變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統(tǒng)試驗平臺的設(shè)計

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(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

船舶軸帶電機利用燃燒重油的船舶主機來進行發(fā)電，比一般燃燒輕柴油的發(fā)電機組提高了燃油經(jīng)濟性。另外，通過能量的流動方向的控制能夠使軸帶電機運行在電力推進模式，從而提升船舶推進總功率，有利于降低船舶主機初始功率設(shè)計要求[1-3]。在船舶主機出現(xiàn)故障的情況下，船舶軸帶電機也能夠起到應(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的運行特性，考慮設(shè)計并搭建由電站、推進系統(tǒng)、軸帶系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4個分系統(tǒng)組成的試驗驗證平臺，開展軸帶電機不同工作模式的功能和性能驗證試驗。

1 試驗平臺構(gòu)成

變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統(tǒng)試驗平臺總體方案框圖見圖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，本試驗平臺的電站由市電主開關(guān)柜、4臺10 kW模擬柴油發(fā)電機組、1套配電板和負載柜等組成。市電主開關(guān)柜用于向變壓器和模擬柴油發(fā)電機組電機供電。

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

1.2 推進系統(tǒng)

推進系統(tǒng)主要包括1臺移相變壓器、1套變頻器柜、1臺驅(qū)動電機、1臺模擬負載電機、制動電阻及液壓離合器等設(shè)備。

變頻器、驅(qū)動電機、模擬負載電機采用690 V的電壓等級，電源由移相變壓器提供，由市電主開關(guān)柜進行控制。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脈沖推進系統(tǒng)用變頻器柜供電。變頻器柜含有1個整流單元、2個逆變單元，通過公共直流母線連接，2個逆變單元分別控制驅(qū)動電機和模擬負載電機。驅(qū)動電機由監(jiān)控系統(tǒng)控制運行在不同轉(zhuǎn)速，模擬船舶主機動力特性。螺旋槳負載特性由模擬負載電機模擬，通過螺旋槳靜態(tài)仿真模型來控制負載電機的轉(zhuǎn)矩，達到模擬船舶螺旋槳負載效果。負載電機工作在發(fā)電機模式，驅(qū)動電機或軸帶電機帶動模擬負載電機發(fā)電，發(fā)出的電能通過逆變單元反饋回直流母排，被驅(qū)動電機重新利用，發(fā)出的電能沒有被驅(qū)動電機消耗的部分，由制動電阻消耗。

1.3 軸帶系統(tǒng)

軸帶系統(tǒng)由軸帶電機、變速恒頻裝置和離合器組成。軸帶電機采用雙饋感應(yīng)電機，額定功率37 kW，額定電壓400 V，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。軸帶電機可運行在發(fā)電與電動兩種狀態(tài)下，在發(fā)電機運行模式下，經(jīng)過變速恒頻裝置控制，輸出恒頻恒壓交流電，與電站中模擬柴油發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電；在電動機運行模式下，由電站供電，經(jīng)變速恒頻裝置的驅(qū)動，單獨驅(qū)動或共同驅(qū)動模擬負載電機。

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)與機側(cè)變流器經(jīng)中間直流母線相連，直流電容作為儲能元件[4]。變流器采用IGBT全控器件，具有電功率雙向流動能力，能滿足軸帶電機在不同運行模式下變速恒頻運行以及功率靈活、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)原理框圖見圖2。

離合器采用濕式液壓多片離合器，模擬實船離合器的接合、脫開過程。液壓離合器連接驅(qū)動電機與軸帶電機，由監(jiān)控臺控制接脫排。

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、仿真計算機、數(shù)據(jù)分析計算機等設(shè)備組成。該系統(tǒng)通過Profibus-DP接口與驅(qū)動電機變頻器和模擬負載變頻器通訊，用于實時監(jiān)測變頻器、電機運行工況，控制電機的起動、加減速和停車等動作，滿足船舶操作規(guī)范。驅(qū)動電機的控制采用轉(zhuǎn)速控制方式，根據(jù)控制手柄指令輸出轉(zhuǎn)速控制值。模擬負載電機的控制采用轉(zhuǎn)矩控制方式，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值由仿真計算機內(nèi)運行的定距槳靜態(tài)仿真模型根據(jù)軸轉(zhuǎn)速反饋信號計算得出。

