黎鵬飛，陶 勇，蔣 煒

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自航絞吸式挖泥船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計

黎鵬飛，陶 勇，蔣 煒

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了某自航絞吸式挖泥船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計方案，然后針對系統(tǒng)各設(shè)備的配置及功能實現(xiàn)進(jìn)行了詳盡的介紹。

自航絞吸式挖泥船 綜合電力推進(jìn) 變頻驅(qū)動

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，各國政府都在盡快立法，以加強(qiáng)對人工智能技術(shù)的監(jiān)管。俄羅斯比較重視人工智能等創(chuàng)新技術(shù)的研究，也取得了一定的成就，但近年來由于與西方的政治關(guān)系緊張且歐美對其實施持續(xù)的經(jīng)濟(jì)制裁，俄羅斯科研形勢不太樂觀，在人工智能研發(fā)力度和立法等方面相對于歐美日發(fā)達(dá)國家及我國都略顯滯后。目前，俄羅斯首先力推與人工智能密切相關(guān)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)，以促進(jìn)人工智能的發(fā)展。人工智能立法還處于計劃之中，但從政府的意志和學(xué)者呼吁看，俄羅斯已將人工智能立法提上議事日程，俄羅斯媒體也透露出對立法考量的一些信息。

隨著自航絞吸式挖泥船在港口清淤、航道挖掘、吹填造地中應(yīng)用廣泛，其在維護(hù)生命安全并確保航道暢通的功能具有重大的社會效益和市場前景。自航絞吸式挖泥船不僅可在江河湖海各類水面作業(yè)，而且還可以一次性完成物料的挖-裝-運-卸四個作業(yè)環(huán)節(jié)，是疏浚船舶的主力船型[1]。

大型自航式絞吸挖泥船采用綜合電力推進(jìn)有諸多優(yōu)點， 因為絞吸式挖泥船在采用電力推進(jìn)時，大功率鉸刀和泥泵不必由專用的原動機(jī)帶動，原動機(jī)動力功率可以給鉸刀絞動和泥泵吸收或推進(jìn)工作“分時復(fù)用”。在挖泥作業(yè)時，主發(fā)電機(jī)組可以將絕大部分功率供給鉸刀和泥泵，船舶的主推電機(jī)停止工作，船舶的近距離位移通過船上的絞車實現(xiàn)。反之在停止挖泥作業(yè)時，船舶利用全部電能高速航行，提高了電能利用率。由于綜合電力推進(jìn)船舶減少了原動機(jī)組的數(shù)量，且原動機(jī)長期處于理想工作點，降低了燃油消耗，減少了有害氣體排放。因此不論是從提高船舶機(jī)動性和工作效率，還是從降低挖泥成本、響應(yīng)節(jié)能減排的環(huán)保大趨勢來講，綜合電力推進(jìn)船舶都體現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，也由此必將成為大型挖泥船的標(biāo)準(zhǔn)解決方案和發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)組成

自航式絞吸挖泥船綜合電力系統(tǒng)實現(xiàn)全船的供電、推進(jìn)及疏浚設(shè)備的變頻驅(qū)動，其包含了供電系統(tǒng)，電力推進(jìn)/絞車/封水泵變頻驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分。如圖1所示。

自航式絞吸挖泥船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖如圖2所示，從以上單線圖可以發(fā)現(xiàn)本船主推進(jìn)為2套分時復(fù)用的變頻驅(qū)動系統(tǒng)，分別為絞刀/推進(jìn)變頻驅(qū)動系統(tǒng)和水下泥泵/推進(jìn)變頻驅(qū)動系統(tǒng)。絞刀電機(jī)和一號推進(jìn)電機(jī)共用一號主推變頻器，水下泥泵電機(jī)和二號推進(jìn)電機(jī)共用二號主推變頻器。這種推進(jìn)方式完美體現(xiàn)了挖泥船“挖泥不推進(jìn)、推進(jìn)不挖泥”的特殊工況需求，大大節(jié)省了初始投資和資源配置。另外就是采用了公用直流母線方案。全船所有絞車變頻器的直流輸入側(cè)直

