變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

，，，

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

船舶軸帶電機(jī)利用燃燒重油的船舶主機(jī)來(lái)進(jìn)行發(fā)電，比一般燃燒輕柴油的發(fā)電機(jī)組提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，通過(guò)能量的流動(dòng)方向的控制能夠使軸帶電機(jī)運(yùn)行在電力推進(jìn)模式，從而提升船舶推進(jìn)總功率，有利于降低船舶主機(jī)初始功率設(shè)計(jì)要求[1-3]。在船舶主機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，船舶軸帶電機(jī)也能夠起到應(yīng)急助推作用，在一定程度上提高了船舶的安全性。為了研究軸帶系統(tǒng)變速恒頻控制的的性能和雙饋型船舶軸帶電機(jī)的運(yùn)行特性，考慮設(shè)計(jì)并搭建由電站、推進(jìn)系統(tǒng)、軸帶系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4個(gè)分系統(tǒng)組成的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)展軸帶電機(jī)不同工作模式的功能和性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)總體方案框圖見(jiàn)圖1。

1.1 電站

電站作為船舶電力系統(tǒng)的核心，為了充分體現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的功能，本試驗(yàn)平臺(tái)的電站由市電主開(kāi)關(guān)柜、4臺(tái)10 kW模擬柴油發(fā)電機(jī)組、1套配電板和負(fù)載柜等組成。市電主開(kāi)關(guān)柜用于向變壓器和模擬柴油發(fā)電機(jī)組電機(jī)供電。

模擬柴油發(fā)電機(jī)組采用電機(jī)模擬柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向配電板供電；配電板包括4個(gè)10 kW發(fā)電機(jī)控制屏，1個(gè)并車屏，1個(gè)軸帶屏和2個(gè)負(fù)載屏；負(fù)載柜由2個(gè)30 kW阻性負(fù)載與30 kVar感性負(fù)載組成，模擬船用負(fù)載。該電站具備自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)功能，操作人員能夠根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況選擇不同的控制功能。在自動(dòng)功能情況下，電站能量管理系統(tǒng)能夠依據(jù)船舶的負(fù)載情況進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的并車、解列、負(fù)載轉(zhuǎn)移和功率分配控制等控制，并能夠根據(jù)船舶運(yùn)行工況，控制軸帶電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)主要包括1臺(tái)移相變壓器、1套變頻器柜、1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、1臺(tái)模擬負(fù)載電機(jī)、制動(dòng)電阻及液壓離合器等設(shè)備。

變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、模擬負(fù)載電機(jī)采用690 V的電壓等級(jí)，電源由移相變壓器提供，由市電主開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行控制。移相變壓器容量為300 kVA，主要用于升壓和移相，將電壓從380 V升到690 V，為12脈沖推進(jìn)系統(tǒng)用變頻器柜供電。變頻器柜含有1個(gè)整流單元、2個(gè)逆變單元，通過(guò)公共直流母線連接，2個(gè)逆變單元分別控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和模擬負(fù)載電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)由監(jiān)控系統(tǒng)控制運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速，模擬船舶主機(jī)動(dòng)力特性。螺旋槳負(fù)載特性由模擬負(fù)載電機(jī)模擬，通過(guò)螺旋槳靜態(tài)仿真模型來(lái)控制負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到模擬船舶螺旋槳負(fù)載效果。負(fù)載電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)或軸帶電機(jī)帶動(dòng)模擬負(fù)載電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能通過(guò)逆變單元反饋回直流母排，被驅(qū)動(dòng)電機(jī)重新利用，發(fā)出的電能沒(méi)有被驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗的部分，由制動(dòng)電阻消耗。

1.3 軸帶系統(tǒng)

軸帶系統(tǒng)由軸帶電機(jī)、變速恒頻裝置和離合器組成。軸帶電機(jī)采用雙饋感應(yīng)電機(jī)，額定功率37 kW，額定電壓400 V，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。軸帶電機(jī)可運(yùn)行在發(fā)電與電動(dòng)兩種狀態(tài)下，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式下，經(jīng)過(guò)變速恒頻裝置控制，輸出恒頻恒壓交流電，與電站中模擬柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式下，由電站供電，經(jīng)變速恒頻裝置的驅(qū)動(dòng)，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或共同驅(qū)動(dòng)模擬負(fù)載電機(jī)。

