小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究

馬昭勝

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021)

船舶電力推進(jìn)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(jìn)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(jìn)系統(tǒng)，然而，我國對(duì)電力推進(jìn)技術(shù)的研究尚處于初步階段，在這方面與發(fā)達(dá)國家存在很大的差距，所以電力推進(jìn)的先進(jìn)核心技術(shù)一般由外國引進(jìn)［3］。國內(nèi)已經(jīng)有很多公司對(duì)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(zhǎng)度為19.8 m，寬為4.8 m，滿載排水量為32.7 t，推進(jìn)主機(jī)采用15 kW的三相異步電機(jī)。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(dòng)船舶運(yùn)行，相關(guān)參數(shù)為:船長(zhǎng)16 m，寬1.35 m，最大航速12 km/h，電機(jī)2臺(tái)，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(jìn)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(jìn)船舶的推進(jìn)子系統(tǒng)和負(fù)載模擬子系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，并且對(duì)諧波抑制技術(shù)也作一定的介紹。

1 推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1，2#駕控臺(tái)是基于中控EPA系統(tǒng)組建的電力推進(jìn)系統(tǒng)［6］。

下面對(duì)具體流程加以說明:來自變頻柜的信號(hào)有電機(jī)電流，電機(jī)功率因素，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)頻率，變頻器輸入電壓，還有變頻器各種運(yùn)行指標(biāo)(啟停、變頻允許，變頻故障等)，電機(jī)溫度等。這些信號(hào)是用來判斷系統(tǒng)是否正常工作的信號(hào)，一部分傳給控制柜的PLC進(jìn)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(hào)是作為遠(yuǎn)程控制駕控臺(tái)的指示燈信號(hào)，分別傳送到各駕控臺(tái)指示燈面板。

圖1 推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理圖

1#號(hào)駕控臺(tái)得到變頻柜各種運(yùn)行指示標(biāo)志后，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，若系統(tǒng)運(yùn)行正常無報(bào)警指示則開始啟動(dòng)系統(tǒng)。通過控制面板啟動(dòng)按扭進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)，調(diào)節(jié)速度輸入主車鐘對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)(在系統(tǒng)按給定速度運(yùn)行指示燈亮?xí)r進(jìn)行)。

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

作為上位機(jī)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(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2 負(fù)載模擬子系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)接在本系統(tǒng)中要求很高，需要很高的對(duì)中工藝。在安裝時(shí)要專門的工作人員來保證安裝的精度。二者對(duì)中精度的高低將很大程度影響扭矩的測(cè)量和設(shè)備的正常運(yùn)行。

先期，我們?cè)诘孛嫔嫌盟嗵畛淞艘粋€(gè)底座，上面用鋼板放平，制作時(shí)嚴(yán)格保證底座牢固，鋼板水平。后期，為2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)接，專門設(shè)計(jì)一個(gè)鋼制底架，底架的制作同樣要保證精度，然后把驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)安裝在底架上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)之間通過一個(gè)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的軸套、一個(gè)萬向軸，扭矩傳感器側(cè)軸套、負(fù)載電機(jī)側(cè)軸套。其中在扭矩傳感器側(cè)的軸套處安裝一個(gè)支座，在扭矩傳感器處安裝一個(gè)支座。通過專用設(shè)備來測(cè)量保證負(fù)載電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主軸以及扭矩傳感器的精確對(duì)中。全部組裝完畢，最后將整個(gè)底座焊在水泥底座的鋼板上，防止電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生移動(dòng)。

考慮到本負(fù)載模擬各種轉(zhuǎn)矩的精度要求，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)引用一個(gè)扭矩傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電機(jī)的扭矩輸出和變頻器的扭矩輸出，進(jìn)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(fù)載控制柜從驅(qū)動(dòng)變頻柜引出緊急停車信號(hào)和停車信號(hào)來作為判斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作信號(hào)的依據(jù)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)變頻柜給出完車信號(hào)時(shí)，負(fù)載變頻器檢測(cè)到該信號(hào)，自動(dòng)停止工作。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前要先進(jìn)行螺旋槳和2臺(tái)電機(jī)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?jǐn)?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(shí)間。電機(jī)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(bào)警溫度、停機(jī)溫度。

上述參數(shù)設(shè)置完畢后，還需對(duì)轉(zhuǎn)矩控制模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置恒定功率實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到負(fù)載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，負(fù)載上位機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)過大約200 ms的時(shí)間負(fù)載電機(jī)把轉(zhuǎn)矩加到設(shè)定值，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與設(shè)定轉(zhuǎn)矩一致性很好，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。在負(fù)載電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，持續(xù)增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的輸入電流基本保持不變，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入電壓則隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的增加而增加。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有所波動(dòng)，之后當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩又回到設(shè)定值。轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動(dòng)是因?yàn)樵谪?fù)載上位機(jī)我們提前設(shè)定，轉(zhuǎn)速不能超過1 000 r/min，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min時(shí)出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩與設(shè)定不符的情況，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速再次降到1 000 r/min時(shí)，負(fù)載電機(jī)再次達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。可見本系統(tǒng)具有較高的實(shí)驗(yàn)精度。

圖3 恒功率實(shí)驗(yàn)曲線圖

3 諧波抑制技術(shù)

船舶電力推進(jìn)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(huì)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(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)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(yán)重時(shí)，還會(huì)損壞設(shè)備［8］。因此，諧波抑制的研究，對(duì)船舶電力推進(jìn)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(yùn)算電路在檢測(cè)到負(fù)載電流后，通過運(yùn)算把負(fù)載電流信號(hào)中的諧波電流、無功電流及負(fù)序電流和零序電流檢測(cè)出來，然后把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的變流器觸發(fā)信號(hào)，再通過電流跟蹤控制電路形成觸發(fā)脈沖去驅(qū)動(dòng)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(fù)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(jìn)系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)，即推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和負(fù)載模擬系統(tǒng)［9］。2個(gè)子系統(tǒng)的上位機(jī)均由一臺(tái)專用工業(yè)控制機(jī)、顯示器、打印機(jī)組成，負(fù)責(zé)監(jiān)控、管理和記錄，下位機(jī)均采用可編程邏輯控制器和變頻器進(jìn)行信號(hào)采集和控制，上位機(jī)和下位機(jī)的通訊采用PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線，從而保證數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性［10］。

為了有效模擬推進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性，通過采用線性項(xiàng)、二次方項(xiàng)、三次方項(xiàng)和積分項(xiàng)等來模擬所需施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，采用一個(gè)高精度扭矩傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電機(jī)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(shí)現(xiàn)期望負(fù)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(jìn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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