Способ функционирования судового приводного двигателя, питаемого инвертором с широтно-импульсной модуляцией, а также система судового привода

Изобретение относится к способу функционирования судового приводного двигателя (2), питаемого по меньшей мере одним импульсным инвертором (3), при котором элементы (5) переключения импульсного инвертора (3) переключаются с изменяемой частотой переключения. Частота переключения вручную управляется обслуживающим персоналом судна независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя (2) и импульсного инвертора (3), чтобы изменить акустический спектр шума судна. Судовой приводной двигатель питается несколькими импульсными инверторами, при этом элементы переключения всех импульсных инверторов управляются с одинаковой частотой переключения. Достигается уменьшение шума судового двигателя. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к способу функционирования судового приводного двигателя, питаемого по меньшей мере одним импульсным инвертором, согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к системе судового привода с подобным судовым приводным двигателем согласно родовому понятию пункта 6 формулы изобретения.

Известно, что при работе судового приводного двигателя, питаемого от импульсного инвертора, переключающие элементы импульсного инвертора (также называемые «вентилями») переключаются с частотой переключения, которая либо не изменяется, либо изменяется только в зависимости от изменений рабочего состояния судового приводного двигателя и/или инвертора. При этом, в частности, в стационарном режиме работы, могут возникать отчетливо воспринимаемые высшие гармоники в спектре шума машины и тем самым также судна. В акустическом спектре шума судна, часто называемого также «акустической сигнатурой» судна, находятся одна или несколько спектральных линий с отчетливо повышенным пиковым значением, в то время как другие области спектра характеризуются лишь очень незначительными значениями. При использовании судна как исследовательского судна формируемые при этом шумы могут создавать помехи измерениям в воде. Кроме того, эти шумы могут мешать морским животным, которые как раз в области спектральных линий с пиковыми значениями имеют особую чувствительность. Поэтому из соображений защиты животных, например, может ограничиваться радиус движения круизных теплоходов или паромов. В случае подводных судов, шумы могут приводить к повышенной вероятности обнаружения подводного судна.

Из DE 3912706 А1 известен способ функционирования машины, питаемой от импульсного инвертора, при котором частота переключения элементов переключения импульсного инвертора автоматически постоянно изменяется независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя и импульсного инвертора. Частоты переключения и их моменты времени изменения при этом задаются, например, от генератора случайных сигналов. В спектре шума двигателя возникает тогда вместо одной или нескольких высоких спектральных линий более или менее непрерывный спектр с заметно более низким пиковым значением.

Из ЕР 0685923 В1 известно, что частота переключения элементов переключения импульсного инвертора для снижения шума изменяется в зависимости от определенной функции, причем за счет целенаправленной установки параметров в функции достигается равномерное распределение высших гармоник в частотном спектре и тем самым шумы снижаются.

В US 2003/0052642 А1 описана система привода, в которой желательная заданная частота переключения может выбираться вручную пользователем. Во всяком случае, эта заданная частота переключения посредством устройства управления инвертором в зависимости от заданного значения для частоты выходного напряжения преобразователя переменного тока частично вновь изменяется, чтобы избежать искажений выходного напряжения преобразователя переменного тока на основе паразитных эффектов.

Из WO 02/057133 А2 известен способ функционирования питаемого по меньшей мере одним блоком инвертора судового приводного двигателя, при котором устройство управления выпрямителем тока блока инвертора может таким образом свободно переключаться, что акустическая сигнатура судна управляется обслуживающим персоналом судна, чтобы изменять акустический спектр шума судна.

С помощью этих решений можно, правда, снизить в целом уровень шума, но шумы по-прежнему создаются в нежелательных частотных диапазонах.

Поэтому задачей настоящего изобретения является избежать подобных проблем в способе функционирования судового приводного двигателя, питаемого от по меньшей мере одного импульсного инвертора согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения и в системе судового привода согласно родовому понятию пункта 5 формулы изобретения.

Решение задачи, направленной на способ, достигается способом согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом пунктов 2-5 формулы изобретения. Решение задачи, направленной на систему судового привода, достигается системой судового привода согласно пункту 6 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом пунктов 7-10 формулы изобретения. Судно с подобной системой судового привода является предметом пункта 11 формулы изобретения. Способ приведения в действие подобного судна является предметом пункта 12 формулы изобретения.