變速恒頻裝置主電路采用雙PWM交直交變流器結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)變流器經(jīng)中間直流母線相連，直流電容作為儲(chǔ)能元件[4]。變流器采用IGBT全控器件，具有電功率雙向流動(dòng)能力，能滿足軸帶電機(jī)在不同運(yùn)行模式下變速恒頻運(yùn)行以及功率靈活、快速調(diào)節(jié)的要求[5]。軸帶發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻裝置控制系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖2。

離合器采用濕式液壓多片離合器，模擬實(shí)船離合器的接合、脫開(kāi)過(guò)程。液壓離合器連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)與軸帶電機(jī)，由監(jiān)控臺(tái)控制接脫排。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控站、PLC、顯示器、控制面板、仿真計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。該系統(tǒng)通過(guò)Profibus-DP接口與驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器和模擬負(fù)載變頻器通訊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器、電機(jī)運(yùn)行工況，控制電機(jī)的起動(dòng)、加減速和停車等動(dòng)作，滿足船舶操作規(guī)范。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制采用轉(zhuǎn)速控制方式，根據(jù)控制手柄指令輸出轉(zhuǎn)速控制值。模擬負(fù)載電機(jī)的控制采用轉(zhuǎn)矩控制方式，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值由仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行的定距槳靜態(tài)仿真模型根據(jù)軸轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)計(jì)算得出。

同時(shí)該系統(tǒng)通過(guò)RS485與變速恒頻裝置、電站通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控變速恒頻裝置和軸帶電機(jī)運(yùn)行狀況，監(jiān)測(cè)電站運(yùn)行狀況；通過(guò)以太網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送到數(shù)據(jù)記錄分析計(jì)算機(jī)；可以監(jiān)測(cè)整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，具有報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和外發(fā)等功能。

2 軸帶系統(tǒng)工作模式試驗(yàn)

船舶正常運(yùn)行時(shí)，主要由船舶主機(jī)推進(jìn)而柴油發(fā)電機(jī)組提供電力。軸帶電機(jī)系統(tǒng)根據(jù)船舶運(yùn)行狀態(tài)并入配電電網(wǎng)，并通過(guò)軸帶電機(jī)發(fā)電與電動(dòng)模式為船舶靈活提供電力或機(jī)械動(dòng)力，以提高船舶燃油經(jīng)濟(jì)性能。雙饋式軸帶系統(tǒng)在變速恒頻裝置的控制下能夠在變速運(yùn)行條件對(duì)軸帶電機(jī)有功無(wú)功功率的極性與大小進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)[6-7]。由于采用了矢量控制策略，因此軸帶電機(jī)功率調(diào)節(jié)迅速(調(diào)節(jié)時(shí)間小于100 ms)、穩(wěn)定，使得軸帶雙饋電機(jī)近似工作在理想功率源狀態(tài)。利用軸帶電機(jī)優(yōu)良的功率調(diào)節(jié)特性，軸帶系統(tǒng)能在軸帶發(fā)電模式(PTO)、軸帶并車推進(jìn)模式(PTI)和軸帶電機(jī)單獨(dú)推進(jìn)模式(PTH)3種模式之間靈活、平滑切換。為驗(yàn)證軸帶系統(tǒng)通過(guò)變速恒頻裝置控制在不同模式運(yùn)行以及模式間平滑切換的性能，在該試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展了大量試驗(yàn)工作。本文重點(diǎn)闡述PTO/PTI兩種模式的試驗(yàn)情況。

2.1 軸帶發(fā)電模式(PTO)

