劉曉君
(海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部,天津 300450)
“藍疆”船電力推進器的電控系統(tǒng)主要包含電力驅(qū)動部分和舵機控制部分。電力驅(qū)動系統(tǒng)為交流電機控制系統(tǒng),采用PWM變頻技術,實現(xiàn)高壓大功率及高速驅(qū)動,適宜在惡劣條件下工作,并能獲得和直流電機控制系統(tǒng)相媲美的控制性能,電力驅(qū)動部分由ANSALDO變頻驅(qū)動系統(tǒng)組成。舵機控制由LIPS提供,用于實現(xiàn)舵機角度和轉(zhuǎn)速等控制。
“藍疆”船推進器驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速方式采用交-直-交變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。變頻器主要由整流器、逆變器及其附屬器件和相應的控制系統(tǒng)組成。
圖1 變頻調(diào)速原理圖
整流電路采用電容濾波三相不可控整流,當某一對二極管導通時,輸出電壓等于交流側(cè)電壓中最大的一個,該線電壓既向電容充電,也向負載供電;當沒有二極管導通時,由電容向負載放電,直流側(cè)電壓按指數(shù)規(guī)律下降。為降低諧波對船舶電網(wǎng)的影響,變壓器的副邊接成Δ和Y,減少諧波的影響。在直流側(cè),電壓紋波因數(shù)隨著脈波數(shù)的增加而降低。
預充電回路是SVTL 4K5 1200A系統(tǒng)的重要組成部分,包括:單相電源、隔離器、預充電接觸器、220V/1350V變壓器、單相整流橋等。
預充電回路在系統(tǒng)主電源啟動之前,首先建立一個高電壓、小電流對系統(tǒng)電容進行充電,當電容電壓達到系統(tǒng)額定的80%時,主電源啟動。當預充電開始,母排電壓逐漸增大,此時發(fā)送給控制板一個DRIVE ENABLE信號;系統(tǒng)也對母排電壓進行測量,當電壓達到設定值時,宣告預充電可以結(jié)束,系統(tǒng)主開關閉合,預充電接觸器斷開。
驅(qū)動配電柜采用的是SVTL 1200V系列產(chǎn)品。SILCOVERT SVTL4K5 12A是由IGBT構(gòu)成的電壓源逆變系統(tǒng)。
1.3.1 逆變器構(gòu)成
電源部分由3個三相逆變系統(tǒng)并聯(lián)組成,包括:9個單相逆變模塊,電流互感器,直流電壓互感器和三相輸出電感。逆變模塊的水冷單元,由冷卻液通過熱交換器進行熱量交換。
經(jīng)過逆變器后輸出電壓是脈沖形狀的,而對驅(qū)動電機來說則希望輸入電壓是正弦形狀,因此在逆變器輸出與電機輸入之間必須加一個濾波器。對V/Hz控制方式來說,LC濾波比較適用,而對FOC控制方式LC濾波則不能達到所期望的效果。本系統(tǒng)的控制方式是V/Hz和FOC相結(jié)合,因此選用純電感濾波。
1.3.2 逆變器控制部分
圖2 驅(qū)動控制單線圖
控制電路主要包括電源、控制電路板、接口電路板(電流、電壓、IGBT觸發(fā)脈沖和監(jiān)視信號)??刂撇糠值碾娐放c電源部分完全隔離,用具有霍爾效應的電流、電壓傳感器采集的信號作為反饋信號,用光纖來傳送觸發(fā)和監(jiān)控IGBT的信號。采用的SVTL 4K5 12A控制部分主要包括以下部分:
GA1,GA2:INTVECTA3B、INTVECF04A、接 口 卡、TA、TV的電源。
ALIM:CONVEC1D卡電源。
CONVEC1D:CPU卡。
INTVECTA3B:場信號接口和觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換器用于由3個逆變器并聯(lián)組成的驅(qū)動器。TA和TV的負載電阻位于INTVECZAV卡,提供最大輸出電流和最大直流電壓的硬件脫扣。
