螺旋槳負載模擬系統設計

王 力

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螺旋槳負載模擬系統設計

王 力

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為滿足電力推進系統試驗驗證要求，并達到節能環保的目的，本文設計并實現了一種螺旋槳負載模擬系統。本系統由變頻控制柜、負載交流電機及彈性聯軸器和負載模擬監控系統組成，能實時、準確的模擬螺旋槳的負載特性，為電力推進系統的試驗提供優質負載，并對螺旋槳負載模擬系統運行的整個過程提供監測、控制、系統設置和必要的保護。

電力推進系統 螺旋槳 負載模擬

0 引言

電力推進以其諸多的優越性己成為船舶推進方式的發展方向。為確保電力推進系統能滿足船舶使用要求，在電力推進系統裝船前一般要進行試驗驗證，以消除系統存在的問題。電力推進系統進行試驗驗證時，推進電動機需要連接螺旋槳模型負載，且螺旋槳模型負載越精確，對電力推進系統的驗證越充分。目前，多采用水力測功機作為負載，但水力測功機調節速度慢，無法模擬真實的螺旋槳負載變化，不能充分測試電力推進系統，且其能量不能回饋電網，造成資源浪費。因此，需要一種能準確、快速模擬螺旋槳負載特性的模擬系統，且該系統應能將能量回饋電網，本文即提出這樣一種螺旋槳負載模擬系統。

1 螺旋槳負載模擬系統組成

船舶電力推進系統螺旋槳負載模擬系統，由變頻控制柜、負載交流電機及彈性聯軸器和負載模擬監控系統組成。

圖1 螺旋槳負載模擬系統組成

變頻控制柜包括AFE整流器、逆變器、控制及保護電路、控制面板等，AFE整流器能將能量回饋電網，達到節能環保的目的。

負載模擬監控系統包括傳感器和負載模擬監控臺，傳感器負責采集負載交流電機的轉矩和轉速，并將信號發送至顯示儀表和PLC控制器，負載模擬監控臺又包括模擬負載控制面板、顯示儀表、工控機、打印機、PLC控制器、半物理實時仿真器等。在負載模擬監控臺上可進行螺旋槳參數、海況參數、船舶參數的設置，可以模擬各種類型螺旋槳在不同海況和船舶上的負載特性。負載模擬監控臺保留有與其他系統的通信接口，便于接入其他系統；螺旋槳負載模型系統的通信網絡采用工業控制設備層、控制層、信息層三層標準網絡結構，設備層和控制層之間采用PRODIBUS-DP現場總線，控制層和信息層之間采用TCP/IP以太網。

2 變頻器控制柜

變頻控制柜的基本結構如圖2所示。變頻控制柜包括AFE整流器、逆變器、控制及保護電路、控制面板、電源等。實驗室交流電源經熔斷器、繼電器等保護電路進入AFE整流器，整流為直流電后進入逆變器，逆變器根據控制模式(轉速控制或轉矩控制)和負載電機的轉速或轉矩，輸出滿足要求的交流電。變頻控制柜的控制電源一般為交流220 V電源。

圖2 變頻控制柜的基本結構

變頻控制柜的操作面板如圖3所示。變頻控制柜設計為柜式結構，柜前操作面板包括顯示儀表、狀態顯示、控制、緊停保護等部分。顯示儀表包括整流輸入電壓表、整流輸入電流表、直流母線電壓表、逆變器輸出電壓表、逆變器輸出電流表、負載電機轉速表和負載電機轉矩表。狀態顯示包括控制電源指示燈、AFE啟動指示燈、AFE停機指示燈、AFE故障指示燈、逆變器啟動指示燈、逆變器停機指示燈和逆變器故障指示燈。控制包括控制電源控制、操作地址選擇、控制模式選擇、AFE控制、逆變器控制、故障復位按鈕、轉速給定和轉矩給定。緊停保護用于系統需要緊急停止時的保護。

圖3 變頻控制柜的操作面板示意圖

3 負載模型監控臺

負載模型監控臺基本結構如圖1所示。其中，PLC控制器為核心控制器，負載與變頻控制柜和工控機、半物理實時仿真器的通信和控制。半物理實時仿真器內部裝載船槳模型，輸入為螺旋槳參數、海況參數、船舶參數、船舶初始速度和螺旋槳轉速，輸出為螺旋槳轉矩，此信號發送給變頻控制柜用于負載電機的轉矩控制。工控機上裝載上位軟件，用于系統的參數顯示、故障診斷和試驗分析等，連接有打印機，可將試驗數據打印。負載模型監控臺裝有UPS電源，可在監控臺失電的情況下，為監控臺提供備用電源，使試驗數據得以保存。

負載模擬監控臺為臺式結構，控制面板包括垂直面板和水平面板。垂直面板分為左右兩部分，左邊為顯示器，右邊為電機轉速表、電機轉矩表、控制電源控制、UPS供電控制、PLC電源控制、IPC電源控制和IPC啟動控制。水平面板也分為左右兩部分，左邊為鍵盤、軌跡球、蜂鳴器、消音按鈕、故障復位按鈕、緊停按鈕、轉速給定和轉矩給定，右邊為控制模式選擇、AFE控制、逆變器控制、調光旋鈕、燈測試按鈕、AFE啟動指示燈、AFE停機指示燈、AFE故障指示燈、逆變器啟動指示燈、逆變器停機指示燈、逆變器故障指示燈和備用按鈕。負載模擬監控臺控制面板的布置和器件類型應與變頻控制柜的操作面板保持一致，以方便試驗人員的操作。

4 結論

本系統具有如下優點：能實時、準確的模擬螺旋槳的負載特性，為電力推進系統的試驗提供優質負載；負載模擬監控臺操作方便、功能完善，能對螺旋槳負載模擬系統運行的整個過程提供監測、控制、系統設置和必要的保護；系統的通信網絡采用工業控制標準三層網絡結構，且留有與其他系統的通信接口，便于接入其他系統；負載交流電機做發電機運行時，系統能將能量回饋電網，達到節能環保的目的；通過參數設置，可以模擬各種類型螺旋槳在不同海況、不同船舶上的負載特性，具有一定的通用性。

[1] 楊柏梅. 螺旋槳負載特性的半實物仿真平臺研究[D]. 大連海事大學, 2013.

[2] 汪金波, 許順孝. 螺旋槳負載仿真的發展與應用[J]. 船電技術, 2011, 31(11): 36-39.

[3] 魏永清, 張曉峰, 沈建清. 螺旋槳負載特性的仿真研究[J]. 電機與控制應用, 2006, 33(6): 28-31.

Design of Propeller Load Simulation System

Wang Li

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

U664.31

A

1003-4862（2019）06-0023-02

2018-12-13

王力(1985-)，男。研究方向：船舶電氣。E-mail: hbdywl1985@163.com