接掛在一號公用直流母線上。所有封水泵和沖水泵變頻器的直流輸入側(cè)直接掛在二號公用直流母線上[2]。

系統(tǒng)可以分為3個模塊。①管理員模塊?？蓪孢M(jìn)行管理，即增刪改查；可對教師、學(xué)生進(jìn)行增刪改查，即不對外開放注冊功能，教師及學(xué)生由管理員錄入系統(tǒng)。②教師角色。可以對題庫中題目增刪改查，對題干命題、選項設(shè)置、分值以及答案設(shè)置等；可以進(jìn)行考務(wù)管理，即對考試設(shè)置名稱、選擇試卷、設(shè)置考試時間等；可對試卷進(jìn)行管理，即規(guī)定題型題量后隨機(jī)組卷；可查看卷面答題情況等；可對個人信息進(jìn)行管理；可對公告進(jìn)行管理。③學(xué)生角色。可查看公告；可查看考試信息；可參加考試、答卷、交卷；可查看個人考試卷面；可修改個人信息。

或許全新路虎發(fā)現(xiàn)上市至今的銷量證明其設(shè)計并不被多數(shù)中國人認(rèn)可，但這并不影響全新路虎發(fā)現(xiàn)成為新英國車設(shè)計的杰出代表。相比以往的霸氣外露、直抒胸臆來說，如今的路虎發(fā)現(xiàn)更講究類似中國文化里的深藏不露與內(nèi)力十足。

為明確市場定位采取了問卷調(diào)查的方式。本次調(diào)查中，我們共發(fā)放問卷250份，收回235份，其中有效問卷200份，有效率88.1%。

2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由發(fā)電、配電及功率管理系統(tǒng)組成。

2.1 發(fā)電系統(tǒng)

因此，在本文方位向聯(lián)合高分辨重構(gòu)時，方位孔徑數(shù)需滿足式(17)的要求.文獻(xiàn)[]中給出了保證稀疏信號可以準(zhǔn)確重構(gòu)的條件下，量測個數(shù)M與信號稀疏度需滿足的關(guān)系為

發(fā)電系統(tǒng)由2臺主發(fā)電機(jī)G1、G2，1臺輔發(fā)電機(jī)G3和1臺應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)EG組成。

2.2 配電系統(tǒng)

5）緊急停車：緊急停車獨立于自動控制系統(tǒng)，遇緊急情況時可以人為切除變頻器，停止電機(jī)運行，保護(hù)設(shè)備和人身安全。

主要包括690 V主配電板（MSB）、400 V主配電板及組合啟動屏（MSB）、應(yīng)急/停泊配電板（ESB）和2臺690 V/400 V電力變壓器。3臺發(fā)電機(jī)可長期并車，主發(fā)電機(jī)和輔發(fā)電機(jī)可與應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)可短時并車轉(zhuǎn)移負(fù)載。應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)可通過電力變壓器逆向給690V配電板供電，供疏浚設(shè)備調(diào)試維修用。電站使用工況及組合模式見圖3。

690 V主配電板將饋電給4套變頻驅(qū)動裝置和液壓電站泵站啟動單元，并通過電力變壓器給400 V負(fù)載供電。400 V主電板用于船舶輔助設(shè)備、甲板設(shè)備供電。通訊導(dǎo)航、自動化系統(tǒng)、照明設(shè)備和一些小負(fù)荷的供電為AC230V和DC24V。

2.3 功率管理系統(tǒng)

本船配置功率管理系統(tǒng)(Power Management System )簡稱PMS,對全船功率實現(xiàn)統(tǒng)一管理、配合圖3所列的11種不同工況，由4臺發(fā)電機(jī)G1、G2、G3、EG靈活組合實現(xiàn)，不僅提高了發(fā)電機(jī)的利用率和經(jīng)濟(jì)性，在特殊情況下可以切除某些不重要的負(fù)載確保船舶的生命力，這也是電推船舶的重要優(yōu)勢之一。

3 電力推進(jìn)/絞車/封水泵變頻驅(qū)動系統(tǒng)

本船的電力推進(jìn)系統(tǒng)不僅涵蓋了船舶航行的主推進(jìn)系統(tǒng)，同時也包含了挖泥船疏浚工作系統(tǒng)。嚴(yán)格的說疏浚工作時的絞動、吸收、挖泥、短距離位移、封水、沖水等各種工況不屬于推進(jìn)的范疇。但是考慮到絞刀電機(jī)/推進(jìn)電機(jī)共用一號主推變頻器；水下泥泵電機(jī)和二號推進(jìn)電機(jī)共用二號主推變頻器，其移相變壓器、配電板等主要設(shè)備也是共用，因此統(tǒng)一放在電力推進(jìn)系統(tǒng)里介紹。

