變頻電力推進驅動調距槳船舶的 推進控制系統設計

王剛毅，印 曦，莊加興

（上海船舶設備研究所，上海 200031)

0 引言

目前船舶常采用原動機驅動調距槳，或者原動機驅動變頻電機和定矩槳的推進方式，這2種方式雖然能夠滿足絕大多數船舶的加速性能需求，但對于具有多種運行和作業工況的特種船舶來說，情況有所不同。以物探船為例，具有巡航和多種拖纜作業工況，既需求具有較寬的調速范圍和快速的調速特性，又需求在任一轉速下能獲得較好的推力響應特性。但原動機驅動調距槳方式的調速范圍和調速響應不能很好地滿足要求。原動機驅動變頻電機和定矩槳方式的速度和推力成對應關系，固定轉速下的推力響應不能很好地滿足要求。因此采用變頻電力推進驅動調距槳的推進方式對于提高此類船舶的作業性能具有重要的意義。

1 常見控制模式

如果船舶采用變頻電力推進驅動調距槳的推進方式，因其在不同作業工況下對轉速和螺距的控制要求不同，船舶的推進控制系統一般設置有多種控制模式[1]，常見模式如下。

1.1 單控模式

推進器的轉速和螺旋槳的螺距通過各自設立的操作裝置進行獨立控制，在這種模式下，控制系統不會對轉速和螺距進行關聯，控制邏輯比較簡單。此時需要操船人員能夠綜合了解主機、螺旋槳性能以及機槳匹配特性，結合作業工況的需求，對轉速和螺距分別進行控制，避免出現主機過載、超速和螺旋槳空泡等危害船舶運行或者設備安全的現象。

1.2 聯控模式

聯合控制是指推進控制系統根據預先設定的聯合曲線控制推進轉速和調距槳螺距，在這種模式下，操作人員通過單一的控制桿同時控制轉速和螺距，保證轉速和螺距運行在聯控曲線上。聯控曲線是綜合考慮船舶最常用運行工況下的轉速、推力、功率需求及燃油經濟性等因素而確定的，同時考慮主機負荷特性保證各工況下主機不會超負荷和失速。聯控模式只有在設計工況下才能實現最佳匹配性能，如果運行工況與設計工況偏離較大，就難以保證較好的匹配關系，甚至控制狀態劣于單控模式[2]。

1.3 恒功率模式

恒功率模式，又稱恒定負荷模式，是一種特殊的聯合控制模式，其特點是在普通聯控模式的基礎上，以負荷控制為目標，不斷將實際負荷與設定負荷相比較，并根據負荷偏差自動調節螺距，直至實際負荷與設定負荷相同，在這種控制模式下，主機和推進系統能夠實現較高的效率和良好的操縱性能。

1.4 恒轉速模式

恒轉速模式，又稱軸帶發電機模式，在這種模式下，推進器的轉速保持恒定，控制系統僅通過調節螺旋槳的螺距來改變推力，由于此模式下主機轉速不變，通常驅動軸帶發電機等輔機。

1.5 非隨動模式

非隨動模式是一種應急模式，這是一種獨立于遙控系統的應急操作模式，這種模式下信號皆通過硬線傳輸。當遙控系統出現故障時，操作人員可以切換至非隨動模式，分別對推進轉速和螺旋槳轉矩進行非隨動控制，它是上述4種模式的備用。

2 系統設計

2.1 系統組成

本文對某型變頻電力推進驅動調距槳的船舶進行了推進控制系統設計，如圖1 所示。本文的推進控制系統設有駕駛室控制面板和集控室控制面板[3]，兩者分別通過硬線與駕駛室控制單元和集控室控制單元交換信號，控制權限可以在5 個控制面板間切換，有且只有一個控制面板處于控制位置。VFD中央處理單元、CPP中央處理單元、駕駛室控制單元和集控室控制單元位于一條通訊總線上，各控制面板可以通過CPP 中央處理單元將控制命令傳遞至調距槳，從而實現螺距的調節；可以通過VFD 中央處理單元將控制命令傳遞至推進變頻器，從而實現對推進電機的控制。

圖1 推進控制系統架構圖

2.2 模式設計

本設計所針對的對象船舶主要有巡航工況和拖纜作業2 種工況。在巡航工況下，船舶的目標推進轉速與螺距關系相對固定，因此可在設計階段根據船舶特性計算出一條轉速與螺距的聯控曲線，并在試驗階段進行曲線的修正。本設計的推進控制系統設有聯控模式，在此模式下，操作人員通過單一手柄控制船舶狀態按聯控曲線運行，本設計的聯控曲線如圖2 所示。在拖纜作業工況下，因纜繩的根數、長度、船速等參數不確定，不同狀態下操船人員對轉速和螺距的要求不同，因此本設計的推進控制系統設有單控模式，在此模式下，操作人員可根據作業工況的需要，操作轉速手柄和螺距按鈕分別控制船舶的推進轉速和螺距。另外本設計的推進控制系統設有非隨動模式，它是單控模式和聯控模式的備用模式，當遙控系統出現故障后，操作人員可以切換至非隨動模式，分別對推進轉速和螺旋槳轉矩進行非隨動控制。

