自航絞吸式挖泥船綜合電力推進系統設計

黎鵬飛，陶 勇，蔣 煒

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自航絞吸式挖泥船綜合電力推進系統設計

黎鵬飛，陶 勇，蔣 煒

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了某自航絞吸式挖泥船綜合電力推進系統的設計方案，然后針對系統各設備的配置及功能實現進行了詳盡的介紹。

自航絞吸式挖泥船 綜合電力推進 變頻驅動

0 引言

隨著人工智能技術的快速發展，各國政府都在盡快立法，以加強對人工智能技術的監管。俄羅斯比較重視人工智能等創新技術的研究，也取得了一定的成就，但近年來由于與西方的政治關系緊張且歐美對其實施持續的經濟制裁，俄羅斯科研形勢不太樂觀，在人工智能研發力度和立法等方面相對于歐美日發達國家及我國都略顯滯后。目前，俄羅斯首先力推與人工智能密切相關的數字經濟，以促進人工智能的發展。人工智能立法還處于計劃之中，但從政府的意志和學者呼吁看，俄羅斯已將人工智能立法提上議事日程，俄羅斯媒體也透露出對立法考量的一些信息。

隨著自航絞吸式挖泥船在港口清淤、航道挖掘、吹填造地中應用廣泛，其在維護生命安全并確保航道暢通的功能具有重大的社會效益和市場前景。自航絞吸式挖泥船不僅可在江河湖海各類水面作業，而且還可以一次性完成物料的挖-裝-運-卸四個作業環節，是疏浚船舶的主力船型[1]。

大型自航式絞吸挖泥船采用綜合電力推進有諸多優點， 因為絞吸式挖泥船在采用電力推進時，大功率鉸刀和泥泵不必由專用的原動機帶動，原動機動力功率可以給鉸刀絞動和泥泵吸收或推進工作“分時復用”。在挖泥作業時，主發電機組可以將絕大部分功率供給鉸刀和泥泵，船舶的主推電機停止工作，船舶的近距離位移通過船上的絞車實現。反之在停止挖泥作業時，船舶利用全部電能高速航行，提高了電能利用率。由于綜合電力推進船舶減少了原動機組的數量，且原動機長期處于理想工作點，降低了燃油消耗，減少了有害氣體排放。因此不論是從提高船舶機動性和工作效率，還是從降低挖泥成本、響應節能減排的環保大趨勢來講，綜合電力推進船舶都體現出巨大的優越性，也由此必將成為大型挖泥船的標準解決方案和發展趨勢。

1 系統組成

自航式絞吸挖泥船綜合電力系統實現全船的供電、推進及疏浚設備的變頻驅動，其包含了供電系統，電力推進/絞車/封水泵變頻驅動系統，控制系統三大部分。如圖1所示。

自航式絞吸挖泥船綜合電力推進系統單線圖如圖2所示，從以上單線圖可以發現本船主推進為2套分時復用的變頻驅動系統，分別為絞刀/推進變頻驅動系統和水下泥泵/推進變頻驅動系統。絞刀電機和一號推進電機共用一號主推變頻器，水下泥泵電機和二號推進電機共用二號主推變頻器。這種推進方式完美體現了挖泥船“挖泥不推進、推進不挖泥”的特殊工況需求，大大節省了初始投資和資源配置。另外就是采用了公用直流母線方案。全船所有絞車變頻器的直流輸入側直

接掛在一號公用直流母線上。所有封水泵和沖水泵變頻器的直流輸入側直接掛在二號公用直流母線上[2]。

系統可以分為3個模塊。①管理員模塊。可對公告進行管理，即增刪改查；可對教師、學生進行增刪改查，即不對外開放注冊功能，教師及學生由管理員錄入系統。②教師角色。可以對題庫中題目增刪改查，對題干命題、選項設置、分值以及答案設置等；可以進行考務管理，即對考試設置名稱、選擇試卷、設置考試時間等；可對試卷進行管理，即規定題型題量后隨機組卷；可查看卷面答題情況等；可對個人信息進行管理；可對公告進行管理。③學生角色。可查看公告；可查看考試信息；可參加考試、答卷、交卷；可查看個人考試卷面；可修改個人信息。

