤a和停机步骤b；
19.开机步骤a：
20.a1)先开启循环水系统的冷却单元，冷却第一驱动单元和第二驱动单元对应的变频器和制动电阻柜；然后通过控制与监测台发讯，连接三相电开关柜a和预充磁变压器的高压开关闭合后预充磁变压器得电，1分钟后连接三相电开关柜b和三绕组整流变压器的高压开关闭合，三绕组整流变压器得电工作，此时连接三相电开关柜a的高压开关断开，预充磁变压器退出工作；
21.a2)变频器得电，通过控制与监测台的车钟分别发出4～20ma信号给第一驱动单元的变频器，第一驱动单元的变频器输出端依次通过对应的电流互感器、开关接线柜来控制被测试的大型船用吊舱电动机实现0～150r/min转速的连续调速，并进行正反转试验、转速测量、电压与电流监测试验；
22.a3)启动循环水系统的供水单元，按照控制与监测台的avl控制器设置的不同转速加载曲线，通过avl控制器输出信号来自动调节水力测功器的供水单元电磁进水阀和供水单元电磁回水阀的开度的大小，实现对被测试的大型船用吊舱电动机的加载负荷调节试
验，以模拟大型船用吊舱电动机的螺旋桨特性；
23.a4)在大型船用吊舱电动机性能试验期间，抱轴发电机将一部分能量转化为电能，通过第二驱动单元的变频器将不同频率交流电转化为直流电，通过控制与监测台发讯闭合第二直流开关，将直流电回馈至第一驱动单元的变频器的第二直流端实现能量回馈，或通过控制与监测台发讯闭合第一直流开关，直接给电池组充电存储能量；或将抱轴发电机回收的能量直接通过第二驱动单元的变频器转化为需要的交流电，提供给用户使用负载供暖或者提供热水用电，从而提高能源利用率；
24.停机步骤b：
25.b1)停机时先切断第二驱动单元的变频器能量回收端对应的直流开关，通过控制与监测台的车钟发出的信号将被测试的大型船用吊舱电动机转速调低至25～35r/min；
26.b2)通过avl控制器输出信号来完全开启供水单元电磁回水阀，供水单元水泵随即关闭，然后再通过控制与监测台的车钟发出的信号使被测试的大型船用吊舱电动机缓慢停止转动，但冷却单元水泵继续保持运行20分钟以上后，从而保证变频器和制动电阻柜有效散热，最后关闭冷却单元水泵。
27.本发明的试验台能实现多个电压等级及功率范围在11mw以下的多种船用吊舱电动机的测试，通用性好。本发明采用抱轴发电机加变频器作为能量回收系统，可实现能量回馈，能量存储和能量再利用三种功能，节能效果显著。本发明采用avl水力测功器控制系统对船用吊舱电动机进行加载来模拟船用吊舱电动机驱动螺旋桨的推进特性，从而最大程度简化了船用吊舱电动机的试验流程，提高了船用吊舱电动机的试验效率。本发明的试验方法确保了被测试船用吊舱电动机及试验台的安全性和可靠性。
28.本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
29.图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和本发明的实施例对本发明作进一步说明。
31.图1中双点划线框表示模块，细实线表示各模块内器件间的强电连接，虚线表示控制与监测台与各模块内器件间的弱电连接，点划线表示连接水路。
32.如图1所示，本发明的大型船用吊舱动力系统综合测试试验台包括变电模块1、驱动模块2、加载模块3，控制与监测台4和循环水系统5，变电模块1包括两组高压开关11，预充磁变压器12和三绕组整流变压器13，三相电开关控制柜a6输出电源依次通过高压开关11和预充磁变压器12，与三绕组整流变压器13的星型绕组131输入端相连，三相电开关控制柜b7输出电源通过高压开关11与三绕组整流变压器三角形绕组132输入端相连。本实施例的高压开关11为vep系列交流高压固封式真空断路器，型号：vep-24/2500a-30ka。
33.三绕组整流变压器13的容量：11000kva，3相3线，初级电压：13.8kv或11kv或6.6kv，次级电压：2000v，频率：50hz/60hz。预充磁变压器12的容量：3300kva。
34.驱动模块2包括第一驱动单元21和第二驱动单元22，驱动模块2的第一驱动单元21
和第二驱动单元22结构相同，分别包括变频器211、电压互感器212、电流互感器213和制动电阻柜214，每个变频器211的输出端分别与对应的电压互感器212、电流互感器213和制动电阻柜214连接，三绕组整流变压器13的输出端与第一驱动单元21的变频器211输入端连接，第一驱动单元21的电流互感器213通过开关接线柜5与被测试的大型吊舱电动机10连接。第二驱动单元22经变频器211逆变后的交流端ac与用户使用负载20连接，第二驱动单元22变频器211的第一直流端dc1通过第一直流开关215与用于储存反馈电能的电池组216连接，第二驱动单元22的变频器21还通过第二直流开关217与第一驱动单元21的第二直流端dc2相连，将能量回馈至第一驱动单元21的第二直流端dc2。第二驱动单元22另一端分成三路，一路直流电通过第二驱动单元22的第二直流开关217回馈到第一驱动单元21，另一路直流电通过第一直流开关215直接输入电池组216充电存储能量，第三路为交流电，通过交流端ac回馈给用户使用负载20使用。