水利工程概（估）算編制規(guī)定涉及的專業(yè)及內(nèi)容較多，不可能考慮到概（估）算編制過程遇到的所有情況，提出上述問題及思考，目的是希望盡快發(fā)布新的“編規(guī)”，新“編規(guī)”應(yīng)盡量地覆蓋到各類水利工程，盡可能全面、完善、準(zhǔn)確、清楚，最大限度地滿足概（估）算和工程量清單計價的需要，達(dá)到指導(dǎo)項目決策和投資控制的作用。

這種“磚塊”應(yīng)用于復(fù)雜輸送系統(tǒng)中的各種開關(guān)、換向器、交叉口、轉(zhuǎn)角、雙向交叉口，甚至分揀機(jī)。它能在整個物流配送中心為所有行業(yè)搬運任何尺寸的盒子和紙箱。

3.1.1 主推進(jìn)移相變壓器

(2) 在地鐵站臺以及乘客通道，大功率參量陣定向揚聲器具有極強(qiáng)的音頻方向性，且不受封閉空間音頻反射干擾，較脈沖音頻有著更好的方向性。

兩臺水冷三繞組移相變壓器其原邊設(shè)計成15°相角差（各自移相±7.5°），兩臺變壓器同時運行時將形成虛擬24脈整流，這樣網(wǎng)側(cè)電流僅含23次及25次諧波，且其有效值與諧波次數(shù)成反比，并且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。因此這種設(shè)計降低了電網(wǎng)諧波，使系統(tǒng)電壓諧波總畸變大大減小，不僅提高了系統(tǒng)效率也增強(qiáng)了電磁兼容水平。

3）堵轉(zhuǎn)保護(hù)：當(dāng)螺旋槳被硬泥、石塊等卡住時，系統(tǒng)具有堵轉(zhuǎn)特性，在短時內(nèi)不必斷開電動機(jī)，待卡住的原因消除后，螺旋槳很快恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)，消除了系統(tǒng)經(jīng)?！皵嚅_—接通”的弊端。

3.1.2 主推變頻器

作為系統(tǒng)的核心設(shè)備，兩臺主推變頻器不僅帶動主推進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)航行時的快速響應(yīng)和靈活的正反轉(zhuǎn)控制同時還可以通過切換裝置分別驅(qū)動絞刀電動機(jī)和水下泥泵電動機(jī)進(jìn)行疏浚作業(yè)。該變頻器采用大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為開關(guān)器件，是最新電力電子技術(shù)和自控技術(shù)的完美結(jié)合。變頻器為水冷方式，12脈沖整流，帶絞刀與推進(jìn)電機(jī)切換裝置和泥泵電動機(jī)與推進(jìn)電機(jī)切換裝置。選用西門子公司的 6SL2型變頻器，具有恒功率模式、恒轉(zhuǎn)矩模式、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、螺旋槳捕捉再啟動、緊急停車等多種功能[3]。

1) 恒功率模式：推進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩可以在其最大允許范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，在此期間保持功率恒定不變。在船舶航行過程中可以在阻力經(jīng)常變化的情況下，始終維持動力設(shè)備（柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)等）處于恒功率運行，使動力設(shè)備的效率保持在較高水平上，以利于充分發(fā)揮動力設(shè)備的效能、節(jié)省燃油、降低排放。

2) 恒轉(zhuǎn)矩模式:保證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、尤其是低速航行和低負(fù)載挖泥作業(yè)時的轉(zhuǎn)矩輸出,高效的低速調(diào)速性能可以和傳統(tǒng)的直流調(diào)速低速性能相媲美。

算例3 對于文獻(xiàn)[17]的多智能體系統(tǒng),通信拓?fù)湓趫D1的與之間切換.同樣地，取通信時延上界τ0=0.08.圖8～9分別表示多智能體的運動軌跡、位置變化與速度變化曲線.由圖可知，利用文獻(xiàn)[17]提出的脈沖控制協(xié)議亦可實現(xiàn)多智能體系統(tǒng)的編隊控制.然而，根據(jù)式 (22)，將系統(tǒng)的編隊控制一致性所用時間限定為5s,本文的通信代價指標(biāo)T=4.9，而文獻(xiàn)[17]通信代價指標(biāo)T=5.2.于是，相較于文獻(xiàn)[17]，本文提出的脈沖控制協(xié)議在實現(xiàn)系統(tǒng)編隊控制的同時，更能夠節(jié)約系統(tǒng)能量與通信代價.

