马昭胜

(集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021)

船舶电力推进技术应用已经得到迅速的发展，此技术的研究越来越受到国内外的高度重视，具有广阔的应用前景［1］。

随着电力推进技术的飞速发展，其应用范围也越来越大［2］。目前越来越多的小型旅游船舶、江河内的工程船舶都采用了电力推进系统，然而，我国对电力推进技术的研究尚处于初步阶段，在这方面与发达国家存在很大的差距，所以电力推进的先进核心技术一般由外国引进［3］。国内已经有很多公司对此表示高度重视，而且也取得了一些成果［4］。西湖指挥工作船，船体长度为19.8 m，宽为4.8 m，满载排水量为32.7 t，推进主机采用15 kW的三相异步电机。珠海江龙船舶制造有限公司开始在内河旅游船舶上采用变频调速技术驱动船舶运行，相关参数为:船长16 m，宽1.35 m，最大航速12 km/h，电机2台，功率11 kW，此系统已经试车成功。以上的例子表明电力推进技术越来越广泛的应用在小型船舶上［5］。

本文探讨电力推进船舶的推进子系统和负载模拟子系统的构建技术，并且对谐波抑制技术也作一定的介绍。

1 推进电机子系统构建技术

推进电机子系统实现原理如图1，2#驾控台是基于中控EPA系统组建的电力推进系统［6］。

下面对具体流程加以说明:来自变频柜的信号有电机电流，电机功率因素，电机转速，电机频率，变频器输入电压，还有变频器各种运行指标(启停、变频允许，变频故障等)，电机温度等。这些信号是用来判断系统是否正常工作的信号，一部分传给控制柜的PLC进行处理判断，一部分经EPA各组件转换为总线数据，另外一些信号是作为远程控制驾控台的指示灯信号，分别传送到各驾控台指示灯面板。

图1 推进电机子系统实现原理图

1#号驾控台得到变频柜各种运行指示标志后，判断系统运行状态，若系统运行正常无报警指示则开始启动系统。通过控制面板启动按扭进行系统启动，调节速度输入主车钟对系统转速进行调节(在系统按给定速度运行指示灯亮时进行)。

通过驾控台转换开关将控制权交由2#号驾控台来操作。首先来自变频柜的用于判断系统正常运行的指示灯信号送至2#号驾控台，2#号驾控台判断系统可以正常工作后发出启动信号，经EPA系统总线送至PLC进入系统运行初始化。调节速度输入手柄给电机以不同转速，模拟速度信号经EPA总线送到PLC，由PLC进行控制给变频器以一定的控制信号，PLC产生的控制信号再次传到EPA总线上来，由EPA总线将PLC输出的控制信号送到指定现场输出设备 (变频器各控制输入端)，以此来改变输入电机的频率调节电机转速。电机转速由PLC根据PID调节程序进行实时调整。

作为上位机的嵌入式系统通过监控软件(PIMS PLC系统参数监控及记录)从EPA系统总线上得到电力推进系统运行的实时数据。

2 负载模拟子系统构建技术

驱动电机和负载电机的转接在本系统中要求很高，需要很高的对中工艺。在安装时要专门的工作人员来保证安装的精度。二者对中精度的高低将很大程度影响扭矩的测量和设备的正常运行。

先期，我们在地面上用水泥填充了一个底座，上面用钢板放平，制作时严格保证底座牢固，钢板水平。后期，为2个电机的转接，专门设计一个钢制底架，底架的制作同样要保证精度，然后把驱动电机和负载电机安装在底架上。驱动电机和负载电机之间通过一个与驱动电机连接的轴套、一个万向轴，扭矩传感器侧轴套、负载电机侧轴套。其中在扭矩传感器侧的轴套处安装一个支座，在扭矩传感器处安装一个支座。通过专用设备来测量保证负载电机和驱动电机的主轴以及扭矩传感器的精确对中。全部组装完毕，最后将整个底座焊在水泥底座的钢板上，防止电机运行时发生移动。

考虑到本负载模拟各种转矩的精度要求，本系统在设计时引用一个扭矩传感器，实时检测负载电机的扭矩输出和变频器的扭矩输出，进而构成闭环的PID控制。其闭环控制示意图如图2所示。

图2 转矩闭环控制示意图

负载控制柜从驱动变频柜引出紧急停车信号和停车信号来作为判断驱动系统工作信号的依据。当驱动变频柜给出完车信号时，负载变频器检测到该信号，自动停止工作。

进行实验前要先进行螺旋桨和2台电机的基本参数设置。螺旋桨的参数包括:船舶排水量 (t)、阻力系统 (N/(m/s2))、水体密度 (kg/m3)、伴流系数、推力减额分数、螺旋桨直径 (m)、螺旋桨转速 (r/min)、风浪阻力幅值 (N/m)、风浪阻力周期 (s)、齿轮箱变比 (1/x)、螺旋桨数 (4)、加速时间。电机参数包括:额定转矩、额定转速、最高转速、加载转速、报警温度、停机温度。

