螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計

王 力

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螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計

王 力

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為滿足電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗驗證要求，并達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)。本系統(tǒng)由變頻控制柜、負(fù)載交流電機(jī)及彈性聯(lián)軸器和負(fù)載模擬監(jiān)控系統(tǒng)組成，能實時、準(zhǔn)確的模擬螺旋槳的負(fù)載特性，為電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗提供優(yōu)質(zhì)負(fù)載，并對螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)運行的整個過程提供監(jiān)測、控制、系統(tǒng)設(shè)置和必要的保護(hù)。

電力推進(jìn)系統(tǒng) 螺旋槳 負(fù)載模擬

0 引言

電力推進(jìn)以其諸多的優(yōu)越性己成為船舶推進(jìn)方式的發(fā)展方向。為確保電力推進(jìn)系統(tǒng)能滿足船舶使用要求，在電力推進(jìn)系統(tǒng)裝船前一般要進(jìn)行試驗驗證，以消除系統(tǒng)存在的問題。電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證時，推進(jìn)電動機(jī)需要連接螺旋槳模型負(fù)載，且螺旋槳模型負(fù)載越精確，對電力推進(jìn)系統(tǒng)的驗證越充分。目前，多采用水力測功機(jī)作為負(fù)載，但水力測功機(jī)調(diào)節(jié)速度慢，無法模擬真實的螺旋槳負(fù)載變化，不能充分測試電力推進(jìn)系統(tǒng)，且其能量不能回饋電網(wǎng)，造成資源浪費。因此，需要一種能準(zhǔn)確、快速模擬螺旋槳負(fù)載特性的模擬系統(tǒng)，且該系統(tǒng)應(yīng)能將能量回饋電網(wǎng)，本文即提出這樣一種螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)。

1 螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)組成

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)，由變頻控制柜、負(fù)載交流電機(jī)及彈性聯(lián)軸器和負(fù)載模擬監(jiān)控系統(tǒng)組成。

圖1 螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)組成

變頻控制柜包括AFE整流器、逆變器、控制及保護(hù)電路、控制面板等，AFE整流器能將能量回饋電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

負(fù)載模擬監(jiān)控系統(tǒng)包括傳感器和負(fù)載模擬監(jiān)控臺，傳感器負(fù)責(zé)采集負(fù)載交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并將信號發(fā)送至顯示儀表和PLC控制器，負(fù)載模擬監(jiān)控臺又包括模擬負(fù)載控制面板、顯示儀表、工控機(jī)、打印機(jī)、PLC控制器、半物理實時仿真器等。在負(fù)載模擬監(jiān)控臺上可進(jìn)行螺旋槳參數(shù)、海況參數(shù)、船舶參數(shù)的設(shè)置，可以模擬各種類型螺旋槳在不同海況和船舶上的負(fù)載特性。負(fù)載模擬監(jiān)控臺保留有與其他系統(tǒng)的通信接口，便于接入其他系統(tǒng)；螺旋槳負(fù)載模型系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)控制設(shè)備層、控制層、信息層三層標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)備層和控制層之間采用PRODIBUS-DP現(xiàn)場總線，控制層和信息層之間采用TCP/IP以太網(wǎng)。

2 變頻器控制柜

變頻控制柜的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。變頻控制柜包括AFE整流器、逆變器、控制及保護(hù)電路、控制面板、電源等。實驗室交流電源經(jīng)熔斷器、繼電器等保護(hù)電路進(jìn)入AFE整流器，整流為直流電后進(jìn)入逆變器，逆變器根據(jù)控制模式(轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制)和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

變頻控制柜的操作面板如圖3所示。變頻控制柜設(shè)計為柜式結(jié)構(gòu)，柜前操作面板包括顯示儀表、狀態(tài)顯示、控制、緊停保護(hù)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(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速表和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩表。狀態(tài)顯示包括控制電源指示燈、AFE啟動指示燈、AFE停機(jī)指示燈、AFE故障指示燈、逆變器啟動指示燈、逆變器停機(jī)指示燈和逆變器故障指示燈?？刂瓢刂齐娫纯刂?、操作地址選擇、控制模式選擇、AFE控制、逆變器控制、故障復(fù)位按鈕、轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)矩給定。緊停保護(hù)用于系統(tǒng)需要緊急停止時的保護(hù)。

圖3 變頻控制柜的操作面板示意圖

3 負(fù)載模型監(jiān)控臺

負(fù)載模型監(jiān)控臺基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，PLC控制器為核心控制器，負(fù)載與變頻控制柜和工控機(jī)、半物理實時仿真器的通信和控制。半物理實時仿真器內(nèi)部裝載船槳模型，輸入為螺旋槳參數(shù)、海況參數(shù)、船舶參數(shù)、船舶初始速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速，輸出為螺旋槳轉(zhuǎn)矩，此信號發(fā)送給變頻控制柜用于負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。工控機(jī)上裝載上位軟件，用于系統(tǒng)的參數(shù)顯示、故障診斷和試驗分析等，連接有打印機(jī)，可將試驗數(shù)據(jù)打印。負(fù)載模型監(jiān)控臺裝有UPS電源，可在監(jiān)控臺失電的情況下，為監(jiān)控臺提供備用電源，使試驗數(shù)據(jù)得以保存。

負(fù)載模擬監(jiān)控臺為臺式結(jié)構(gòu)，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(jī)轉(zhuǎn)速表、電機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)位按鈕、緊停按鈕、轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)矩給定，右邊為控制模式選擇、AFE控制、逆變器控制、調(diào)光旋鈕、燈測試按鈕、AFE啟動指示燈、AFE停機(jī)指示燈、AFE故障指示燈、逆變器啟動指示燈、逆變器停機(jī)指示燈、逆變器故障指示燈和備用按鈕。負(fù)載模擬監(jiān)控臺控制面板的布置和器件類型應(yīng)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(jié)論

本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：能實時、準(zhǔn)確的模擬螺旋槳的負(fù)載特性，為電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗提供優(yōu)質(zhì)負(fù)載；負(fù)載模擬監(jiān)控臺操作方便、功能完善，能對螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)運行的整個過程提供監(jiān)測、控制、系統(tǒng)設(shè)置和必要的保護(hù)；系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且留有與其他系統(tǒng)的通信接口，便于接入其他系統(tǒng)；負(fù)載交流電機(jī)做發(fā)電機(jī)運行時，系統(tǒng)能將能量回饋電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的；通過參數(shù)設(shè)置，可以模擬各種類型螺旋槳在不同海況、不同船舶上的負(fù)載特性，具有一定的通用性。

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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