在疏浚作業(yè)中橫移絞車、橋架轎車、拋錨桿絞車、起錨絞車功率較小，當(dāng)部分機(jī)構(gòu)處于電動運行時另外一些機(jī)構(gòu)處于制動發(fā)電運行，發(fā)電運行的逆變器再生的電能可以回饋到公共直流母線中，被處于電動運行的逆變器利用，而不像獨立的變頻器將制動發(fā)電產(chǎn)生的電能通過制動電阻白白消耗掉，這樣不僅具有明顯的節(jié)能效果，而且大幅度降低了傳動系統(tǒng)的發(fā)熱量，延長了傳動系統(tǒng)的使用壽命。

4）螺旋槳捕捉再啟動：變頻器啟動或者調(diào)速時，由于水流或者慣性螺旋槳的速度并不為零，這時變頻器可以捕捉螺旋槳的當(dāng)前速度，通過軟件算法的計算以最合適的頻率運行，不僅縮短過渡過程，提高響應(yīng)速度，還能進(jìn)一步提高效率。

配電系統(tǒng)由三相三線AC690V/50Hz、AC400V/50Hz 、230V/50Hz及DC24V所組成。

3.1.3 主推電機(jī)

二次函數(shù)是初中數(shù)學(xué)代數(shù)部分的重要內(nèi)容，它既是貫穿中學(xué)數(shù)學(xué)的主脈，又是繼續(xù)學(xué)習(xí)和深造必須掌握的基礎(chǔ)知識，其中對“a”的范圍判斷是各地中考數(shù)學(xué)考查的熱點題型．這類試題集代數(shù)知識、數(shù)形結(jié)合、分類討論等于一體，綜合性、靈活性強(qiáng)．如何在有限時間內(nèi)尋找突破口，筆者精選幾例中考題加以歸類，分析圖形結(jié)構(gòu)，挖掘內(nèi)涵、外延，破解二次函數(shù)中有關(guān)“a”的范圍的問題，不當(dāng)之處，敬請指正．

系統(tǒng)設(shè)兩臺690 V水冷變頻主推進(jìn)電動機(jī)。

3.2 絞車變頻驅(qū)動系統(tǒng)

本船設(shè)1套絞車變頻驅(qū)動系統(tǒng)，主要包括：1臺水冷三繞組移相變壓器、1套12脈水冷多傳動變頻器、8臺強(qiáng)制風(fēng)冷絞車電動機(jī)。

定義2 設(shè)[Sθ1,Sθ2]，其中Sθ1,Sθ2∈S且0≤θ1≤θ2≤τ,S為語言短語集，則稱為離散區(qū)間語言變量。特別地，當(dāng)θ1=θ2時，退化為語言變量。

絞車電機(jī)共包括橫移絞車變頻電動機(jī)、橋架轎車變頻電動機(jī)、拋錨桿絞車變頻電動機(jī)、起錨絞車變頻電動機(jī)共8臺絞車電動機(jī)。其對應(yīng)的8臺逆變器均掛接在公共的直流母線上。這種調(diào)速控制方式也稱為多傳動變頻器控制。由于直流母線是8臺逆變器公用，其整流單元也只需要一個，而不是常規(guī)的8個整流單元。由此節(jié)省了大量材料和安裝空間，是降低成本的理想選擇。

膨潤土開發(fā)利用水平計算中涉及固定的有3項，分別為開采回采率、選礦回收率、綜合利用率，總權(quán)重合計為100，各分項權(quán)重選取依據(jù)為：先以111折算平均權(quán)重項各為33.3，再根據(jù)征求行業(yè)專家討論意見匯總結(jié)果，實際權(quán)重值在平均值基礎(chǔ)上適當(dāng)增、減后確定。

3.3 封水泵變頻驅(qū)動系統(tǒng)

3.1 主推進(jìn)系統(tǒng)

本船設(shè)1套封水泵變頻驅(qū)動系統(tǒng)，主要包括：1臺空冷三繞組移相變壓器、1套12脈空冷多傳動變頻器、10臺風(fēng)冷電動機(jī)。分別是#1艙內(nèi)泵封水泵、#2艙內(nèi)泵封水泵、水下泵封水泵及沖水泵的電動機(jī)。