或許全新路虎發現上市至今的銷量證明其設計并不被多數中國人認可，但這并不影響全新路虎發現成為新英國車設計的杰出代表。相比以往的霸氣外露、直抒胸臆來說，如今的路虎發現更講究類似中國文化里的深藏不露與內力十足。

為明確市場定位采取了問卷調查的方式。本次調查中，我們共發放問卷250份，收回235份，其中有效問卷200份，有效率88.1%。

2 供電系統

供電系統由發電、配電及功率管理系統組成。

2.1 發電系統

因此，在本文方位向聯合高分辨重構時，方位孔徑數需滿足式(17)的要求.文獻[]中給出了保證稀疏信號可以準確重構的條件下，量測個數M與信號稀疏度需滿足的關系為

發電系統由2臺主發電機G1、G2，1臺輔發電機G3和1臺應急/停泊發電機EG組成。

2.2 配電系統

5）緊急停車：緊急停車獨立于自動控制系統，遇緊急情況時可以人為切除變頻器，停止電機運行，保護設備和人身安全。

主要包括690 V主配電板（MSB）、400 V主配電板及組合啟動屏（MSB）、應急/停泊配電板（ESB）和2臺690 V/400 V電力變壓器。3臺發電機可長期并車，主發電機和輔發電機可與應急/停泊發電機可短時并車轉移負載。應急/停泊發電機可通過電力變壓器逆向給690V配電板供電，供疏浚設備調試維修用。電站使用工況及組合模式見圖3。

690 V主配電板將饋電給4套變頻驅動裝置和液壓電站泵站啟動單元，并通過電力變壓器給400 V負載供電。400 V主電板用于船舶輔助設備、甲板設備供電。通訊導航、自動化系統、照明設備和一些小負荷的供電為AC230V和DC24V。

2.3 功率管理系統

本船配置功率管理系統(Power Management System )簡稱PMS,對全船功率實現統一管理、配合圖3所列的11種不同工況，由4臺發電機G1、G2、G3、EG靈活組合實現，不僅提高了發電機的利用率和經濟性，在特殊情況下可以切除某些不重要的負載確保船舶的生命力，這也是電推船舶的重要優勢之一。

3 電力推進/絞車/封水泵變頻驅動系統

本船的電力推進系統不僅涵蓋了船舶航行的主推進系統，同時也包含了挖泥船疏浚工作系統。嚴格的說疏浚工作時的絞動、吸收、挖泥、短距離位移、封水、沖水等各種工況不屬于推進的范疇。但是考慮到絞刀電機/推進電機共用一號主推變頻器；水下泥泵電機和二號推進電機共用二號主推變頻器，其移相變壓器、配電板等主要設備也是共用，因此統一放在電力推進系統里介紹。

水利工程概（估）算編制規定涉及的專業及內容較多，不可能考慮到概（估）算編制過程遇到的所有情況，提出上述問題及思考，目的是希望盡快發布新的“編規”，新“編規”應盡量地覆蓋到各類水利工程，盡可能全面、完善、準確、清楚，最大限度地滿足概（估）算和工程量清單計價的需要，達到指導項目決策和投資控制的作用。

這種“磚塊”應用于復雜輸送系統中的各種開關、換向器、交叉口、轉角、雙向交叉口，甚至分揀機。它能在整個物流配送中心為所有行業搬運任何尺寸的盒子和紙箱。

3.1.1 主推進移相變壓器

(2) 在地鐵站臺以及乘客通道，大功率參量陣定向揚聲器具有極強的音頻方向性，且不受封閉空間音頻反射干擾，較脈沖音頻有著更好的方向性。

兩臺水冷三繞組移相變壓器其原邊設計成15°相角差（各自移相±7.5°），兩臺變壓器同時運行時將形成虛擬24脈整流，這樣網側電流僅含23次及25次諧波，且其有效值與諧波次數成反比，并且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。因此這種設計降低了電網諧波，使系統電壓諧波總畸變大大減小，不僅提高了系統效率也增強了電磁兼容水平。

3）堵轉保護：當螺旋槳被硬泥、石塊等卡住時，系統具有堵轉特性，在短時內不必斷開電動機，待卡住的原因消除后，螺旋槳很快恢復正常運轉，消除了系統經常“斷開—接通”的弊端。

