季禹

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

基于變頻電機(jī)動力的船舶電站并車實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計

季禹

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

為了克服以單片機(jī)與微機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心的船舶電站模擬器操作結(jié)果逼真度不高等缺點(diǎn)，提高學(xué)生操作船舶電站并車、解列等的技能，文章提出了以變頻電機(jī)為動力的船舶電站并車實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計方案，使船舶電站模擬器并車效果更加真實(shí)，提高了實(shí)訓(xùn)效果。

船舶電站；并車；變頻器；光電編碼器

0 引言

隨著遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶各種先進(jìn)設(shè)備的裝配使用，在電力推進(jìn)也將逐步應(yīng)用到遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶的背景下，船舶電站在安全運(yùn)輸中所占位置越來越重要，能否安全可靠地供電將涉及到人命、財產(chǎn)安全的問題。操作維護(hù)好船舶電站是船舶電氣專業(yè)的學(xué)生在校期間必須掌握基本技能，為了訓(xùn)練學(xué)生操作船舶電站的技能，目前國內(nèi)高職院校普遍采用船舶電站模擬器進(jìn)行。當(dāng)前船舶電站模擬器多采用以單片機(jī)與微機(jī)為核心的模擬實(shí)訓(xùn)裝置，船舶電站模擬器雖然具有安全、可靠、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多不足之處，如操作缺乏真實(shí)感，與實(shí)船設(shè)備的操作效果存在一定差異。因此，探索設(shè)計一種半實(shí)物、半仿真的船舶電站，滿足學(xué)生對船舶電站操作技能訓(xùn)練要求，就顯得十分必要。

1 仿真船舶電站的設(shè)計方案

船舶電站是以柴油機(jī)為動力的，實(shí)驗(yàn)室里的電站如果仍用柴油機(jī)作動力，會帶來許多實(shí)際問題，如燃油系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、廢棄的油水排放、日常維護(hù)工作以及使用電站前的準(zhǔn)備工作等，都是比較煩瑣的問題。目前國內(nèi)各航海院校均采用基于單片機(jī)和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建船舶電站仿真系統(tǒng)，這種系統(tǒng)雖然能夠解決學(xué)生對船舶電站操作訓(xùn)練的問題，但完全的電子仿真還是缺乏逼真度，并車質(zhì)量好壞的實(shí)際效果不直觀，實(shí)訓(xùn)效果不佳。本文設(shè)計方案中的電站以變頻電動機(jī)為動力，從根本上解決了在實(shí)驗(yàn)室用柴油機(jī)為動力電站和完全電子仿真電站的諸多缺點(diǎn)，使實(shí)訓(xùn)室的船舶電站既能滿足操作技能訓(xùn)練，而又具有并車效果完全真實(shí)，環(huán)保、安全、維護(hù)方便簡捷的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 仿真船舶電站組成

仿真船舶電站由兩臺發(fā)電機(jī)組、控制屏、并車屏、負(fù)載屏組成。[1]其中，發(fā)電機(jī)的控制屏用來控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視和保護(hù)發(fā)電機(jī)組，每臺發(fā)電機(jī)還需要配備有單獨(dú)的控制屏。控制屏包含勵磁控制部分、發(fā)電機(jī)主開關(guān)及其指示操縱部分、發(fā)電機(jī)保護(hù)部分和測量部分。在控制屏上配置有：電流表及轉(zhuǎn)換開關(guān)、頻率表、功率表、原動機(jī)調(diào)速開關(guān)、框架式自動空氣斷路器、逆功率繼電器及必要的電磁操作按鈕和指示燈。

并車屏用于發(fā)電機(jī)的并車操作控制，在發(fā)電機(jī)并車時可以操縱任一臺發(fā)電機(jī)的調(diào)速、投入與切除，實(shí)現(xiàn)各發(fā)電機(jī)的手動、自動或半自動并車。在并車屏中安裝有：隔離開關(guān)、整步表及轉(zhuǎn)換開關(guān)、兩個頻率表、兩個電壓表、整步指示燈、粗同步并車的電抗器與接觸器、準(zhǔn)同步并車裝置等。

負(fù)載屏主要用于對各饋電回路進(jìn)行控制、監(jiān)視和保護(hù)，并通過裝在負(fù)載線路上的饋電開關(guān)將電能供給船上各用電設(shè)備或分電箱。負(fù)載屏有動力屏和照明屏兩種，主要由配電開關(guān)、熔斷器、、電流表、電壓表、絕緣監(jiān)視表等組成。[2]

電站的兩臺發(fā)電機(jī)采用同步發(fā)電機(jī)，選用可控相復(fù)自勵恒壓裝置?？紤]到發(fā)電機(jī)的功率太小，在手動并車操作過程中如果同步時機(jī)不好所產(chǎn)生的沖擊電流小，真實(shí)感不強(qiáng)的原因，這里選擇60kW以上的同步發(fā)電機(jī)。[3]