主推進(jìn)系統(tǒng)為兩套分時復(fù)用的變頻驅(qū)動系統(tǒng)見圖4，兩套變頻驅(qū)動系統(tǒng)主要包括：2臺水冷三繞組移相變壓器、2套12脈水冷變頻器、2臺水冷推進(jìn)變頻電動機(jī)和變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)。其中絞刀/推進(jìn)變頻器通過輸出切換開關(guān)驅(qū)動絞刀變頻電動機(jī)和推進(jìn)變頻電動機(jī)，泥泵/推進(jìn)變頻器通過輸出切換開關(guān)驅(qū)動水下泥泵變頻電動機(jī)和推進(jìn)變頻電動機(jī)。

和絞車變頻驅(qū)動系統(tǒng)類似，封水泵變頻驅(qū)動系統(tǒng)同樣是掛接在公用直流母線上的多傳動變頻系統(tǒng)。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由PMS（功率管理系統(tǒng)）和PLC控制系統(tǒng)組成。

4.1 PMS（功率管理系統(tǒng)）

功率管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)船舶電力的發(fā)出和全船電力的分配，對全船功率實施統(tǒng)一優(yōu)化管理，保證船舶電力所必需的安全和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的操作。PMS系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的實事功率需求和電網(wǎng)的運行狀態(tài)對每臺柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各機(jī)組的啟動、停機(jī)、并車和解列，對供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報警和處理，為電力推進(jìn)和其它用電設(shè)備提供可靠和經(jīng)濟(jì)的電能管理。如圖5所示。PMS組成包括PMS主控制器、機(jī)組數(shù)據(jù)采集子站ET200M、發(fā)電機(jī)保護(hù)并車單元PPU及HMI人機(jī)界面等。PMS的功能主要包括柴油發(fā)動機(jī)機(jī)組的啟動和停車、機(jī)組的投運和并車、機(jī)組的解列和停車、發(fā)電機(jī)組的啟、停序列設(shè)定、重載詢問、分級自動卸載、人機(jī)界面監(jiān)控等。如圖6所示。

在本文的系統(tǒng)模型中，當(dāng)中繼天線數(shù)N→時，由于K?N，根據(jù)式(32)，源端到中繼間的信道矩陣G1有以下逼近準(zhǔn)則：

4.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)可以采集絞刀驅(qū)動系統(tǒng)、水下泥泵驅(qū)動系統(tǒng)、推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)、絞車驅(qū)動系統(tǒng)、封水泵驅(qū)動系統(tǒng)等的各種信號（包括各驅(qū)動系統(tǒng)的輔助設(shè)備，如防冷凝加熱、繞組溫度、軸承溫度、冷卻水泵、風(fēng)扇、預(yù)充磁等）進(jìn)行安全保護(hù)及控制。

挖泥控制系統(tǒng)及航行推進(jìn)控制系統(tǒng)都可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，并實現(xiàn)對絞刀、水下泥泵、推進(jìn)電機(jī)、絞車、封水泵等的控制。PLC控制柜實現(xiàn)各種設(shè)備變頻系統(tǒng)的的啟動、停止、操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換、控制、保護(hù)及電機(jī)輔機(jī)的控制和監(jiān)測，電機(jī)輔機(jī)包括加熱器和冷卻風(fēng)扇電動機(jī)等設(shè)備。變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的指令調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié)束語

本船采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)后，極大提高了船舶的操控靈活性、可靠性；綜合利用船舶的動力裝置使設(shè)備布置更靈活，有效空間更多；降低燃油消耗和有害氣體排放響應(yīng)節(jié)能環(huán)保的要求。綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)使絞吸挖泥船的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排帶來全方位的提升，必將有更為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 喬銘忠,于飛,張曉峰. 船舶電力推進(jìn)技術(shù). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[2] 車向中,郭建斌. 基于公共直流母線的挖泥船絞車變頻控制系統(tǒng). 船電技術(shù)，2009，（3）.

[3] 楊明,柯常國,陶勇. 絞吸式挖泥船控制系統(tǒng). 船電技術(shù)，2013,（1）.

Design of Integrated Electric Propulsion System for Self-propelled Cutter Suction Dredger Ship

Li Pengfei, Tao Yong, Jiang Wei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM465

A

1003-4862（2016）05-0024-04

2015-12-09

黎鵬飛(1976-)，男，碩士，工程師。研究方向：綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。