3.1.2 主推變頻器

作為系統的核心設備，兩臺主推變頻器不僅帶動主推進電機，實現航行時的快速響應和靈活的正反轉控制同時還可以通過切換裝置分別驅動絞刀電動機和水下泥泵電動機進行疏浚作業。該變頻器采用大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為開關器件，是最新電力電子技術和自控技術的完美結合。變頻器為水冷方式，12脈沖整流，帶絞刀與推進電機切換裝置和泥泵電動機與推進電機切換裝置。選用西門子公司的 6SL2型變頻器，具有恒功率模式、恒轉矩模式、堵轉保護、螺旋槳捕捉再啟動、緊急停車等多種功能[3]。

1) 恒功率模式：推進電機的速度和轉矩可以在其最大允許范圍內靈活調節，在此期間保持功率恒定不變。在船舶航行過程中可以在阻力經常變化的情況下，始終維持動力設備（柴油機、發電機等）處于恒功率運行，使動力設備的效率保持在較高水平上，以利于充分發揮動力設備的效能、節省燃油、降低排放。

2) 恒轉矩模式:保證電機的輸出轉矩、尤其是低速航行和低負載挖泥作業時的轉矩輸出,高效的低速調速性能可以和傳統的直流調速低速性能相媲美。

算例3 對于文獻[17]的多智能體系統,通信拓撲在圖1的與之間切換.同樣地，取通信時延上界τ0=0.08.圖8～9分別表示多智能體的運動軌跡、位置變化與速度變化曲線.由圖可知，利用文獻[17]提出的脈沖控制協議亦可實現多智能體系統的編隊控制.然而，根據式 (22)，將系統的編隊控制一致性所用時間限定為5s,本文的通信代價指標T=4.9，而文獻[17]通信代價指標T=5.2.于是，相較于文獻[17]，本文提出的脈沖控制協議在實現系統編隊控制的同時，更能夠節約系統能量與通信代價.

在疏浚作業中橫移絞車、橋架轎車、拋錨桿絞車、起錨絞車功率較小，當部分機構處于電動運行時另外一些機構處于制動發電運行，發電運行的逆變器再生的電能可以回饋到公共直流母線中，被處于電動運行的逆變器利用，而不像獨立的變頻器將制動發電產生的電能通過制動電阻白白消耗掉，這樣不僅具有明顯的節能效果，而且大幅度降低了傳動系統的發熱量，延長了傳動系統的使用壽命。

4）螺旋槳捕捉再啟動：變頻器啟動或者調速時，由于水流或者慣性螺旋槳的速度并不為零，這時變頻器可以捕捉螺旋槳的當前速度，通過軟件算法的計算以最合適的頻率運行，不僅縮短過渡過程，提高響應速度，還能進一步提高效率。

配電系統由三相三線AC690V/50Hz、AC400V/50Hz 、230V/50Hz及DC24V所組成。

3.1.3 主推電機

二次函數是初中數學代數部分的重要內容，它既是貫穿中學數學的主脈，又是繼續學習和深造必須掌握的基礎知識，其中對“a”的范圍判斷是各地中考數學考查的熱點題型．這類試題集代數知識、數形結合、分類討論等于一體，綜合性、靈活性強．如何在有限時間內尋找突破口，筆者精選幾例中考題加以歸類，分析圖形結構，挖掘內涵、外延，破解二次函數中有關“a”的范圍的問題，不當之處，敬請指正．

系統設兩臺690 V水冷變頻主推進電動機。

3.2 絞車變頻驅動系統

本船設1套絞車變頻驅動系統，主要包括：1臺水冷三繞組移相變壓器、1套12脈水冷多傳動變頻器、8臺強制風冷絞車電動機。

定義2 設[Sθ1,Sθ2]，其中Sθ1,Sθ2∈S且0≤θ1≤θ2≤τ,S為語言短語集，則稱為離散區間語言變量。特別地，當θ1=θ2時，退化為語言變量。

絞車電機共包括橫移絞車變頻電動機、橋架轎車變頻電動機、拋錨桿絞車變頻電動機、起錨絞車變頻電動機共8臺絞車電動機。其對應的8臺逆變器均掛接在公共的直流母線上。這種調速控制方式也稱為多傳動變頻器控制。由于直流母線是8臺逆變器公用，其整流單元也只需要一個，而不是常規的8個整流單元。由此節省了大量材料和安裝空間，是降低成本的理想選擇。