圖2 轉速-螺距聯控曲線圖

2.3 操作區設計

本設計的操作區設有推進手柄、常規控制面板和非隨動控制面板。常規控制面板和推進手柄如圖3 所示，用于在單控模式和聯控模式下，通過推進手柄和常規控制面板的配合操作實現對推進系統的全面控制。非隨動控制面板如圖4 所示，用于當常規控制面板或推進手柄作用失效時，對推進系統進行應急非隨動控制。

圖3 常規控制面板和推進手柄示意圖

圖4 非隨動控制面板示意圖

3 系統操作

3.1 常規操作

常規控制面板上設有指示燈顯示系統故障、故障停車、報警、功率限制、推進運行、控制位置、轉速控制有效、螺距控制有效等狀態；設有按鈕用于進行應急停車、推進啟動、推進停止、單控模式、聯控模式、加速、減速、越控、復位、位置切換等操作命令。在拖纜工況下，操作人員雙擊SEPARATE按鈕進入單控模式，此時通過常規控制面板上的RPM INC和RPM DEC按鈕進行推進器的加速和減速控制，通過推進手柄進行螺距控制。在巡航工況下，操作人員雙擊COMBINATOR按鈕進入聯控模式，此時RPM INC和RPM DEC按鈕進入無效狀態，操作人員通過推進手柄完成轉速和螺距的聯合控制。

3.2 非隨動操作

非隨動控制面板上設有指示燈顯示轉速控制有效、螺距控制有效、舵機控制有效、軸系設備就緒、調距槳就緒和推進器就緒等狀態。非隨動控制面板上的按鈕主要分為3個功能區：轉速控制、螺距控制和舵角控制。雙擊NFU SELECT按鈕進入轉速NFU模式后，可分別通過RPM INC和RPM DEC按鈕進行轉速加減速控制；雙擊NFU PROP按鈕進入螺距NFU模式后，可分別通過AHEAD和ASTERN按鈕進行螺距加減控制；雙擊NFU STEERING按鈕進入舵角NFU模式后，可分別通過PORT和STBD按鈕進行左右舵控制。

4 負荷保護策略

對于變頻電力推進驅動調距槳的船舶而言，因其采用變頻控制推進電機的方式，所以推進器的加減速過程較傳統柴油機推進迅速很多，如果在加減速過程中，同時伴隨螺距的增大和減小操作，推進功率將會在極短時間內發生非常大的變化，極易導致電網超負荷或者主機失速。本設計針對變頻電力推進驅動調距槳的船舶的這一特點，設計了一種負荷保護策略，在保證船舶加減速過程不會導致電網超負荷和主機失速的情況下，實現船舶的快速調節轉速和功率。

4.1 理論分析

推進電機在各轉速下能夠輸出的最大功率曲線稱為推進外特性曲線，其關系式為

式中：k1、k2、k3為推進電機的外特性曲線參數，對于特定主機而言為固定參數；n為推進電機的轉速，r/s。

船舶螺旋槳受到的阻力矩為M，其關系式為

式中：ρ為水的密度，kg/m3；DP為螺旋槳的直徑，m，兩者皆為固定參數；KM為阻力矩系數。

螺旋槳上受到負荷為

從式（2）～式（5）可以看出，W是關于轉速n和螺距H的函數，所以通過合理的控制轉速n和螺距H，保證W的變化斜率在電網的承受范圍內，并且不超過W外，就可實現基于電網負荷的保護[4]。

4.2 算法實現

通過上述分析，本文設計了基于負荷的轉速與螺距控制方法[5]，如圖5 所示。將轉速n和螺距H在全量程范圍內分別進行100 等分，得到負荷的矩陣函數W[100][100]。計算當前電網的功率裕量Pallow。計算當前電網能夠承受的負荷突增值PAdd-Limit和負荷突減值PDec-Limit。采集當前控制面板給出的轉速和螺距命令，計算目標負荷WGoal。采集當前的轉速與螺距反饋，計算當前負荷WCurrent。如果目標負荷WGoal大于當前負荷WCurrent，則控制實際輸出負荷WOut=min{WGoal,WCurrent＋PAllow,WCurrent＋PAdd-Limit}；如果目標負荷WGoal不大于當前負荷WCurrent，則控制實際輸出負荷WOut=max{WGoal,WCurrent—PAdd-Limit}。在負荷矩陣中通過查表獲得距離實際輸出負荷WOut最近的矩陣點W[n_out][H_out]，并輸出實際的轉速控制命令n_out 與螺距控制命令H_out。

圖5 基于負荷的轉速與螺距控制流程圖

5 結論

本文闡述了變頻電力推進驅動調距槳船舶的作業特點，介紹了其常采用的控制模式，并完成了變頻電力推進驅動調距槳船舶的推進控制系統設計，設計方案中比較詳細地陳述了系統架構、控制模式設計和操作區設計。本文描述了推進控制系統的操作方法，對機槳特性進行了理論分析，并提出了一種基于負荷的轉速與螺距控制方法。采用本文的設計方案可有效解決采用變頻電力推進驅動調距槳的船舶在操作過程中經常出現的電網超負荷或者主機失速現象，對提高船舶的操作穩定性、保證船舶推進系統的安全具有重要意義。