В соответствующем изобретению способе частота переключения вручную управляется обслуживающим персоналом судна независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя и импульсного инвертора, то есть, например, независимо от выходного напряжения импульсного инвертора или входного напряжения судового приводного двигателя и/или от числа оборотов судового приводного двигателя. Таким образом, частота переключения и момент времени, с которого импульсный инвертор управляется с определенной обслуживающим персоналом частотой переключения, определяются не автоматически, а вручную обслуживающим персоналом. Для обслуживающего персонала становится возможным изменять спектр шума (то есть акустическую сигнатуру) судна и тем самым целенаправленно устанавливать определенный желательный спектр шума судна. Спектр шума может тогда целенаправленно устанавливаться в соответствии с имеющимися к определенному моменту времени требованиями и краевыми условиями для функционирования судна. Например, он может устанавливаться для исследовательского судна таким образом, чтобы подводным измерениям не создавались помехи. В случае круизного теплохода или парома он может устанавливаться так, чтобы не мешать определенным морским животным. В случае подводного судна, он может устанавливаться таким образом, чтобы возможность его обнаружения затруднялась. Обслуживающий персонал может для определения частоты переключения находиться на борту судна или также вне судна, причем в последнем случае он управляет частотой переключения путем дистанционного управления. При этом управление частотой переключения обслуживающим персоналом возможно также косвенно путем ввода параметра, ассоциированного с частотой переключения.

При этом судовой приводной двигатель питается несколькими импульсными инверторами, причем элементы переключения всех импульсных инверторов управляются с одинаковой частотой переключения, так что они также в сумме формируют желательный спектр шума.

Для повышения удобства обслуживания персоналу судна может предоставляться ограниченное по количеству число возможных частот переключения для выбора, и обслуживающий персонал управляет частотой переключения тем, что он выбирает частоту переключения из этого числа.

Для персонала судна, в одном особенно удобном для обслуживания выполнении способа, частоты переключения соответственно ассоциированы с типом сигнатуры. Тогда персоналу судна эти типы сигнатур могут предоставляться для выбора, и персонал судна выбирает из этих типов сигнатур один тип сигнатуры. Типы сигнатур могут представлять определенные различные спектры шума или отображать условия использования судна. Тем самым персонал судна может особенно простым способом и без точного знания точных частот переключения только на основе сигнатур управлять частотой переключения. В конечном счете тип сигнатуры представляет, однако, определенный акустический спектр шума (то есть «акустическую сигнатуру» судна), который вновь характеризуется одной или несколькими спектральными линиями с заметно повышенным пиковым значением по сравнению с другими областями спектра со сравнительно отчетливо более низкими значениями.

Согласно особенно предпочтительному выполнению, управляющие импульсы для элементов переключения импульсного инвертора формируются посредством модуляции заданного значения частотой модуляции, и для управления частотой переключения элементов переключения частота модуляции управляется независимо от заданного значения.

В соответствующей изобретению системе судового привода устройство для формирования импульсов переключения для ручного управления частотой переключения обслуживающим персоналом судна связано с устройством ввода. Преимущества, упомянутые в связи с соответствующим изобретению способом, также справедливы и для соответствующей изобретению системы судового привода. Устройство ввода, например, легко доступным для персонала судна образом может быть размещено на мостике судна, в то время как импульсный инвертор и устройство для формирования импульсов переключения находятся в машинном отделении судна.

При этом система судового привода имеет несколько импульсных инверторов для питания судового приводного двигателя и соответствующее собственное устройство для формирования импульсов переключения изменяемой частоты переключения для каждого из импульсных инверторов, причем все устройства для формирования импульсов переключения связаны с устройством ввода. Тем самым может гарантироваться, что все импульсные инверторы управляются одинаковой частотой переключения, а также в сумме формируют желательный спектр шума.

Для повышения удобства для персонала устройство ввода может быть выполнено таким образом, что оно предоставляет обслуживающему персоналу ограниченное по количеству число возможных частот переключения для выбора, и одна из этих частот переключения является выбираемой обслуживающим персоналом для управления частотой переключения.

Для персонала судна, в одном особенно удобном для обслуживания выполнении, частоты переключения соответственно ассоциированы с типом сигнатуры, и устройство ввода выполнено таким образом, что оно обслуживающему персоналу предоставляет для выбора типы сигнатур, ассоциированные с частотами переключения, и что один из этих типов сигнатур является выбираемым обслуживающим персоналом для управления частотой переключения.

