馬昭勝

(集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門 361021)

船舶電力推進技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)得到迅速的發(fā)展，此技術(shù)的研究越來越受到國內(nèi)外的高度重視，具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。

隨著電力推進技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越大［2］。目前越來越多的小型旅游船舶、江河內(nèi)的工程船舶都采用了電力推進系統(tǒng)，然而，我國對電力推進技術(shù)的研究尚處于初步階段，在這方面與發(fā)達國家存在很大的差距，所以電力推進的先進核心技術(shù)一般由外國引進［3］。國內(nèi)已經(jīng)有很多公司對此表示高度重視，而且也取得了一些成果［4］。西湖指揮工作船，船體長度為19.8 m，寬為4.8 m，滿載排水量為32.7 t，推進主機采用15 kW的三相異步電機。珠海江龍船舶制造有限公司開始在內(nèi)河旅游船舶上采用變頻調(diào)速技術(shù)驅(qū)動船舶運行，相關(guān)參數(shù)為:船長16 m，寬1.35 m，最大航速12 km/h，電機2臺，功率11 kW，此系統(tǒng)已經(jīng)試車成功。以上的例子表明電力推進技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用在小型船舶上［5］。

本文探討電力推進船舶的推進子系統(tǒng)和負載模擬子系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，并且對諧波抑制技術(shù)也作一定的介紹。

1 推進電機子系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

推進電機子系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1，2#駕控臺是基于中控EPA系統(tǒng)組建的電力推進系統(tǒng)［6］。

下面對具體流程加以說明:來自變頻柜的信號有電機電流，電機功率因素，電機轉(zhuǎn)速，電機頻率，變頻器輸入電壓，還有變頻器各種運行指標(啟停、變頻允許，變頻故障等)，電機溫度等。這些信號是用來判斷系統(tǒng)是否正常工作的信號，一部分傳給控制柜的PLC進行處理判斷，一部分經(jīng)EPA各組件轉(zhuǎn)換為總線數(shù)據(jù)，另外一些信號是作為遠程控制駕控臺的指示燈信號，分別傳送到各駕控臺指示燈面板。

圖1 推進電機子系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖

1#號駕控臺得到變頻柜各種運行指示標志后，判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，若系統(tǒng)運行正常無報警指示則開始啟動系統(tǒng)。通過控制面板啟動按扭進行系統(tǒng)啟動，調(diào)節(jié)速度輸入主車鐘對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)(在系統(tǒng)按給定速度運行指示燈亮?xí)r進行)。

通過駕控臺轉(zhuǎn)換開關(guān)將控制權(quán)交由2#號駕控臺來操作。首先來自變頻柜的用于判斷系統(tǒng)正常運行的指示燈信號送至2#號駕控臺，2#號駕控臺判斷系統(tǒng)可以正常工作后發(fā)出啟動信號，經(jīng)EPA系統(tǒng)總線送至PLC進入系統(tǒng)運行初始化。調(diào)節(jié)速度輸入手柄給電機以不同轉(zhuǎn)速，模擬速度信號經(jīng)EPA總線送到PLC，由PLC進行控制給變頻器以一定的控制信號，PLC產(chǎn)生的控制信號再次傳到EPA總線上來，由EPA總線將PLC輸出的控制信號送到指定現(xiàn)場輸出設(shè)備 (變頻器各控制輸入端)，以此來改變輸入電機的頻率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速由PLC根據(jù)PID調(diào)節(jié)程序進行實時調(diào)整。

作為上位機的嵌入式系統(tǒng)通過監(jiān)控軟件(PIMS PLC系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控及記錄)從EPA系統(tǒng)總線上得到電力推進系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)。

2 負載模擬子系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

驅(qū)動電機和負載電機的轉(zhuǎn)接在本系統(tǒng)中要求很高，需要很高的對中工藝。在安裝時要專門的工作人員來保證安裝的精度。二者對中精度的高低將很大程度影響扭矩的測量和設(shè)備的正常運行。

先期，我們在地面上用水泥填充了一個底座，上面用鋼板放平，制作時嚴格保證底座牢固，鋼板水平。后期，為2個電機的轉(zhuǎn)接，專門設(shè)計一個鋼制底架，底架的制作同樣要保證精度，然后把驅(qū)動電機和負載電機安裝在底架上。驅(qū)動電機和負載電機之間通過一個與驅(qū)動電機連接的軸套、一個萬向軸，扭矩傳感器側(cè)軸套、負載電機側(cè)軸套。其中在扭矩傳感器側(cè)的軸套處安裝一個支座，在扭矩傳感器處安裝一個支座。通過專用設(shè)備來測量保證負載電機和驅(qū)動電機的主軸以及扭矩傳感器的精確對中。全部組裝完畢，最后將整個底座焊在水泥底座的鋼板上，防止電機運行時發(fā)生移動。

考慮到本負載模擬各種轉(zhuǎn)矩的精度要求，本系統(tǒng)在設(shè)計時引用一個扭矩傳感器，實時檢測負載電機的扭矩輸出和變頻器的扭矩輸出，進而構(gòu)成閉環(huán)的PID控制。其閉環(huán)控制示意圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制示意圖

負載控制柜從驅(qū)動變頻柜引出緊急停車信號和停車信號來作為判斷驅(qū)動系統(tǒng)工作信號的依據(jù)。當(dāng)驅(qū)動變頻柜給出完車信號時，負載變頻器檢測到該信號，自動停止工作。

