基于變頻電機動力的船舶電站并車實訓裝置設計

季禹

（南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系，江蘇南通 226010）

基于變頻電機動力的船舶電站并車實訓裝置設計

季禹

（南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系，江蘇南通 226010）

為了克服以單片機與微機網絡為核心的船舶電站模擬器操作結果逼真度不高等缺點，提高學生操作船舶電站并車、解列等的技能，文章提出了以變頻電機為動力的船舶電站并車實訓裝置設計方案，使船舶電站模擬器并車效果更加真實，提高了實訓效果。

船舶電站；并車；變頻器；光電編碼器

0 引言

隨著遠洋運輸船舶各種先進設備的裝配使用，在電力推進也將逐步應用到遠洋運輸船舶的背景下，船舶電站在安全運輸中所占位置越來越重要，能否安全可靠地供電將涉及到人命、財產安全的問題。操作維護好船舶電站是船舶電氣專業(yè)的學生在校期間必須掌握基本技能，為了訓練學生操作船舶電站的技能，目前國內高職院校普遍采用船舶電站模擬器進行。當前船舶電站模擬器多采用以單片機與微機為核心的模擬實訓裝置，船舶電站模擬器雖然具有安全、可靠、節(jié)約成本等優(yōu)點，但仍存在許多不足之處，如操作缺乏真實感，與實船設備的操作效果存在一定差異。因此，探索設計一種半實物、半仿真的船舶電站，滿足學生對船舶電站操作技能訓練要求，就顯得十分必要。

1 仿真船舶電站的設計方案

船舶電站是以柴油機為動力的，實驗室里的電站如果仍用柴油機作動力，會帶來許多實際問題，如燃油系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、廢棄的油水排放、日常維護工作以及使用電站前的準備工作等，都是比較煩瑣的問題。目前國內各航海院校均采用基于單片機和微機網絡系統(tǒng)構建船舶電站仿真系統(tǒng)，這種系統(tǒng)雖然能夠解決學生對船舶電站操作訓練的問題，但完全的電子仿真還是缺乏逼真度，并車質量好壞的實際效果不直觀，實訓效果不佳。本文設計方案中的電站以變頻電動機為動力，從根本上解決了在實驗室用柴油機為動力電站和完全電子仿真電站的諸多缺點，使實訓室的船舶電站既能滿足操作技能訓練，而又具有并車效果完全真實，環(huán)保、安全、維護方便簡捷的優(yōu)點。

1.1 仿真船舶電站組成

仿真船舶電站由兩臺發(fā)電機組、控制屏、并車屏、負載屏組成。[1]其中，發(fā)電機的控制屏用來控制、調節(jié)、監(jiān)視和保護發(fā)電機組，每臺發(fā)電機還需要配備有單獨的控制屏?？刂破涟瑒畲趴刂撇糠?、發(fā)電機主開關及其指示操縱部分、發(fā)電機保護部分和測量部分。在控制屏上配置有：電流表及轉換開關、頻率表、功率表、原動機調速開關、框架式自動空氣斷路器、逆功率繼電器及必要的電磁操作按鈕和指示燈。

并車屏用于發(fā)電機的并車操作控制，在發(fā)電機并車時可以操縱任一臺發(fā)電機的調速、投入與切除，實現(xiàn)各發(fā)電機的手動、自動或半自動并車。在并車屏中安裝有：隔離開關、整步表及轉換開關、兩個頻率表、兩個電壓表、整步指示燈、粗同步并車的電抗器與接觸器、準同步并車裝置等。

負載屏主要用于對各饋電回路進行控制、監(jiān)視和保護，并通過裝在負載線路上的饋電開關將電能供給船上各用電設備或分電箱。負載屏有動力屏和照明屏兩種，主要由配電開關、熔斷器、、電流表、電壓表、絕緣監(jiān)視表等組成。[2]

電站的兩臺發(fā)電機采用同步發(fā)電機，選用可控相復自勵恒壓裝置?？紤]到發(fā)電機的功率太小，在手動并車操作過程中如果同步時機不好所產生的沖擊電流小，真實感不強的原因，這里選擇60kW以上的同步發(fā)電機。[3]

1.2 發(fā)電機組原動力裝置

在本仿真電站設計方案中，發(fā)電機組由變頻電動機來驅動，采用變頻控制的轉速閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)對發(fā)電機轉速調整，實現(xiàn)兩發(fā)電機組并車時同步，如圖1所示。

