變速恒頻軸帶發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)的研制

洪鵬鵬，南余榮*，石健將

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

在傳統(tǒng)混合推進(jìn)系統(tǒng)中，主柴油發(fā)電機通過變速箱軸系直接驅(qū)動螺旋槳，同時拖動軸帶發(fā)電機發(fā)電［1-2］。為保證船舶電力系統(tǒng)中電壓和頻率的穩(wěn)定，主柴油機的轉(zhuǎn)速必須保持恒定，從而降低了推進(jìn)系統(tǒng)的效率和性能。

變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)是指:在傳統(tǒng)軸帶發(fā)電機和船舶電力系統(tǒng)之間添加輸出電壓和頻率可控的電力電子變流器裝置。研究者采用變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)的新型混合推進(jìn)系統(tǒng)，將機械推進(jìn)和電力推進(jìn)有機結(jié)合在一起，從而使主柴油機和軸帶發(fā)電機可以分別單獨驅(qū)動螺旋槳，或者同時驅(qū)動螺旋槳，以適應(yīng)不同工況下的系統(tǒng)需求［3-5］。新型混合推進(jìn)系統(tǒng)保證可以在保持電力系統(tǒng)電壓與頻率恒定條件下靈活地調(diào)節(jié)主柴油機的轉(zhuǎn)速，從而提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率和整體性能。

變速恒頻變流器是新型混合推進(jìn)系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，而監(jiān)控系統(tǒng)則是工程人員監(jiān)控推進(jìn)系統(tǒng)中電機、變流器等各種設(shè)備的運行狀況并對其進(jìn)行有效控制的關(guān)鍵設(shè)備之一［6-10］。

本研究首先介紹變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)的架構(gòu)及其工作模式，接著討論該系統(tǒng)中基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)的研制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及其工作模式分析

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)的一個突出優(yōu)點是可以實現(xiàn)能量的雙向流動，新型混合推進(jìn)系統(tǒng)能流圖如圖1所示。

圖1 新型混合推進(jìn)系統(tǒng)能流圖

主柴油發(fā)電機（Diesel Generator，DG）為推進(jìn)系統(tǒng)提供主要的動力，Load為螺旋槳負(fù)載，柴油發(fā)電機、軸帶發(fā)電機（Shaft Generator，SG）和螺旋槳負(fù)載通過變速箱（Gear）軸系連在一起。Grid為輔助發(fā)電機組構(gòu)成的船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)。微電網(wǎng)與軸帶發(fā)電機之間的變流器（Converter）采用背靠背變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩個三相全橋變流器組成，以實現(xiàn)系統(tǒng)要求的“軸帶發(fā)電機能夠工作在發(fā)電和電動兩種狀態(tài)”，從而實現(xiàn)能量的雙向流動。

1.2 工作模式分析

變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)可以增大柴油機和螺旋槳的調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)效率，有效地解決了船舶短時間內(nèi)工況多變和輸出較大功率的需求。該系統(tǒng)主要有以下4種運行工作模式:

（1）聯(lián)合推進(jìn)模式。當(dāng)船舶全速前進(jìn)時，能量從微電網(wǎng)流向軸帶發(fā)電機，能流圖如圖2所示。此時軸帶發(fā)電機在電動狀態(tài)下運行，與主柴油機一起通過變速箱拖動螺旋槳運轉(zhuǎn)，在該模式下系統(tǒng)可以獲得最大的輸出功率。

圖2 聯(lián)合推進(jìn)模式能流圖

（2）單獨推進(jìn)模式。當(dāng)船舶低速航行或者在港口等待時，系統(tǒng)關(guān)閉主柴油機，能量從微電網(wǎng)流向軸帶發(fā)電機，能流圖如圖3所示。此時，軸帶發(fā)電機工作在電動狀態(tài)、單獨拖動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。這種模式可以減少主柴油機的運行時間，延長主柴油機的壽命，并且減少廢氣排放。

圖3 單獨推進(jìn)模式能流圖

（3）發(fā)電模式。當(dāng)船舶恒速或常速航行時，主柴油機通過變速箱軸系拖動螺旋槳，同時拖動軸帶發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)與船舶微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，能流圖如圖4所示。軸帶發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)變流器恒壓與恒頻處理后并入微電網(wǎng)，因此微電網(wǎng)電壓和頻率不受主柴油機的轉(zhuǎn)速變化影響，可以實現(xiàn)系統(tǒng)在給定速度下效率最高。

圖4 發(fā)電模式能流圖

（4）空轉(zhuǎn)模式。在該模式下變流器斷開與軸帶發(fā)電機的連接，柴油發(fā)電機單獨推動螺旋槳，并拖動軸帶發(fā)電機空轉(zhuǎn)，能流圖如圖5所示。

圖5 空轉(zhuǎn)模式能流圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)通過CAN總線通信實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)采集處理、工作模式切換以及報警等功能，并通過Profibus總線與推進(jìn)系統(tǒng)的上位機通信，完成現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)上傳和指令接收。

2.1 硬件設(shè)計

由于變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備復(fù)雜，需要采集、顯示和管理的參數(shù)較多，本研究設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)硬件原理框圖

為滿足系統(tǒng)控制要求，控制芯片統(tǒng)一采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335。28335的主頻可達(dá)150 MHz，采用哈佛流水線結(jié)構(gòu)，能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)。同時集成了浮點運算單元，運算精度高，可用C/C++語言實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，并且集成了增強型的通用外設(shè)接口，包括CAN、SCI、SPI、I2C等通信接口，可方便地實現(xiàn)與其他集成芯片之間的通信。