同時該系統(tǒng)通過RS485與變速恒頻裝置、電站通信，實時監(jiān)控變速恒頻裝置和軸帶電機運行狀況，監(jiān)測電站運行狀況；通過以太網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送到數(shù)據(jù)記錄分析計算機；可以監(jiān)測整個試驗平臺的運行狀態(tài)，具有報警、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)存儲和外發(fā)等功能。

2 軸帶系統(tǒng)工作模式試驗

船舶正常運行時，主要由船舶主機推進而柴油發(fā)電機組提供電力。軸帶電機系統(tǒng)根據(jù)船舶運行狀態(tài)并入配電電網(wǎng)，并通過軸帶電機發(fā)電與電動模式為船舶靈活提供電力或機械動力，以提高船舶燃油經(jīng)濟性能。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行條件對軸帶電機有功無功功率的極性與大小進行獨立調(diào)節(jié)[6-7]。由于采用了矢量控制策略，因此軸帶電機功率調(diào)節(jié)迅速(調(diào)節(jié)時間小于100 ms)、穩(wěn)定，使得軸帶雙饋電機近似工作在理想功率源狀態(tài)。利用軸帶電機優(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)、軸帶并車推進模式(PTI)和軸帶電機單獨推進模式(PTH)3種模式之間靈活、平滑切換。為驗證軸帶系統(tǒng)通過變速恒頻裝置控制在不同模式運行以及模式間平滑切換的性能，在該試驗平臺上開展了大量試驗工作。本文重點闡述PTO/PTI兩種模式的試驗情況。

2.1 軸帶發(fā)電模式(PTO)

軸帶發(fā)電模式時，模擬船舶主機作為唯一的動力源，通過液壓離合器驅(qū)動軸帶電機和模擬負載運轉(zhuǎn)。軸帶雙饋電機在變速恒頻裝置控制下無沖擊地并入船舶電網(wǎng)，并向電網(wǎng)輸出有功和無功功率，以滿足船用負荷用電需求。同時，變速恒頻裝置能夠保證在船舶主機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化時的功率的穩(wěn)定輸出。軸帶系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電運行下對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下的實驗結(jié)果見圖3、4。

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

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

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

2.2 并車推進模式(PTI)

并車推進模式時，軸帶電機由電站供電同船舶主機共同驅(qū)動螺旋槳運行，以滿足船舶在特定工況下對更大的功率輸出要求[8]。根據(jù)軸帶雙饋電機控制策略，在同步軸系下改變d軸電流極性，就可讓電機工作在電動狀態(tài)和船舶主機一起并車推進船舶運行。該平臺實驗驗證了軸帶系統(tǒng)并車推進模式性能，轉(zhuǎn)速1 725 r/min時不同負載條件的實驗結(jié)果見圖5、6。

如圖5所示，輕載運行時電機定子電流20.1 A/50 Hz，轉(zhuǎn)子電流8.0 A/7.5 Hz。從實驗波形中可以看出，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°，說明電機功率狀態(tài)由發(fā)電變化為電動。輕載運行時雙饋電機功率因數(shù)為1，輸出機械有功功率約16 kW。

在同步坐標系下增加轉(zhuǎn)子d軸電流，可增大軸帶雙饋電機輸出的機械功率。如圖6所示，重載運行時電機定子電流35.0 A/50 Hz，轉(zhuǎn)子電流13.0 A/7.5 Hz。從實驗波形中可以看出，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°，這說明電機功率因數(shù)為1，輸出機械有功功率約為27.9 kW。

3 結(jié)論

設(shè)計了一套由電站、推進系統(tǒng)、軸帶系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4個分系統(tǒng)組成的變速恒頻雙饋型船舶軸帶電機試驗平臺，在平臺上實現(xiàn)了雙饋型軸帶電機發(fā)電時的輸出電功率或電動時的輸出軸功率。試驗結(jié)果表明，變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同運行模式下，具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；有功無功功率的方向與大小的獨立調(diào)節(jié)，能有效避免船舶主機轉(zhuǎn)速波動時軸帶電機并網(wǎng)對電站電能質(zhì)量的影響，適用于船舶主機的不同轉(zhuǎn)速范圍要求。

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