上述参数设置完毕后，还需对转矩控制模型参数进行设置。设置恒定功率实验参数，得到负载的实验结果，如图3所示。从实验结果可以看到，负载上位机启动后经过大约200 ms的时间负载电机把转矩加到设定值，负载转矩与设定转矩一致性很好，达到实验要求。在负载电机达到设定转矩时，持续增加驱动电机的转速，发现电机的输入电流基本保持不变，而驱动电机的输入电压则随着驱动电机的转速的增加而增加。在驱动电机达到最大转速时，负载电机的转矩有所波动，之后当转速下降时，负载电机转矩又回到设定值。转矩发生波动是因为在负载上位机我们提前设定，转速不能超过1 000 r/min，而当驱动电机的转速超过1 000 r/min时出现输出转矩与设定不符的情况，而当驱动电机的转速再次降到1 000 r/min时，负载电机再次达到设定转矩值。可见本系统具有较高的实验精度。

图3 恒功率实验曲线图

3 谐波抑制技术

船舶电力推进技术的兴起，很大程度上归功于功率半导体器件的飞速发展，采用功率半导体器件的变频装置就是为了变流［7］。变流过程中，输入和输出侧电压和电流都会出现波形畸变，产生大量的谐波，导致原本的正弦波电压和电流发生畸变，降低了船舶电网的电能质量，影响了船舶电力推进系统的安全运行，增加了功率损耗，给系统设备带来不同程度的危害，严重时，还会损坏设备［8］。因此，谐波抑制的研究，对船舶电力推进系统的应用和发展有着非常重大的意义。

谐波抑制的非常重要的技术就是使用并联型有源电力滤波器，其系统框图如图4，其工作原理为:指令电流运算电路在检测到负载电流后，通过运算把负载电流信号中的谐波电流、无功电流及负序电流和零序电流检测出来，然后把电流信号转换成相应的变流器触发信号，再通过电流跟踪控制电路形成触发脉冲去驱动变流器，使变流器产生的电流为上述电流之和，极性相反，再回注入电网，则电网中的谐波电流、无功电流、负序电流和零序电流被抵消为零，只剩下基波有功正序电流。

图4 并联型APF系统框图

4 结束语

将船舶电力推进系统分为2个子系统分别实现，即推进电机控制系统和负载模拟系统［9］。2个子系统的上位机均由一台专用工业控制机、显示器、打印机组成，负责监控、管理和记录，下位机均采用可编程逻辑控制器和变频器进行信号采集和控制，上位机和下位机的通讯采用PROFIBUS－DP现场总线，从而保证数据通讯的实时性［10］。

为了有效模拟推进电机所驱动的负载特性，通过采用线性项、二次方项、三次方项和积分项等来模拟所需施加的负载转矩，采用一个高精度扭矩传感器，实时检测负载电机的扭矩输出和变频器的扭矩输出，构成闭环的PID扭矩控制系统，实现期望负载转矩的施加。谐波抑制技术的有源电力滤波器在船舶上的应用能极大改善船舶电网的电能质量，从而保证船舶电力推进系统的安全稳定运行。

［1］刘钰山，葛宝明，毕大强.基于多相整流的船舶电力推进系统谐波抑制 ［J］.北京交通大学学报 ，2011，35(2):99－103.

［2］沈爱弟，褚建新，康伟.内河船舶电力推进系统设计［J］.上海海事大学学报，2009，30(2):20－24.

［3］郑为民，俞万能.小型船舶电力推进系统谐波分布研究［J］.集美大学学报 (自然科学版)，2010，14(3):48－52.

［4］焦勇.船舶电力推进系统特性仿真实验研究［J］.船电技术，2011(3):15－17.

［5］刘雨，郭晨.船舶综合全电力推进系统的动态仿真［J］.中国航海，2010，33(3):24－29.

［6］刘胜，张玉廷，李冰.船舶电力推进系统传导电磁干扰预测分析 ［J］.哈尔滨工程大学学报，2012，31(2):37－42.

［7］季明丽.交流变频调速技术在船舶电力推进系统中的应用 ［J］.制造业自动化，2009，32(9):122－125.

［8］林治国，高孝洪，陈辉，等.舰船电力推进仿真系统中PLC设计［J］.武汉理工大学学报 (交通科学与工程版)，2010，8(4):772－775.

［9］张兰勇，刘胜，李冰.船舶电力推进系统电磁环境虚拟暗室测试技术研究 ［J］.自动化技术与应用，2012，31(3):55－60，81.

［10］黄鹏，蔡鸿武，柯常国，等.某游船电力推进系统方案设计 ［J］.船电技术，2009，9(29):1－5.