35.被测试的大型船用吊舱电动机轴101通过联轴器102与加载模块3的抱轴发电机第一出轴311相连，抱轴发电机第二出轴312通过联轴器102与水力测功器轴321相连。抱轴发电机31输出端与第二驱动单元22一端的电流互感器213连接。
36.控制与监测台4包括工控机41、plc控制器42、车钟43和avl控制器44，plc控制器42通过以太网与工控机41通信，实时反馈给控制与监测试验台4相应的电压、电流、转速和功率的性能参数。avl控制器44的信号线45与水力测功器32控制端电连接，控制与监测台4的信号线45还分别与高压开关11、抱轴发电机31控制端及两个驱动单元对应的电压互感器212、电流互感器213和制动电阻柜214电连接。
37.循环水系统5包括供水单元51、冷却单元52和循环水池53，供水单元水泵进水管512和冷却单元水泵进水管522分别通向循环水池53，供水单元水泵出水管513通过供水单元电磁进水阀514与水力测功器32的进水端相连，水力测功器32的出水端通过供水单元电磁回水阀515通向循环水池53。冷却单元水泵出水管523依次从第一驱动单元21变频器211的a口进入，再从第一驱动单元21变频器211的b口进入第二驱动单元22的变频器211的c口，然后从第二驱动单元22变频器211的d口排出，再依次进入第二驱动单元22的制动电阻柜214、第一驱动单元21的制动电阻柜214后通向循环水池53，使得两个驱动单元的变频器211和制动电阻柜214均及时得到冷却。
38.供水单元51按照注水控制与监测台4的avl控制器44设置的不同转速加载曲线向水力测功器32注水，完成被测试大型船用吊舱电动机10的加载试验。
39.三绕组整流变压器13的容量：11000kva，3相3线，初级电压：13.8kv或11kv或6.6kv，次级电压：2000v，频率：50hz/60hz。预充磁变压器的12容量：3300kva。
40.变频器211为三电平交直交变频器，额定容量：11mva，二极管整流，igbt功率器件，输入电压：2
×
2000v，输出电压：3ac 3000v，输入频率：50/60hz。
41.制动电阻柜214的功率范围：300～500kw，电压范围：500～3000v，额定温升：380℃。
42.本实施例电压互感器212的型号为hj12-15的精度：0.2级，输出电压≤0.1kv；电流互感器213的型号为hl28-19r，0.2级，输出电流≤5a。
43.大型船用吊舱动力系统综合测试试验台的试验方法，包括以下开机步骤a和停机步骤b；
44.开机步骤a：
45.a1)先开启循环水系统5的冷却单元51，冷却第一驱动单元21和第二驱动单元22对应的变频器211和制动电阻柜214。然后通过控制与监测台4发讯，连接三相电开关柜a6和预充磁变压器12的高压开关11闭合后预充磁变压器12得电，1分钟后连接三相电开关柜b7和三绕组整流变压器13的高压开关11闭合，三绕组整流变压器13得电工作，此时连接三相电开关柜a6的高压开关11断开，预充磁变压器12退出工作。预充磁变压器13给三绕组整流变压器13预充磁1分钟后再启动三绕组整流变压器13，可有效防止大容量变压器启动，浪涌电流对电网造成冲击。
46.a2)变频器211得电，通过控制与监测台4的车钟43分别发出4～20ma信号给第一驱动单元21的变频器211，第一驱动单元21的变频器211输出端依次通过对应的电流互感器213、开关接线柜5来控制被测试的大型船用吊舱电动机10实现0～150r/min转速的连续调速，并进行正反转试验、转速测量、电压与电流监测试验。
47.a3)启动循环水系统5的供水单元51，按照控制与监测台4的avl控制器42设置的不同转速加载曲线，通过avl控制器输出信号来自动调节水力测功器32的供水单元电磁进水阀514和供水单元电磁回水阀51的开度大小，实现对被测试的大型船用吊舱电动机10的加载负荷调节试验，以模拟大型船用吊舱电动机10的螺旋桨特性。
48.a4)在大型船用吊舱电动机10性能试验期间，抱轴发电机31将一部分能量转化为电能，通过第二驱动单元22的变频器211将不同频率交流电转化为直流电，通过控制与监测台4发讯闭合第二直流开关217，将直流电回馈至第一驱动单元21的变频器211的第二直流端dc2实现能量回馈，或通过控制与监测台4发讯闭合第一直流开关215，直接给电池组216充电存储能量，或将抱轴发电机31回收的能量直接通过第二驱动单元22的变频器211转化为需要的交流电，通过交流端ac提供给用户使用负载20供暖或者提供热水用电，从而提高能源利用率。
49.停机步骤b：
50.b1)停机时先切断第二驱动单元22的变频器能量回收端对应的直流开关，通过控制与监测台4的车钟43发出的信号将被测试的大型船用吊舱电动机10转速调低至25～35r/min。
51.b2)通过avl控制器42输出信号来完全开启供水单元电磁回水阀515，供水单元水泵511随即关闭，然后再通过控制与监测台4的车钟43发出的信号使被测试的大型船用吊舱电动机10缓慢停止转动，但冷却单元水泵521继续保持运行20分钟以上后，从而保证变频器211和制动电阻柜214等驱动设备有效散热，最后关闭冷却单元水泵521。
52.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。