小型船舶電力推進系統幾個關鍵技術研究

馬昭勝

(集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021)

船舶電力推進技術應用已經得到迅速的發展，此技術的研究越來越受到國內外的高度重視，具有廣闊的應用前景［1］。

隨著電力推進技術的飛速發展，其應用范圍也越來越大［2］。目前越來越多的小型旅游船舶、江河內的工程船舶都采用了電力推進系統，然而，我國對電力推進技術的研究尚處于初步階段，在這方面與發達國家存在很大的差距，所以電力推進的先進核心技術一般由外國引進［3］。國內已經有很多公司對此表示高度重視，而且也取得了一些成果［4］。西湖指揮工作船，船體長度為19.8 m，寬為4.8 m，滿載排水量為32.7 t，推進主機采用15 kW的三相異步電機。珠海江龍船舶制造有限公司開始在內河旅游船舶上采用變頻調速技術驅動船舶運行，相關參數為:船長16 m，寬1.35 m，最大航速12 km/h，電機2臺，功率11 kW，此系統已經試車成功。以上的例子表明電力推進技術越來越廣泛的應用在小型船舶上［5］。

本文探討電力推進船舶的推進子系統和負載模擬子系統的構建技術，并且對諧波抑制技術也作一定的介紹。

1 推進電機子系統構建技術

推進電機子系統實現原理如圖1，2#駕控臺是基于中控EPA系統組建的電力推進系統［6］。

下面對具體流程加以說明:來自變頻柜的信號有電機電流，電機功率因素，電機轉速，電機頻率，變頻器輸入電壓，還有變頻器各種運行指標(啟停、變頻允許，變頻故障等)，電機溫度等。這些信號是用來判斷系統是否正常工作的信號，一部分傳給控制柜的PLC進行處理判斷，一部分經EPA各組件轉換為總線數據，另外一些信號是作為遠程控制駕控臺的指示燈信號，分別傳送到各駕控臺指示燈面板。

圖1 推進電機子系統實現原理圖

1#號駕控臺得到變頻柜各種運行指示標志后，判斷系統運行狀態，若系統運行正常無報警指示則開始啟動系統。通過控制面板啟動按扭進行系統啟動，調節速度輸入主車鐘對系統轉速進行調節(在系統按給定速度運行指示燈亮時進行)。

通過駕控臺轉換開關將控制權交由2#號駕控臺來操作。首先來自變頻柜的用于判斷系統正常運行的指示燈信號送至2#號駕控臺，2#號駕控臺判斷系統可以正常工作后發出啟動信號，經EPA系統總線送至PLC進入系統運行初始化。調節速度輸入手柄給電機以不同轉速，模擬速度信號經EPA總線送到PLC，由PLC進行控制給變頻器以一定的控制信號，PLC產生的控制信號再次傳到EPA總線上來，由EPA總線將PLC輸出的控制信號送到指定現場輸出設備 (變頻器各控制輸入端)，以此來改變輸入電機的頻率調節電機轉速。電機轉速由PLC根據PID調節程序進行實時調整。

作為上位機的嵌入式系統通過監控軟件(PIMS PLC系統參數監控及記錄)從EPA系統總線上得到電力推進系統運行的實時數據。

2 負載模擬子系統構建技術

驅動電機和負載電機的轉接在本系統中要求很高，需要很高的對中工藝。在安裝時要專門的工作人員來保證安裝的精度。二者對中精度的高低將很大程度影響扭矩的測量和設備的正常運行。

先期，我們在地面上用水泥填充了一個底座，上面用鋼板放平，制作時嚴格保證底座牢固，鋼板水平。后期，為2個電機的轉接，專門設計一個鋼制底架，底架的制作同樣要保證精度，然后把驅動電機和負載電機安裝在底架上。驅動電機和負載電機之間通過一個與驅動電機連接的軸套、一個萬向軸，扭矩傳感器側軸套、負載電機側軸套。其中在扭矩傳感器側的軸套處安裝一個支座，在扭矩傳感器處安裝一個支座。通過專用設備來測量保證負載電機和驅動電機的主軸以及扭矩傳感器的精確對中。全部組裝完畢，最后將整個底座焊在水泥底座的鋼板上，防止電機運行時發生移動。

考慮到本負載模擬各種轉矩的精度要求，本系統在設計時引用一個扭矩傳感器，實時檢測負載電機的扭矩輸出和變頻器的扭矩輸出，進而構成閉環的PID控制。其閉環控制示意圖如圖2所示。

圖2 轉矩閉環控制示意圖

負載控制柜從驅動變頻柜引出緊急停車信號和停車信號來作為判斷驅動系統工作信號的依據。當驅動變頻柜給出完車信號時，負載變頻器檢測到該信號，自動停止工作。

進行實驗前要先進行螺旋槳和2臺電機的基本參數設置。螺旋槳的參數包括:船舶排水量 (t)、阻力系統 (N/(m/s2))、水體密度 (kg/m3)、伴流系數、推力減額分數、螺旋槳直徑 (m)、螺旋槳轉速 (r/min)、風浪阻力幅值 (N/m)、風浪阻力周期 (s)、齒輪箱變比 (1/x)、螺旋槳數 (4)、加速時間。電機參數包括:額定轉矩、額定轉速、最高轉速、加載轉速、報警溫度、停機溫度。