膨潤土開發利用水平計算中涉及固定的有3項，分別為開采回采率、選礦回收率、綜合利用率，總權重合計為100，各分項權重選取依據為：先以111折算平均權重項各為33.3，再根據征求行業專家討論意見匯總結果，實際權重值在平均值基礎上適當增、減后確定。

3.3 封水泵變頻驅動系統

3.1 主推進系統

本船設1套封水泵變頻驅動系統，主要包括：1臺空冷三繞組移相變壓器、1套12脈空冷多傳動變頻器、10臺風冷電動機。分別是#1艙內泵封水泵、#2艙內泵封水泵、水下泵封水泵及沖水泵的電動機。

主推進系統為兩套分時復用的變頻驅動系統見圖4，兩套變頻驅動系統主要包括：2臺水冷三繞組移相變壓器、2套12脈水冷變頻器、2臺水冷推進變頻電動機和變頻驅動控制系統。其中絞刀/推進變頻器通過輸出切換開關驅動絞刀變頻電動機和推進變頻電動機，泥泵/推進變頻器通過輸出切換開關驅動水下泥泵變頻電動機和推進變頻電動機。

和絞車變頻驅動系統類似，封水泵變頻驅動系統同樣是掛接在公用直流母線上的多傳動變頻系統。

4 控制系統

控制系統主要由PMS（功率管理系統）和PLC控制系統組成。

4.1 PMS（功率管理系統）

功率管理系統負責船舶電力的發出和全船電力的分配，對全船功率實施統一優化管理，保證船舶電力所必需的安全和經濟節約的操作。PMS系統可以根據負載的實事功率需求和電網的運行狀態對每臺柴油發電機組進行監控并協調各機組的啟動、停機、并車和解列，對供電系統進行故障報警和處理，為電力推進和其它用電設備提供可靠和經濟的電能管理。如圖5所示。PMS組成包括PMS主控制器、機組數據采集子站ET200M、發電機保護并車單元PPU及HMI人機界面等。PMS的功能主要包括柴油發動機機組的啟動和停車、機組的投運和并車、機組的解列和停車、發電機組的啟、停序列設定、重載詢問、分級自動卸載、人機界面監控等。如圖6所示。

在本文的系統模型中，當中繼天線數N→時，由于K?N，根據式(32)，源端到中繼間的信道矩陣G1有以下逼近準則：

4.2 PLC控制系統

PLC控制系統可以采集絞刀驅動系統、水下泥泵驅動系統、推進驅動系統、絞車驅動系統、封水泵驅動系統等的各種信號（包括各驅動系統的輔助設備，如防冷凝加熱、繞組溫度、軸承溫度、冷卻水泵、風扇、預充磁等）進行安全保護及控制。

挖泥控制系統及航行推進控制系統都可以通過標準接口與變頻驅動控制系統進行通信，并實現對絞刀、水下泥泵、推進電機、絞車、封水泵等的控制。PLC控制柜實現各種設備變頻系統的的啟動、停止、操作狀態轉換、控制、保護及電機輔機的控制和監測，電機輔機包括加熱器和冷卻風扇電動機等設備。變頻器根據PLC發出的指令調節電動機轉速和轉矩。

5 結束語

本船采用綜合電力推進系統后，極大提高了船舶的操控靈活性、可靠性；綜合利用船舶的動力裝置使設備布置更靈活，有效空間更多；降低燃油消耗和有害氣體排放響應節能環保的要求。綜合電力推進系統使絞吸挖泥船的社會效益、經濟效益和節能減排帶來全方位的提升，必將有更為廣闊的應用前景。

[1] 喬銘忠,于飛,張曉峰. 船舶電力推進技術. 北京: 機械工業出版社, 2013.

[2] 車向中,郭建斌. 基于公共直流母線的挖泥船絞車變頻控制系統. 船電技術，2009，（3）.

[3] 楊明,柯常國,陶勇. 絞吸式挖泥船控制系統. 船電技術，2013,（1）.

Design of Integrated Electric Propulsion System for Self-propelled Cutter Suction Dredger Ship

Li Pengfei, Tao Yong, Jiang Wei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM465

A

1003-4862（2016）05-0024-04

2015-12-09

黎鵬飛(1976-)，男，碩士，工程師。研究方向：綜合電力推進系統。