液晶模塊采用5 V供電，分辨率為320×240，可以同時顯示數(shù)字、字母、漢字、圖像等內(nèi)容。驅(qū)動芯片為RAi0公司的RA8835P3N，該芯片采用8位并行數(shù)據(jù)接口。由于顯示模塊對速度的要求并不太高，為了減少DSP接口使用量，數(shù)據(jù)由一個DSP通用I/O口串行輸出，然后經(jīng)過HCF4094BM1轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)傳遞給液晶模塊進(jìn)行處理。

由于變速恒頻軸帶發(fā)電機組是新型混合推進(jìn)系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)的各種參數(shù)及故障歷史的保存對于系統(tǒng)的工況檢查、故障維護(hù)有著至關(guān)重要的作用，本研究采用16 Mbit的Flash存儲芯片AT26DF161A來保存系統(tǒng)的基本參數(shù)、歷史故障以及液晶屏顯示字庫等數(shù)據(jù)。AT26DF161A的通信接口采用SPI接口，供電電壓范圍為2.7 V～3.6 V，可采用DSP的I/O口供電電壓3.3 V，因此可以直接與DSP的SPI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不需要電平轉(zhuǎn)換。該芯片支持塊數(shù)據(jù)擦除，擦除4 KB的時間僅需50 ms，記錄一個Byte的時間僅為7 μs，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀取和寫入，從而提高了系統(tǒng)的實時性。

時鐘顯示是液晶顯示中最基本的功能，不僅能在線顯示時間，而且有利于故障記錄的保存和調(diào)取。監(jiān)控系統(tǒng)采用常用的時鐘芯片DS1302Z，其供電電壓范圍為2.0 V～5.5 V。為了保證時鐘芯片的正常供電，時鐘芯片采用監(jiān)控板上的5 V供電和鋰電池3 V供電兩路供電回路，這樣可以保證系統(tǒng)斷電時DS1302Z的也能正常工作。DSP通過一路ADC來檢測鋰電池的電量，當(dāng)鋰電池電量不足時，系統(tǒng)通過液晶顯示模塊給出報警信息，提醒用戶更換電池。

外接鍵盤采用包括上、下、左、右、進(jìn)入、退出6個按鍵的薄膜面板，可以很方便地實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、命令輸入、菜單切換等功能。薄膜面板可以直接覆蓋到液晶模塊上面，操作簡單方便。

與一般的通信總線相比，采用CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因此監(jiān)控系統(tǒng)與變頻器間的通信采用CAN總線。由于DSP芯片內(nèi)部集成了CAN通信模塊，本研究只需添加CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)器即可與CAN總線網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備進(jìn)行通信。CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器采用TJA1050，符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，而且不上電時總線呈現(xiàn)無源特性。

上位機網(wǎng)絡(luò)通信采用Profibus通信協(xié)議，為了實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和上位機之間的通信，本研究利用DSP的SCI接口連接一個協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，然后接入上位機通信網(wǎng)絡(luò)，SCI通信芯片采用常用的MAX485通信芯片。

2.2 軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)需要對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的各種運行參數(shù)以及各個設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時采集和顯示，并對異常狀態(tài)進(jìn)行報警和處理。系統(tǒng)菜單設(shè)計采用模塊化設(shè)計，以便于編程和調(diào)用。主程序及中斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序及中斷子程序流程圖

系統(tǒng)初始化包括DSP的系統(tǒng)時鐘、中斷、定時器模塊、CAN模塊、SCI模塊、SPI模塊及通用I/O口的初始化、時鐘芯片初始化、液晶模塊初始化等內(nèi)容。

主界面顯示是系統(tǒng)正常工作狀態(tài)的界面，顯示內(nèi)容包括各個設(shè)備運行狀態(tài)、主要的運行參數(shù)、實時時間等內(nèi)容。

按鍵掃描和菜單處理主要是對系統(tǒng)界面上的相關(guān)命令進(jìn)行操作，包括系統(tǒng)運行模式切換、系統(tǒng)起動、系統(tǒng)停機、系統(tǒng)復(fù)位、詳細(xì)運行參數(shù)顯示、參數(shù)設(shè)置、故障顯示、故障歷史記錄查詢等內(nèi)容。

系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)更新包括系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)、時間的實時更新，對新設(shè)置的參數(shù)、系統(tǒng)故障等數(shù)據(jù)的保存等內(nèi)容。

電池電量檢測主要對鋰電池的電量進(jìn)行A/D采樣計算，當(dāng)電池電量低于2.2 V時，系統(tǒng)給出報警信號，在主界面上顯示電池閃爍圖標(biāo)，提醒用戶更換電池。

由于系統(tǒng)主回路控制部分采用背靠背結(jié)構(gòu)的三相全橋變流器分別由兩塊DSP芯片控制，為保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性，監(jiān)控板配置1#郵箱接收電機側(cè)變流器控制芯片DSP-1發(fā)送的數(shù)據(jù)，2#郵箱接收電網(wǎng)側(cè)變流器控制芯片DSP-2發(fā)送的數(shù)據(jù)，在CAN接收中斷子程序中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和處理。

3 結(jié)束語

本研究基于變速恒頻軸帶發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，不但可以實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)和參數(shù)的實時顯示，而且可以設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)、切換工作模式，在故障狀態(tài)下實現(xiàn)報警和緊急保護(hù)。

該監(jiān)控系統(tǒng)接口電路小巧方便，節(jié)省空間，界面交互性好，便于安裝和調(diào)試，同時模塊化的軟件設(shè)計方法也提高了代碼的可讀性、可靠性和可維護(hù)性。

致 謝

本研究在完成的過程中得到了南余榮教授和石健將副教授的悉心指導(dǎo)，在實驗平臺的搭建過程中得到了師兄張平博士和師弟李榮貴的大力支持，在此表示深深的謝意。

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