上述參數設置完畢后，還需對轉矩控制模型參數進行設置。設置恒定功率實驗參數，得到負載的實驗結果，如圖3所示。從實驗結果可以看到，負載上位機啟動后經過大約200 ms的時間負載電機把轉矩加到設定值，負載轉矩與設定轉矩一致性很好，達到實驗要求。在負載電機達到設定轉矩時，持續增加驅動電機的轉速，發現電機的輸入電流基本保持不變，而驅動電機的輸入電壓則隨著驅動電機的轉速的增加而增加。在驅動電機達到最大轉速時，負載電機的轉矩有所波動，之后當轉速下降時，負載電機轉矩又回到設定值。轉矩發生波動是因為在負載上位機我們提前設定，轉速不能超過1 000 r/min，而當驅動電機的轉速超過1 000 r/min時出現輸出轉矩與設定不符的情況，而當驅動電機的轉速再次降到1 000 r/min時，負載電機再次達到設定轉矩值。可見本系統具有較高的實驗精度。

圖3 恒功率實驗曲線圖

3 諧波抑制技術

船舶電力推進技術的興起，很大程度上歸功于功率半導體器件的飛速發展，采用功率半導體器件的變頻裝置就是為了變流［7］。變流過程中，輸入和輸出側電壓和電流都會出現波形畸變，產生大量的諧波，導致原本的正弦波電壓和電流發生畸變，降低了船舶電網的電能質量，影響了船舶電力推進系統的安全運行，增加了功率損耗，給系統設備帶來不同程度的危害，嚴重時，還會損壞設備［8］。因此，諧波抑制的研究，對船舶電力推進系統的應用和發展有著非常重大的意義。

諧波抑制的非常重要的技術就是使用并聯型有源電力濾波器，其系統框圖如圖4，其工作原理為:指令電流運算電路在檢測到負載電流后，通過運算把負載電流信號中的諧波電流、無功電流及負序電流和零序電流檢測出來，然后把電流信號轉換成相應的變流器觸發信號，再通過電流跟蹤控制電路形成觸發脈沖去驅動變流器，使變流器產生的電流為上述電流之和，極性相反，再回注入電網，則電網中的諧波電流、無功電流、負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 并聯型APF系統框圖

4 結束語

將船舶電力推進系統分為2個子系統分別實現，即推進電機控制系統和負載模擬系統［9］。2個子系統的上位機均由一臺專用工業控制機、顯示器、打印機組成，負責監控、管理和記錄，下位機均采用可編程邏輯控制器和變頻器進行信號采集和控制，上位機和下位機的通訊采用PROFIBUS－DP現場總線，從而保證數據通訊的實時性［10］。

為了有效模擬推進電機所驅動的負載特性，通過采用線性項、二次方項、三次方項和積分項等來模擬所需施加的負載轉矩，采用一個高精度扭矩傳感器，實時檢測負載電機的扭矩輸出和變頻器的扭矩輸出，構成閉環的PID扭矩控制系統，實現期望負載轉矩的施加。諧波抑制技術的有源電力濾波器在船舶上的應用能極大改善船舶電網的電能質量，從而保證船舶電力推進系統的安全穩定運行。

［1］劉鈺山，葛寶明，畢大強.基于多相整流的船舶電力推進系統諧波抑制 ［J］.北京交通大學學報 ，2011，35(2):99－103.

［2］沈愛弟，褚建新，康偉.內河船舶電力推進系統設計［J］.上海海事大學學報，2009，30(2):20－24.

［3］鄭為民，俞萬能.小型船舶電力推進系統諧波分布研究［J］.集美大學學報 (自然科學版)，2010，14(3):48－52.

［4］焦勇.船舶電力推進系統特性仿真實驗研究［J］.船電技術，2011(3):15－17.

［5］劉雨，郭晨.船舶綜合全電力推進系統的動態仿真［J］.中國航海，2010，33(3):24－29.

［6］劉勝，張玉廷，李冰.船舶電力推進系統傳導電磁干擾預測分析 ［J］.哈爾濱工程大學學報，2012，31(2):37－42.

［7］季明麗.交流變頻調速技術在船舶電力推進系統中的應用 ［J］.制造業自動化，2009，32(9):122－125.

［8］林治國，高孝洪，陳輝，等.艦船電力推進仿真系統中PLC設計［J］.武漢理工大學學報 (交通科學與工程版)，2010，8(4):772－775.

［9］張蘭勇，劉勝，李冰.船舶電力推進系統電磁環境虛擬暗室測試技術研究 ［J］.自動化技術與應用，2012，31(3):55－60，81.

［10］黃鵬，蔡鴻武，柯常國，等.某游船電力推進系統方案設計 ［J］.船電技術，2009，9(29):1－5.