圖1 變頻調速原動力系統(tǒng)

控制器采用施耐德AItivar系列變頻器，變頻給定方式采用模擬輸入端子給定，通過通道AI1控制，給定信號采用高精度的繞線式電位器采集。發(fā)電機電子調壓裝置的調速信號驅動一個同步電機，由同步電機帶動繞線式電位器，改變變頻給定信號，使電動機的轉速得到調節(jié)。兩臺變頻器由西門子S7-300系列PLC來控制。

2 仿真船舶電站控制系統(tǒng)設計及試驗

2.1 變頻控制系統(tǒng)設計

仿真船舶電站通常工作在兩種狀態(tài)：單機和并車，這就決定了電動機變頻調速系統(tǒng)也有兩種工作狀態(tài)。

（1）單機運行狀態(tài)。在單機運行狀態(tài)下，變頻控制系統(tǒng)以設定的轉速形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，由電位器通過變頻器的通道AI1設定0-10V的電壓信號，用相對式光電旋轉編碼器作為電動機轉速信號傳感器采集電動機轉速信號，送入PLC高速計數器處理形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，發(fā)電機穩(wěn)定地運行在一個頻率上。

（2）并車運行狀態(tài)。并車操作通常是在三種情況需要進行：①當單機負載達到其80%左右額定容量時，且負載仍有可能增加，這時需要考慮并車；②當船舶處于進出靠離碼頭或進出狹窄水道等的機動航行狀態(tài)時為了確保航行安全也需要并車。③當用備用機組替換下運行機組時，為保證全船供電的連續(xù)性需要并車操作。

變頻器參數與功能設置如下：

2.2 PLC程序設計

PLC控制程序在并車操作前判別運行機組和待并機組，一旦并車后，PLC確定運行機組的電動機為主令電機，待并機組作為跟隨電機，這時兩臺電機均以主令電機變頻器的給定信號為基準，主令機變頻器不再處理主令電機的轉速反饋信號，跟隨電機以光電編碼器反饋信號形成調速閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果單機機運行，則PLC通過高速計數模塊讀取由光電旋轉編碼器所取得的電機轉速信號，與變頻器給定頻率值比較，最后調整變頻器的輸出頻率，形成一個閉環(huán)調速系統(tǒng)。PLC控制程序流程圖如圖2所示。

圖2 PLC控制程序流程圖

2.3 試驗結果

根據船舶電站并車實訓裝置設計方案，將變頻調速系統(tǒng)進行編程與調試后，進行了自動并車試驗，通過四通道示波器對電站并車時相關信號檢測，波形如圖3所示。CH1通道為電網電壓經鑒零變換后的方波信號，CH2通道為待并機電壓經鑒零變換后的方波信號，CH3通道為裝置發(fā)出的輸出合閘指令脈沖。在圖3中的箭頭位置為合閘信號發(fā)出后80ms時各電壓瞬時對應關系，可以看出電網與待并機的電壓相位差幾乎為零，以變頻電機為動力的并車裝置很好地仿真了柴油機在并車期間的調速調整過程，自動并車效果良好。

圖3 合閘時的信號波形

3 結束語

本文設計的一種基于變頻電機為動力的船舶電站并車實訓裝置，通過自動并車實際檢測，證實了設計方案的可行性，能夠實現(xiàn)船舶并車仿真運行，為建設船舶電站模擬器提供了參考依據。

[1]叢培亭.船舶電站[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]王文義.船舶電站[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2006.

[3]肖朋生.變頻器及其控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

Design of the Synchronizing Training Equipment for the Ship Power Station Powered by Inverter Motors

JI Yu
(Dept.of Marine Engineering,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong 226010,China)

To overcome such shortcomings as the poor fidelity of the simulator for the ship power station composed of MCU and computer network as well as to improve students’skills of synchronizing and disconnecting in maneuvering the ship power station,this article puts forward the schemes to design the synchronizing training equipment for the ship power station powered by inverted motors so as to improve the synchronizing effects of the simulator as well as the practice effects.

Ship power station;Synchronizing；VFD;Photoelectric encoder

U665.12

A

1671-9891（2014）03-0059-04

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.016

2014-06-20

季禹（1988—），男，江蘇南通人，南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系助教。