Предпочтительным образом устройство для формирования импульсов переключения выполнено таким образом, что оно импульсы переключения для элементов переключения импульсного инвертора формирует посредством модуляции заданного значения частотой модуляции, и что управление частотой переключения элементов переключения осуществляется посредством управления частотой модуляции независимо от заданного значения.

Изобретение и другие предпочтительные варианты выполнения изобретения согласно признакам зависимых пунктов далее поясняются более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - первый пример выполнения соответствующей изобретению системы судового привода,

фиг.2 - предпочтительно применяемый способ для формирования импульсов переключения и

фиг.3 - второй пример выполнения соответствующей изобретению системы судового привода.

На фиг.1 показана система 1 судового привода с электрическим судовым приводным двигателем 2, который подключен к трехфазному импульсному преобразователю 3 постоянного тока в переменный (инвертору) и питается от него электрической энергией. Импульсный инвертор 3 имеет при этом три полумоста 4 с соответственно двумя элементами 5 переключения (например, полупроводниковыми переключателями на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT)) и питается на стороне входа заданным постоянным напряжением U, например напряжением батареи или подводимым постоянным напряжением промежуточного контура инвертора с промежуточным контуром напряжения. Судовой приводной двигатель 2 выполнен как машина трехфазного тока с трехфазной системой 11 обмоток и не показанным на чертеже способом соединен механически с гребным винтом судна.

Для питающего напряжения двигателя 2 устройству 6 для формирования импульсов переключения для элементов 5 переключения импульсного инвертора 4 от устройства 9 регулирования привода задаются заданное значение а и заданная частота f_a. Эти заданные значения определяют показанную на фиг.2 характеристику R заданного значения для питающего напряжения двигателя 2, которое в модуляторе 8 длительности импульсов сравнивается с пилообразным напряжением D модуляции. Их точки пересечения определяют модулированное по длительности импульсов управляющее напряжение S, из которого выводятся фронты управляющих импульсов для элементов 5 переключения импульсного инвертора 3. Этот работающий по известному «способу низших колебаний» модулятор 8 длительности импульсов возбуждается управляющим сигналом f_T, который указывает частоту пилообразного напряжения модуляции.

Управляющий сигнал f_T для частоты модуляции может, согласно уровню техники, формироваться в самом модуляторе 8 устройства 6 в зависимости от заданных значений а и f_a, так что собственного управляющего входа не имеется. В частности, в качестве модулятора 8 длительности импульсов может применяться микропроцессор, который без непосредственного формирования пилообразного напряжения вычисляет управляющие фронты управляющего сигнала S. Частота модуляции тогда, согласно уровню техники, не изменяется или изменяется только в зависимости от изменений рабочего состояния двигателя 2 или импульсного инвертора 3. В стационарном рабочем состоянии частота f_T модуляции постоянна.

Согласно другому известному из уровня техники решению, управляющий сигнал для частоты f_T модуляции может предоставляться от генератора шума, который, согласно статистическому вычислению, формирует частоту f_T модуляции, для которой задано среднее значение и ширина полосы. Тем самым можно, например, реализовать гауссовское распределение частоты f_T модуляции.

В другом известном из уровня техники решении желательная частота f_T модуляции может задаваться вручную пользователем, но она частично вновь изменяется устройством управления инвертором в зависимости от заданного значения для частоты выходного напряжения импульсного инвертора 3 или питающего напряжения двигателя 2.

В противоположность этому, на фиг.1 модулятор 8 длительности импульсов управляется управляющим сигналом f_T для частоты модуляции, который формируется устройством 10 ввода/вывода в зависимости от ручного ввода персоналом судна и независимо от заданных значений а и f_a (то есть, например, независимо от частоты и высоты выходного напряжения импульсного инвертора 3 или входного напряжения двигателя 2 и тем самым от числа оборотов двигателя 2) через устройство 9 регулирования приводом передается на устройство 6 для формирования управляющих импульсов. Устройство 6 для формирования управляющих импульсов, таким образом, для ручного управления частотой переключения обслуживающим персоналом судна через устройство 9 регулирования приводом связано с устройством 10 ввода/вывода. В качестве альтернативы, устройство 6 для формирования управляющих импульсов может также быть связано непосредственно с устройством 10 ввода/вывода или может быть связано через другие компоненты системы 1 судового привода косвенным образом с устройством 10 ввода/вывода. Для этого устройство 10 ввода/вывода находится на мостике судна, в то время как импульсный инвертор 3 и приводной двигатель 2 находятся в машинном отделении судна.