進行實驗前要先進行螺旋槳和2臺電機的基本參數(shù)設(shè)置。螺旋槳的參數(shù)包括:船舶排水量 (t)、阻力系統(tǒng) (N/(m/s2))、水體密度 (kg/m3)、伴流系數(shù)、推力減額分數(shù)、螺旋槳直徑 (m)、螺旋槳轉(zhuǎn)速 (r/min)、風(fēng)浪阻力幅值 (N/m)、風(fēng)浪阻力周期 (s)、齒輪箱變比 (1/x)、螺旋槳數(shù) (4)、加速時間。電機參數(shù)包括:額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、加載轉(zhuǎn)速、報警溫度、停機溫度。

上述參數(shù)設(shè)置完畢后，還需對轉(zhuǎn)矩控制模型參數(shù)進行設(shè)置。設(shè)置恒定功率實驗參數(shù)，得到負載的實驗結(jié)果，如圖3所示。從實驗結(jié)果可以看到，負載上位機啟動后經(jīng)過大約200 ms的時間負載電機把轉(zhuǎn)矩加到設(shè)定值，負載轉(zhuǎn)矩與設(shè)定轉(zhuǎn)矩一致性很好，達到實驗要求。在負載電機達到設(shè)定轉(zhuǎn)矩時，持續(xù)增加驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)電機的輸入電流基本保持不變，而驅(qū)動電機的輸入電壓則隨著驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速的增加而增加。在驅(qū)動電機達到最大轉(zhuǎn)速時，負載電機的轉(zhuǎn)矩有所波動，之后當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時，負載電機轉(zhuǎn)矩又回到設(shè)定值。轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動是因為在負載上位機我們提前設(shè)定，轉(zhuǎn)速不能超過1 000 r/min，而當(dāng)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min時出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩與設(shè)定不符的情況，而當(dāng)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速再次降到1 000 r/min時，負載電機再次達到設(shè)定轉(zhuǎn)矩值?？梢姳鞠到y(tǒng)具有較高的實驗精度。

圖3 恒功率實驗曲線圖

3 諧波抑制技術(shù)

船舶電力推進技術(shù)的興起，很大程度上歸功于功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，采用功率半導(dǎo)體器件的變頻裝置就是為了變流［7］。變流過程中，輸入和輸出側(cè)電壓和電流都會出現(xiàn)波形畸變，產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致原本的正弦波電壓和電流發(fā)生畸變，降低了船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量，影響了船舶電力推進系統(tǒng)的安全運行，增加了功率損耗，給系統(tǒng)設(shè)備帶來不同程度的危害，嚴重時，還會損壞設(shè)備［8］。因此，諧波抑制的研究，對船舶電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展有著非常重大的意義。

諧波抑制的非常重要的技術(shù)就是使用并聯(lián)型有源電力濾波器，其系統(tǒng)框圖如圖4，其工作原理為:指令電流運算電路在檢測到負載電流后，通過運算把負載電流信號中的諧波電流、無功電流及負序電流和零序電流檢測出來，然后把電流信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的變流器觸發(fā)信號，再通過電流跟蹤控制電路形成觸發(fā)脈沖去驅(qū)動變流器，使變流器產(chǎn)生的電流為上述電流之和，極性相反，再回注入電網(wǎng)，則電網(wǎng)中的諧波電流、無功電流、負序電流和零序電流被抵消為零，只剩下基波有功正序電流。

圖4 并聯(lián)型APF系統(tǒng)框圖

4 結(jié)束語

將船舶電力推進系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng)分別實現(xiàn)，即推進電機控制系統(tǒng)和負載模擬系統(tǒng)［9］。2個子系統(tǒng)的上位機均由一臺專用工業(yè)控制機、顯示器、打印機組成，負責(zé)監(jiān)控、管理和記錄，下位機均采用可編程邏輯控制器和變頻器進行信號采集和控制，上位機和下位機的通訊采用PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線，從而保證數(shù)據(jù)通訊的實時性［10］。

為了有效模擬推進電機所驅(qū)動的負載特性，通過采用線性項、二次方項、三次方項和積分項等來模擬所需施加的負載轉(zhuǎn)矩，采用一個高精度扭矩傳感器，實時檢測負載電機的扭矩輸出和變頻器的扭矩輸出，構(gòu)成閉環(huán)的PID扭矩控制系統(tǒng)，實現(xiàn)期望負載轉(zhuǎn)矩的施加。諧波抑制技術(shù)的有源電力濾波器在船舶上的應(yīng)用能極大改善船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量，從而保證船舶電力推進系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

［1］劉鈺山，葛寶明，畢大強.基于多相整流的船舶電力推進系統(tǒng)諧波抑制 ［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報 ，2011，35(2):99－103.

［2］沈愛弟，褚建新，康偉.內(nèi)河船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報，2009，30(2):20－24.

［3］鄭為民，俞萬能.小型船舶電力推進系統(tǒng)諧波分布研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2010，14(3):48－52.

［4］焦勇.船舶電力推進系統(tǒng)特性仿真實驗研究［J］.船電技術(shù)，2011(3):15－17.

［5］劉雨，郭晨.船舶綜合全電力推進系統(tǒng)的動態(tài)仿真［J］.中國航海，2010，33(3):24－29.

［6］劉勝，張玉廷，李冰.船舶電力推進系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測分析 ［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2012，31(2):37－42.

［7］季明麗.交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.制造業(yè)自動化，2009，32(9):122－125.

［8］林治國，高孝洪，陳輝，等.艦船電力推進仿真系統(tǒng)中PLC設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報 (交通科學(xué)與工程版)，2010，8(4):772－775.

［9］張?zhí)m勇，劉勝，李冰.船舶電力推進系統(tǒng)電磁環(huán)境虛擬暗室測試技術(shù)研究 ［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31(3):55－60，81.

［10］黃鵬，蔡鴻武，柯常國，等.某游船電力推進系統(tǒng)方案設(shè)計 ［J］.船電技術(shù)，2009，9(29):1－5.