軸帶發(fā)電模式時(shí)，模擬船舶主機(jī)作為唯一的動(dòng)力源，通過(guò)液壓離合器驅(qū)動(dòng)軸帶電機(jī)和模擬負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。軸帶雙饋電機(jī)在變速恒頻裝置控制下無(wú)沖擊地并入船舶電網(wǎng)，并向電網(wǎng)輸出有功和無(wú)功功率，以滿足船用負(fù)荷用電需求。同時(shí)，變速恒頻裝置能夠保證在船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)的功率的穩(wěn)定輸出。軸帶系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行下對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

如圖3所示，轉(zhuǎn)速1 332 r/min時(shí)，定子電流35.2 A/50 Hz，轉(zhuǎn)子電流12.6 A/5.9 Hz。從實(shí)驗(yàn)波形圖中可知定子c相電流超前ab線電壓90°。雙饋電機(jī)作單位功率因數(shù)運(yùn)行，向電網(wǎng)輸出無(wú)功功率為零，有功功率21.5 kW。

如圖4所示，轉(zhuǎn)速1 725 r/min時(shí)，定子電流35.6 A/50 Hz，轉(zhuǎn)子電流12.5 A/7.5 Hz，雙饋電機(jī)向電網(wǎng)輸出有功功率28.4 kW，無(wú)功功率為零。

比較不同轉(zhuǎn)速時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：盡管定轉(zhuǎn)子電流幅值基本相同，隨著雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)差極性反轉(zhuǎn)(S=0.12變化到-0.15)超同步運(yùn)行時(shí)，雙饋電機(jī)向電網(wǎng)輸出的有功功率大于次同步轉(zhuǎn)速時(shí)輸出的功率，這正好與主機(jī)功率隨轉(zhuǎn)速增加而增大相匹配。

2.2 并車推進(jìn)模式(PTI)

并車推進(jìn)模式時(shí)，軸帶電機(jī)由電站供電同船舶主機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)行，以滿足船舶在特定工況下對(duì)更大的功率輸出要求[8]。根據(jù)軸帶雙饋電機(jī)控制策略，在同步軸系下改變d軸電流極性，就可讓電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)和船舶主機(jī)一起并車推進(jìn)船舶運(yùn)行。該平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軸帶系統(tǒng)并車推進(jìn)模式性能，轉(zhuǎn)速1 725 r/min時(shí)不同負(fù)載條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

如圖5所示，輕載運(yùn)行時(shí)電機(jī)定子電流20.1 A/50 Hz，轉(zhuǎn)子電流8.0 A/7.5 Hz。從實(shí)驗(yàn)波形中可以看出，定子c向電流滯后ab線電壓90°。與并網(wǎng)發(fā)電模式相比，定子電流相位反轉(zhuǎn)180°，說(shuō)明電機(jī)功率狀態(tài)由發(fā)電變化為電動(dòng)。輕載運(yùn)行時(shí)雙饋電機(jī)功率因數(shù)為1，輸出機(jī)械有功功率約16 kW。

在同步坐標(biāo)系下增加轉(zhuǎn)子d軸電流，可增大軸帶雙饋電機(jī)輸出的機(jī)械功率。如圖6所示，重載運(yùn)行時(shí)電機(jī)定子電流35.0 A/50 Hz，轉(zhuǎn)子電流13.0 A/7.5 Hz。從實(shí)驗(yàn)波形中可以看出，定子c向電流滯后ab線電壓90°。與并網(wǎng)發(fā)電模式相比，定子電流相位反轉(zhuǎn)180°，這說(shuō)明電機(jī)功率因數(shù)為1，輸出機(jī)械有功功率約為27.9 kW。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套由電站、推進(jìn)系統(tǒng)、軸帶系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4個(gè)分系統(tǒng)組成的變速恒頻雙饋型船舶軸帶電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了雙饋型軸帶電機(jī)發(fā)電時(shí)的輸出電功率或電動(dòng)時(shí)的輸出軸功率。試驗(yàn)結(jié)果表明，變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同運(yùn)行模式下，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；有功無(wú)功功率的方向與大小的獨(dú)立調(diào)節(jié)，能有效避免船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)軸帶電機(jī)并網(wǎng)對(duì)電站電能質(zhì)量的影響，適用于船舶主機(jī)的不同轉(zhuǎn)速范圍要求。

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