INVECF04A:觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換器用于由3個逆變器并聯(lián)組成的驅(qū)動器,實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的光電轉(zhuǎn)換和IGBT的觸發(fā)監(jiān)控信號的接收。
此外,控制系統(tǒng)還包括數(shù)字I/O 擴展卡和制動控制板。
(1)脈沖觸發(fā)板(TGUNTHA Firing Card)
觸發(fā)信號由控制板(CONVEC1D)發(fā)出,經(jīng)過INTVECFO4A板電/光轉(zhuǎn)換,變成光觸發(fā)信號,通過光纖傳送到TGUNTHA Firing Card,TGUNTHA Firing Card把光觸發(fā)信號還原為電觸發(fā)信號,并把該信號送到IGBT的門極上;該觸發(fā)板控制系統(tǒng)還對模塊工作狀態(tài)的監(jiān)視,觸發(fā)板把所得到的信息通過另一條光纖回饋給INTVECF04A板,最終把信號傳遞給控制板。
(2)主控制板(CONVEC1D CPU)
主控制板(CONVEC1D CPU)是控制部分的核心,發(fā)出各種指令,且通過各種外圍接口電路接受開關、傳感器和互感器的信號??刂瓢鍍?nèi)的微處理器可實現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù),專門處理以運算為主且不允許延遲的實時信號以及各種矢量計算,板卡上的7段發(fā)光二極管可以顯示驅(qū)動器狀態(tài)、事故保護的中斷等。
(3)負載電阻電路板(INTVECTA3B/INTVECZAVD)
逆變器配有霍爾效應的電流、電壓互感器,并有相應的負載電阻,可以監(jiān)控逆變器的輸出電流和電壓。INTVECTA3B把通過電壓、電流互感器信號轉(zhuǎn)換成對應的信號,再把信號加載在INTVECZAVD上的負載電阻,通過電壓表測量負載電阻的電壓值,乘以對應的倍數(shù),便可以得到對應的電壓、電流值。
表1 電壓、電流值對應表
因此,我們可以得到:
(4)觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)換板(INTVECFO4A)
把控制板(CONVEC1D CPU)發(fā)出的電觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成光觸發(fā)信號,并通過光纖送給脈沖觸發(fā)板(TGUNTHA Firing Card)。
接收脈沖觸發(fā)板(TGUNTHA Firing Card)對模塊光監(jiān)視信號,并把光監(jiān)視信號轉(zhuǎn)換成電信號,最后把信號送給控制板(CONVEC1D CPU)。
(5)數(shù)字I/O擴展卡(DIGITAL I/O EXPANSION CARD)
數(shù)字I/O擴展卡有8個并排的綠色報警指示燈,指示燈可顯示內(nèi)部和外部的影響到配電的8個狀態(tài)。若條件不滿足,則不允許供電,指示燈的序號對應KEYPAD內(nèi)部的報警代碼。
宏觀上看本系統(tǒng)采用的是能耗制動,而從直流母排到驅(qū)動電機來說則屬于回饋制動。在制動的過程中,電機產(chǎn)生的能量有一小部分消耗在電機和逆變器上,而剩余的則存在濾波電容上,如圖3所示。
圖3 電氣制動原理圖
隨著能量不斷增加,電容上的直流母排的電壓不斷升高。當母排電壓升高到設定的最大值時,充當開關作用的Chopper Module導通,此時能量通過電阻發(fā)熱釋放;隨著能量釋放,母排電壓降低,當降到系統(tǒng)設定的最低值時,Chopper Module便截止,系統(tǒng)不再釋放能量。圖4是電容的電壓及電流、電阻電流隨Chopper導通或截止相應變化的波形圖。