1.2 發(fā)電機(jī)組原動力裝置

在本仿真電站設(shè)計方案中，發(fā)電機(jī)組由變頻電動機(jī)來驅(qū)動，采用變頻控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)兩發(fā)電機(jī)組并車時同步，如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速原動力系統(tǒng)

控制器采用施耐德AItivar系列變頻器，變頻給定方式采用模擬輸入端子給定，通過通道AI1控制，給定信號采用高精度的繞線式電位器采集。發(fā)電機(jī)電子調(diào)壓裝置的調(diào)速信號驅(qū)動一個同步電機(jī)，由同步電機(jī)帶動繞線式電位器，改變變頻給定信號，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。兩臺變頻器由西門子S7-300系列PLC來控制。

2 仿真船舶電站控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗(yàn)

2.1 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

仿真船舶電站通常工作在兩種狀態(tài)：單機(jī)和并車，這就決定了電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)也有兩種工作狀態(tài)。

（1）單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。在單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，變頻控制系統(tǒng)以設(shè)定的轉(zhuǎn)速形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，由電位器通過變頻器的通道AI1設(shè)定0-10V的電壓信號，用相對式光電旋轉(zhuǎn)編碼器作為電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號傳感器采集電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，送入PLC高速計數(shù)器處理形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定地運(yùn)行在一個頻率上。

（2）并車運(yùn)行狀態(tài)。并車操作通常是在三種情況需要進(jìn)行：①當(dāng)單機(jī)負(fù)載達(dá)到其80%左右額定容量時，且負(fù)載仍有可能增加，這時需要考慮并車；②當(dāng)船舶處于進(jìn)出靠離碼頭或進(jìn)出狹窄水道等的機(jī)動航行狀態(tài)時為了確保航行安全也需要并車。③當(dāng)用備用機(jī)組替換下運(yùn)行機(jī)組時，為保證全船供電的連續(xù)性需要并車操作。

變頻器參數(shù)與功能設(shè)置如下：

2.2 PLC程序設(shè)計

PLC控制程序在并車操作前判別運(yùn)行機(jī)組和待并機(jī)組，一旦并車后，PLC確定運(yùn)行機(jī)組的電動機(jī)為主令電機(jī)，待并機(jī)組作為跟隨電機(jī)，這時兩臺電機(jī)均以主令電機(jī)變頻器的給定信號為基準(zhǔn)，主令機(jī)變頻器不再處理主令電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號，跟隨電機(jī)以光電編碼器反饋信號形成調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果單機(jī)機(jī)運(yùn)行，則PLC通過高速計數(shù)模塊讀取由光電旋轉(zhuǎn)編碼器所取得的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，與變頻器給定頻率值比較，最后調(diào)整變頻器的輸出頻率，形成一個閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。PLC控制程序流程圖如圖2所示。

圖2 PLC控制程序流程圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)船舶電站并車實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計方案，將變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行編程與調(diào)試后，進(jìn)行了自動并車試驗(yàn)，通過四通道示波器對電站并車時相關(guān)信號檢測，波形如圖3所示。CH1通道為電網(wǎng)電壓經(jīng)鑒零變換后的方波信號，CH2通道為待并機(jī)電壓經(jīng)鑒零變換后的方波信號，CH3通道為裝置發(fā)出的輸出合閘指令脈沖。在圖3中的箭頭位置為合閘信號發(fā)出后80ms時各電壓瞬時對應(yīng)關(guān)系，可以看出電網(wǎng)與待并機(jī)的電壓相位差幾乎為零，以變頻電機(jī)為動力的并車裝置很好地仿真了柴油機(jī)在并車期間的調(diào)速調(diào)整過程，自動并車效果良好。

圖3 合閘時的信號波形

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的一種基于變頻電機(jī)為動力的船舶電站并車實(shí)訓(xùn)裝置，通過自動并車實(shí)際檢測，證實(shí)了設(shè)計方案的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶并車仿真運(yùn)行，為建設(shè)船舶電站模擬器提供了參考依據(jù)。

[1]叢培亭.船舶電站[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]王文義.船舶電站[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006.

[3]肖朋生.變頻器及其控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Design of the Synchronizing Training Equipment for the Ship Power Station Powered by Inverter Motors

JI Yu
(Dept.of Marine Engineering,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong 226010,China)

To overcome such shortcomings as the poor fidelity of the simulator for the ship power station composed of MCU and computer network as well as to improve students’skills of synchronizing and disconnecting in maneuvering the ship power station,this article puts forward the schemes to design the synchronizing training equipment for the ship power station powered by inverted motors so as to improve the synchronizing effects of the simulator as well as the practice effects.

Ship power station;Synchronizing；VFD;Photoelectric encoder

U665.12

A

1671-9891（2014）03-0059-04

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.016

2014-06-20

季禹（1988—），男，江蘇南通人，南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系助教。