Посредством устройства 10 ввода/вывода персонал судна на мостике имеет возможность вручную управлять частотой переключения независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя 2 и импульсного инвертора 3. Тем самым частота переключения, момент времени, с которого импульсный выпрямитель 3 управляется с этой частотой переключения, и длительность режима работы с этой частотой переключения могут определяться вручную обслуживающим персоналом. В частотном спектре выходного напряжения импульсного инвертора 3 возникают тогда в зависимости от частоты переключения целенаправленным образом одна или несколько спектральных линий с отчетливо высоким пиковым значением. Соответственно изменяется также спектр шума двигателя 2 и тем самым сигнатура судна. Частота переключения воспринимается как единственный заметный пик или несколько заметных пиков в спектре, в то время как другие области спектра характеризуются лишь незначительными значениями.

Для обслуживающего персонала судна, таким образом, становится возможным изменять спектр шума (то есть акустическую сигнатуру) судна и тем самым целенаправленно устанавливать определенный желательный спектр шума судна.

Обслуживающий персонал и устройство ввода/вывода могут для управления частотой переключения также находиться вне судна и управлять частотой переключения путем дистанционного управления.

Устройство 10 ввода/вывода может при этом быть выполнено таким образом, что оно выдает обслуживающему персоналу количественно ограниченное число возможных частот переключения и предоставляет для выбора. Затем для определения частоты переключения обслуживающий персонал имеет возможность выбора одной из этих частот переключения.

Для персонала судна, в одном особенно удобном для обслуживания выполнении, частоты переключения соответственно ассоциированы с типом сигнатуры, и устройство 10 ввода/вывода выполнено таким образом, что оно обслуживающему персоналу предоставляет для выбора типы сигнатур, ассоциированные с частотами переключения. Для управления частотой переключения обслуживающий персонал может выбрать один из этих типов сигнатур. Типы сигнатур могут, например, различаться посредством расположения спектральных линий с заметно увеличенными пиковыми значениями в спектре. Устройство 10 ввода/вывода преобразует тогда желательный тип сигнатуры в ассоциированную частоту f_T модуляции. В качестве альтернативы это преобразование может также осуществляться в устройстве 9 регулирования приводом или в устройстве 6 для формирования управляющих импульсов.

Устройство 10 ввода/вывода может представлять собой, например, сенсорный экран.

Персонал судна может, например, в начале плавания выбрать желательный тип сигнатуры, то есть желательное расположение спектральных линий с отчетливо повышенными пиковыми значениями в спектре и тем самым установить ассоциированную частоту переключения. Персонал судна также может затем в ходе плавания целенаправленно переходить между различными типами сигнатур или частотами переключения.

Вместо одной единственной трехфазной системы 11 обмоток, двигатель 2 может иметь, разумеется, также несколько систем обмоток, которые возбуждаются от своего собственного импульсного инвертора, причем весь импульсный инвертор управляется с одинаковой частотой переключения.

Показанная на фиг.3 соответствующая изобретению система 20 судового привода отличается от показанной на фиг.1 системы судового привода тем, что электрический судовой приводной двигатель 2 имеет несколько (например, двенадцать) питаемых соответствующим однофазным импульсным инвертором 3 ветвей 12 обмоток, из которых для упрощения представления показаны только три. Каждый из импульсных инверторов 3 имеет при этом два полумоста 4 с соответствующими двумя элементами 5 переключения (например, IGBT-полупроводниковыми переключателями). Система 20 судового привода может представлять собой, например, систему судового привода для подводной лодки, для которой для снижения шумов и из соображений резервирования такое питание отдельными ветвями является предпочтительным.

