張小偉

【關(guān)鍵詞】船舶 電力推進(jìn) 自動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 研究

上世紀(jì)八十年代以來，隨著我國電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種調(diào)速變換器技術(shù)以及電子電力器件的研究不斷取得新的技術(shù)突破，使兆瓦級以上的交流電機(jī)調(diào)速變換器廣泛應(yīng)用于我國大型的航海船舶系統(tǒng)中，從而為船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)奠定了積極的技術(shù)基礎(chǔ)。船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)環(huán)保、推進(jìn)功率大、機(jī)艙布置更加緊湊靈活、船舶操縱性及舒適性較好等眾多應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，因此近些年來在我國的航海事業(yè)中的得到了廣泛的應(yīng)用。

1 船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究的重要性

近年來，隨著我國微機(jī)控制技術(shù)與交流變頻技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)得到推廣。在此發(fā)展背景下，我國的船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在推進(jìn)功率以及實(shí)際的運(yùn)行效率和運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等方面都發(fā)揮了重要作用。其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大的同時(shí)，我國船舶電力自動(dòng)化控制系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的軍用系統(tǒng)逐漸擴(kuò)展到民用系統(tǒng)及河運(yùn)和海運(yùn)系統(tǒng)中，從而展示了其巨大的市場發(fā)展前景。

在我國大型的船舶控制自動(dòng)化系統(tǒng)中經(jīng)常采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)作為其推進(jìn)器的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但與中小功率電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，船舶電力自動(dòng)化控制系統(tǒng)需要綜合考慮其性能的優(yōu)越性以及性價(jià)比等相關(guān)影響因素。就我國目前的實(shí)踐應(yīng)用情況看，采用較多的電力推進(jìn)系統(tǒng)是專用型的變頻異步電動(dòng)機(jī)。這類中小型的電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般主要由配電裝置系統(tǒng)以及柴油系統(tǒng)和含濾波器的變頻控制系統(tǒng)及異步電動(dòng)機(jī)等不同運(yùn)行裝置組成；其中還包括了其它相關(guān)的負(fù)載系統(tǒng)以及操作控制系統(tǒng)單元。本文重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)的船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中還包括了模擬負(fù)載系統(tǒng)。

2 船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)推進(jìn)設(shè)計(jì)要求

2.1 船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)推進(jìn)功能要求

由于船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)直接面向電力主推進(jìn)變頻控制器裝置，因此在設(shè)計(jì)過程中主要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化控制功能如下所示：

2.1.1 船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)操作指示功能

啟、?？刂葡到y(tǒng)：船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制推進(jìn)系統(tǒng)既可以在駕駛室進(jìn)行遙控操作控制， 也可以在變頻器柜展開就地操作控制。

船舶電力推進(jìn)工作模式選擇：船舶電力推進(jìn)控制輸出信號的變頻器工作模式選擇主要包括功率模式、轉(zhuǎn)矩模式以及速度模式三種。為了確保船舶電力推進(jìn)控制器在同一時(shí)刻只能輸出一種模式選擇信號，該系統(tǒng)中可以通過轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)節(jié)推進(jìn)控制器，就能夠根據(jù)車鐘的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速指令，對螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)， 在這一控制過程中還包含了臨界轉(zhuǎn)速避讓功能。因此，船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)指示、變頻器、電動(dòng)機(jī)還有控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)檢測及顯示都能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化推進(jìn)控制。除此之外，系統(tǒng)還可以對各種故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警等。

2.1.2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的連鎖控制功能

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變頻器的啟、?？刂?，但是在此運(yùn)行過程中必須與車鐘“手柄不在零位”的信號進(jìn)行聯(lián)鎖控制， 因此船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)能對實(shí)際的運(yùn)行錯(cuò)誤操作流程發(fā)出聲光報(bào)警信號。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的安全保護(hù)功能：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在駕控臺(tái)可以設(shè)置相應(yīng)的緊急停車按鈕， 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)，可立刻強(qiáng)制停機(jī)。

2.2 船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)推進(jìn)性能設(shè)計(jì)要求

推進(jìn)船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行和工作的重要組件是螺旋槳，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要確保螺旋槳的運(yùn)行工作特性與船舶電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工作特性頻率一致，從而提升整個(gè)船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能。但通過設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性以及螺旋槳的運(yùn)行特性存在很大差異，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該重點(diǎn)滿足螺旋槳反轉(zhuǎn)性特征以及系纜性特征和自由航行特征等三大設(shè)計(jì)要求，從而結(jié)合螺旋槳的不同設(shè)計(jì)性能參數(shù)要求進(jìn)行空載設(shè)計(jì)。

3 船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究過程

結(jié)合上述兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能要求和系統(tǒng)推進(jìn)功能要求，本文設(shè)計(jì)研究中采用一種www.abb.com的ACS-800矢量自動(dòng)控制變頻器，通過對船舶中的異步電動(dòng)機(jī)定子中的電流矢量進(jìn)行科學(xué)控制和測量，利用電磁原理分別對船舶電力推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩電流以及異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行有效控制，最終達(dá)到對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)目的。因此，從其設(shè)計(jì)以及應(yīng)用原理分析，這種自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)Υ半娏ν七M(jìn)異步自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測以及動(dòng)適應(yīng)、識別等，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)在對自動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行辨識之前能夠?qū)ο到y(tǒng)中的有效矢量以及系統(tǒng)運(yùn)行組件進(jìn)行算法控制及轉(zhuǎn)矩切換控制、運(yùn)行功率控制等。

從總體的設(shè)計(jì)思路中可以看出，船舶電力自動(dòng)控制系統(tǒng)中的變頻器是通過系統(tǒng)中相關(guān)的模擬量輸入板塊進(jìn)行有效控制，而該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)踐表明，模擬量板塊中的標(biāo)準(zhǔn)信號輸入是通過PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，首先系統(tǒng)中的模擬量通過網(wǎng)絡(luò)輸入到系統(tǒng)的端子中，經(jīng)過自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息采集以及控制實(shí)時(shí)傳輸通信，使PLC中的信號經(jīng)過系統(tǒng)傳輸發(fā)送至上位機(jī)中，由此通過上位機(jī)的信號傳輸，經(jīng)過PLC電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻器信號的傳輸和控制，從而使我國船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)高效安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展以及航海技術(shù)的進(jìn)一步提升，人們對于船舶的舒適性以及操縱性和推進(jìn)功率等相關(guān)的要求在不斷提高，特別是對于一些特大型的郵輪以及工作船舶等，傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前船舶運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，因此需要通過對船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而促進(jìn)我國航海事業(yè)的不斷發(fā)展。

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