楊 明, 吳祖橋

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恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)主回路過(guò)流故障分析

楊 明1, 吳祖橋2

(1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連 116021；2.舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江舟山 316101)

分析了恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)主回路電流和轉(zhuǎn)速的控制原理，從控制系統(tǒng)的角度分析主回路過(guò)電流的發(fā)生機(jī)理，并提出了減少或避免此類故障發(fā)生應(yīng)采取的措施。

恒流 控制系統(tǒng) 過(guò)流故障

0 引言

由鐵磁材料構(gòu)成的艦艇船體，置于自然或人為的外磁場(chǎng)環(huán)境中，經(jīng)歷一定時(shí)間后，就會(huì)導(dǎo)致鐵磁材料中磁偶極子排列有序化，從而產(chǎn)生磁化效應(yīng)[1]。艦船消磁則是用強(qiáng)制的方法產(chǎn)生規(guī)律的強(qiáng)磁沖擊，迫使磁偶極子重新無(wú)序化的過(guò)程，它不僅是反磁性水雷的重要措施，也是反磁性探測(cè)的重要手段。某船可為艦船提供消磁，該船配備有恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)，其能夠?qū)υ摯O(shè)備提供自動(dòng)化的管理、控制、監(jiān)視和保護(hù)。

恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)是艦船的重要組成部分，在該船系泊、航行試驗(yàn)過(guò)程中，恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)在航行狀態(tài)下數(shù)次發(fā)生主回路過(guò)流故障，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)自動(dòng)開(kāi)關(guān)保護(hù)性分閘，主回路解列，進(jìn)而失去動(dòng)力，對(duì)艦船的運(yùn)行安全產(chǎn)生較大影響。本文即從控制原理的角度分析主回路過(guò)流故障的產(chǎn)生機(jī)理，以便在后續(xù)船恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造中采取相應(yīng)措施，避免或減少此類故障的重復(fù)發(fā)生。

1 恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)

推進(jìn)控制系統(tǒng)按照控制功能的側(cè)重點(diǎn)不同主要?jiǎng)澐譃樗牟糠郑弘娫?、主回路系統(tǒng)、勵(lì)磁控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為保證艦船的消磁和推進(jìn)共用一套系統(tǒng)，恒流推進(jìn)控制系統(tǒng)的主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)為直流的恒流制系統(tǒng)，配備四臺(tái)柴油直流發(fā)電機(jī)組、兩套直流推進(jìn)電機(jī)。在消磁作業(yè)時(shí)，四臺(tái)機(jī)組獨(dú)立工作；在推進(jìn)作業(yè)時(shí)，由機(jī)組為電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳推進(jìn)。主回路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，可根據(jù)推進(jìn)工況，進(jìn)行開(kāi)關(guān)的選擇，進(jìn)而選擇主回路為單機(jī)組-雙電動(dòng)機(jī)、單機(jī)組-單電動(dòng)機(jī)和雙機(jī)組-雙電動(dòng)機(jī)等模式。

2 主回路系統(tǒng)的控制原理

2.1 主回路電流控制原理

主回路電流控制的基本原理是柴油機(jī)保持在額定轉(zhuǎn)速，在此條件下，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流而使其電樞電流保持恒定?？刂葡到y(tǒng)原理圖如下[2]。

圖中，()——電樞電流設(shè)定值，()—電樞電流實(shí)際值，()—外環(huán)控制器，()—發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下電樞電流到勵(lì)磁電流的傳遞函數(shù)，()—內(nèi)環(huán)控制器，()—整流裝置輸出電流到觸發(fā)角的傳遞函數(shù)，()—整流裝置，()—發(fā)電機(jī)，()—電樞電流反饋通道傳遞函數(shù),()—負(fù)載擾動(dòng)，()—負(fù)載擾動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流影響的傳遞函數(shù)。

由控制系統(tǒng)方框圖可見(jiàn)，主回路電流控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為勵(lì)磁電流控制環(huán)，外環(huán)為電樞電流控制環(huán)。

由圖3可得系統(tǒng)的輸出為：

（1）

2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的基本原理是在電樞電流恒定的情況下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以此控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制系統(tǒng)原理圖如下。

圖中，R()——轉(zhuǎn)速設(shè)定值，C()——轉(zhuǎn)速實(shí)際值，T()——外環(huán)控制器，G()——發(fā)電機(jī)在恒定電樞電流下轉(zhuǎn)速到勵(lì)磁電流的傳遞函數(shù)，T()——內(nèi)環(huán)控制器，G()——整流裝置輸出電流到觸發(fā)角的傳遞函數(shù)，G3(s)——整流裝置，G()——發(fā)電機(jī)，H()——轉(zhuǎn)速反饋通道傳遞函數(shù),()——負(fù)載擾動(dòng)，n()——負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流影響的傳遞函數(shù)。

由圖4可得系統(tǒng)的輸出為：

（2）

3 過(guò)流故障的機(jī)理分析

下面根據(jù)控制原理圖分析過(guò)流故障的機(jī)理。

3.1 主回路電樞電流反饋信號(hào)失真引起的過(guò)流故障

正常情況下，電樞電流反饋通道傳遞函數(shù)()=1，由此，反饋信號(hào)失真等效為()≠1，分為兩種情況：()>1，()<1。

設(shè)()=,根據(jù)式（1），得系統(tǒng)輸出為（設(shè)擾動(dòng)()=0）：

（3）-（1）得：

當(dāng)()=<1時(shí)，1()-()>0，即系統(tǒng)輸出增大，可能發(fā)生過(guò)流故障。

因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)無(wú)法消除反饋通道引起的誤差[3]，因此要想避免此類過(guò)流故障的發(fā)生，只能采取提高反饋通道的穩(wěn)定性和精度的措施，在反饋通道的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以考慮。

3.2 負(fù)載波動(dòng)引起的過(guò)流故障

設(shè)()=，根據(jù)式（1），得系統(tǒng)輸出為（設(shè)輸入()=0）：

根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，但負(fù)載變化后，控制系統(tǒng)會(huì)有一定時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，當(dāng)負(fù)載F(s)=b較大時(shí)，或其有較大波動(dòng)時(shí)，根據(jù)式（4），在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)初期，會(huì)引起電樞電流的增大或波動(dòng)，進(jìn)而可能發(fā)生過(guò)流故障。要避免此類過(guò)流故障的發(fā)生，可以采取在勵(lì)磁電流控制內(nèi)環(huán)增加限制環(huán)節(jié)或慣性環(huán)節(jié)，以控制電流的數(shù)值及數(shù)值變化的速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)消磁推進(jìn)控制系統(tǒng)的主回路過(guò)流故障的機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了主回路電流和速度控制的基本原理，從控制系統(tǒng)的角度分析了過(guò)流故障產(chǎn)生的原因。本文的研究可為相關(guān)消磁推進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 車(chē)忠權(quán). 消磁作用的探討及應(yīng)用[J]. 資源信息與工程, 2016, (2): 10-13.

[2] 爾桂花，竇曰軒. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2002:45-50.

[3] 李友善. 自動(dòng)控制原理[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2005: 87-95.

Overcurrent Fault Analysis of Main Loop in Constant Current Propulsion Control System

Yang Ming1, Wu Zuqiao2

（1. Naval Representatives Office in Dalian Area, Dalian 116021, Liaoning, China; 2. Zhoushan Wonderful Marine Design Co., Ltd, Zhoushan 316101, Zhejiang, China）

TM762

A

1003-4862（2017）05-0008-03

2016-12-15

楊明(1973-), 男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船監(jiān)造。