Система 20 судового привода имеет для каждого импульсного инвертора 3 соответствующее собственное устройство 6 для формирования импульсов переключения изменяемой частоты переключения для импульсного инвертора 3. При этом все устройства 6 для формирования управляющих импульсов соединены с общим устройством 9 регулирования приводом, которое для устройств 6 для формирования импульсов переключения - как пояснено в связи с фиг.1 - задает заданное значение а, заданную частоту f_a и частоту f_T модуляции. Частоту f_T модуляции устройство 9 регулирования приводом получает вновь от устройства 10 ввода/вывода, посредством которого персонал судна управляет частотой переключения элементов 5 переключения импульсного инвертора 3 и тем самым спектром шума судна независимо от заданной частоты f_a. Так как все устройства 6 для формирования управляющих импульсов посредством устройства 9 регулирования приводом связаны с одним и тем же устройством 10 ввода/вывода, гарантируется, что они также управляются с одинаковой частотой переключения.

1. Способ функционирования судового приводного двигателя (2), питаемого по меньшей мере одним импульсным инвертором (3), при котором элементы (5) переключения импульсного инвертора (3) переключаются с изменяемой частотой переключения, отличающийся тем, что частота переключения вручную управляется обслуживающим персоналом судна независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя (2) и импульсного инвертора (3), чтобы изменить акустический спектр шума судна, причем судовой приводной двигатель (2) питается несколькими импульсными инверторами (3), при этом элементы (5) переключения всех импульсных инверторов (3) управляются с одинаковой частотой переключения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что персоналу судна предоставляется ограниченное по количеству число возможных частот переключения для выбора и что обслуживающий персонал управляет частотой переключения тем, что он выбирает частоту переключения из этого числа.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что частоты переключения ассоциированы, соответственно, с типом сигнатуры и персоналу судна эти типы сигнатур предоставляются для выбора, причем персонал судна управляет частотой переключения тем, что он выбирает тип сигнатуры из этих типов сигнатур.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что управляющие импульсы для элементов (5) переключения импульсного инвертора (3) формируются посредством модуляции заданного значения (R) частотой (f_T) модуляции и что для управления частотой переключения элементов (5) переключения частота (f_T) модуляции управляется независимо от заданного значения (R).

5. Система (1) судового привода с судовым приводным двигателем (2), по меньшей мере одним импульсным инвертором (3) с элементами (5) переключения для питания судового приводного двигателя (2) и с устройством (6) для формирования импульсов переключения изменяемой частоты переключения для элементов (5) переключения импульсного инвертора (3), причем устройство (6) для формирования импульсов переключения выполнено таким образом, что частота переключения может управляться независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя (2) и импульсного инвертора (3),
отличающаяся тем, что устройство (6) для формирования импульсов переключения для ручного управления частотой переключения обслуживающим персоналом судна связано с устройством (10) ввода, чтобы изменять акустический спектр шума судна, дополнительно отличающаяся несколькими импульсными инверторами (3) для питания судового приводного двигателя и соответствующим собственным устройством (6) для формирования импульсов переключения изменяемой частоты переключения для каждого из импульсных инверторов (3), причем все устройства (6) для формирования импульсов переключения связаны с устройством (10) ввода.

6. Система (1) судового привода по п.5, отличающаяся тем, что устройство (10) ввода выполнено таким образом, что оно предоставляет обслуживающему персоналу ограниченное по количеству число возможных частот переключения для выбора и для управления частотой переключения обслуживающий персонал может выбирать одну из этих частот переключения.

7. Система (1) судового привода по п.6, отличающаяся тем, что частоты переключения ассоциированы, соответственно, с типом сигнатуры, и что устройство (10) ввода выполнено таким образом, что оно обслуживающему персоналу предоставляет для выбора типы сигнатур, ассоциированные с частотами переключения, и что для управления частотой переключения обслуживающий персонал может выбирать один из этих типов сигнатур.

8. Система (1) судового привода по любому из пп.5-7, отличающаяся тем, что устройство (6) для формирования импульсов переключения выполнено таким образом, что оно формирует импульсы переключения для элементов (5) переключения импульсного инвертора (3) посредством модуляции заданного значения (R) частотой (f_T) модуляции и что управление частотой переключения элементов (5) переключения осуществляется посредством управления частотой (f_T) модуляции независимо от заданного значения (R).

9. Судно, в частности подводное судно, с системой (1) судового привода по любому из пп.5-8.

10. Способ приведения в действие судна по п.9, при котором частота переключения изменяется обслуживающим персоналом судна вручную во время плавания судна.