圖4 電容電壓、電流及電阻電流在不同狀態(tài)下的波形圖
“藍疆”船操舵控制裝置是采用LIPS控制系統(tǒng),控制舵機和推進器轉(zhuǎn)速。推進器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要由ANSALDO電力驅(qū)動部分完成,LIPS控制部分主要是給推進器轉(zhuǎn)速發(fā)出控制信號。
由于“藍疆”船定位于無動力船舶,推進器主要起輔助推進作用。舵機的控制主要是隨動控制和應急控制,即FU(FOLLOWING-UP)操作和NFU(NON-FOLLOWING-UP)操作。
FU控制原理:隨動操舵是螺旋槳轉(zhuǎn)動的角度能自動跟蹤手輪或手柄發(fā)出的操舵角度。系統(tǒng)主要有檢測和轉(zhuǎn)換裝置、比較裝置、放大裝置、執(zhí)行機構(gòu)及調(diào)節(jié)對象等五個部分。LIPS控制系統(tǒng)為電位器式隨動操舵裝置。手輪或手柄帶動的操縱電位器發(fā)送操舵信號,而舵軸帶動的反饋電位器檢測螺旋槳偏轉(zhuǎn)的反饋信號。比較裝置是平衡式裝置,輸出反映給定信號和反饋信號的偏差,其偏差信號就是放大裝置的控制信號,使執(zhí)行機構(gòu)動作,帶動螺旋槳偏轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動方向取決于偏差信號的極性。
NFU控制原理:NFU操作即單動操舵,操舵系統(tǒng)簡單可靠。在本系統(tǒng)中,操舵是通過駕駛上操舵搖桿向左、向右方向扳動,或通過當?shù)乜刂破辽蟽蓚€按鈕切換電路,實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)舵,同時觀察舵角指示器。
LIPS控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成,如圖5所示。
圖5 MMI/PROCESS
2.2.1 LIPSTRONIC/T CABINET
該控制系統(tǒng)是整個LIPS控制系統(tǒng)的核心部分,主要由處理器板、輸入輸出板、電源及外部控制繼電器等構(gòu)成。用于實現(xiàn)舵機的跟隨控制、當?shù)?遙控模式選擇、泵的啟停和相應的指示。
2.2.2 駕駛臺控制屏
對舵機和電機的轉(zhuǎn)速發(fā)出控制指令;通過非跟隨控制電路來控制舵機;泵的啟停及相應的指示。
2.2.3 AFT控制屏
對舵機和電機的轉(zhuǎn)速發(fā)出控制指令;通過非跟隨控制電路來控制舵機;泵的啟停及相應的指示。
2.2.4 報警系統(tǒng)(非LIPS提供)
若控制系統(tǒng)發(fā)生故障,可以在集中報警系統(tǒng)中體現(xiàn)。
2.2.5 舵機反饋盒
舵機反饋盒里有2個變阻器,它們都能真實的指出推進器的位置,其中一個是用來作為反饋信號而加入控制回路中,另一個則用來當指示信號。變阻器內(nèi)有2個三角形接觸電刷,且阻值約為2KΩ。
操作控制點的選擇通常是通過安裝在LIPSTRONIC/T 控制面板上的選擇開關來完成的。給控制系統(tǒng)供電,同時打開其內(nèi)部開關,此時控制系統(tǒng)可用。當供上電之后,要確保其它電路的開關也是處于閉合狀態(tài)。
2.3.1 REMOTE FOLLOW-UP操舵
在該模式下,規(guī)定0度處在正前方位置,順時針方向為正方向。當轉(zhuǎn)舵時,系統(tǒng)通過某種計算法則計算出當前位置到達設定位置的最短途徑,舵機便朝著這條途徑轉(zhuǎn)動。
2.3.2 REMOTE NON FOLLOW-UP操舵
在該模式下,舵機受控制面板的備用電路控制,而備用電路則不受微電腦控制。
2.3.3 當?shù)豊FU操舵
在當?shù)夭俣嬷荒芡ㄟ^安裝在“WHEELHOUSE PANEL”上的按鈕CW和CCW來調(diào)整推進器的位置。當?shù)豊FU操舵的電路同樣不受微電腦控制。