關于船舶電力推進自動控制系統設計與研究的分析

張小偉

【關鍵詞】船舶 電力推進 自動控制系統 設計 研究

上世紀八十年代以來，隨著我國電子科學技術的不斷發展，各種調速變換器技術以及電子電力器件的研究不斷取得新的技術突破，使兆瓦級以上的交流電機調速變換器廣泛應用于我國大型的航海船舶系統中，從而為船舶電力推進自動化控制系統的設計與研發奠定了積極的技術基礎。船舶電力推進自動化控制系統具有運行效率高及運行經濟環保、推進功率大、機艙布置更加緊湊靈活、船舶操縱性及舒適性較好等眾多應用優點，因此近些年來在我國的航海事業中的得到了廣泛的應用。

1 船舶電力推進自動控制系統設計與研究的重要性

近年來，隨著我國微機控制技術與交流變頻技術和電力電子技術的不斷發展，交流電機的應用技術得到推廣。在此發展背景下，我國的船舶電力推進自動化控制系統在推進功率以及實際的運行效率和運行系統穩定性、可靠性等方面都發揮了重要作用。其應用范圍在不斷擴大的同時，我國船舶電力自動化控制系統也從傳統的軍用系統逐漸擴展到民用系統及河運和海運系統中，從而展示了其巨大的市場發展前景。

在我國大型的船舶控制自動化系統中經常采用永磁式同步電動機作為其推進器的推進電動機，但與中小功率電力推進系統相比，船舶電力自動化控制系統需要綜合考慮其性能的優越性以及性價比等相關影響因素。就我國目前的實踐應用情況看，采用較多的電力推進系統是專用型的變頻異步電動機。這類中小型的電力推進自動化控制系統一般主要由配電裝置系統以及柴油系統和含濾波器的變頻控制系統及異步電動機等不同運行裝置組成；其中還包括了其它相關的負載系統以及操作控制系統單元。本文重點研究設計的船舶電力推進自動化控制系統中還包括了模擬負載系統。

2 船舶電力推進自動控制系統推進設計要求

2.1 船舶電力推進自動控制系統推進功能要求

由于船舶電力推進自動化控制系統直接面向電力主推進變頻控制器裝置，因此在設計過程中主要實現的自動化控制功能如下所示：

2.1.1 船舶電力推進自動控制系統操作指示功能

啟、停控制系統：船舶電力推進自動化控制推進系統既可以在駕駛室進行遙控操作控制， 也可以在變頻器柜展開就地操作控制。

船舶電力推進工作模式選擇：船舶電力推進控制輸出信號的變頻器工作模式選擇主要包括功率模式、轉矩模式以及速度模式三種。為了確保船舶電力推進控制器在同一時刻只能輸出一種模式選擇信號，該系統中可以通過轉速連續調節推進控制器，就能夠根據車鐘的實際運行轉速指令，對螺旋槳轉速進行連續調節， 在這一控制過程中還包含了臨界轉速避讓功能。因此，船舶電力推進自動化控制系統的實際工作狀態指示、變頻器、電動機還有控制系統的工作狀態檢測及顯示都能夠實現自動化推進控制。除此之外，系統還可以對各種故障狀態進行實時顯示及報警等。

2.1.2 船舶電力推進系統的連鎖控制功能

船舶電力推進系統的聯鎖控制：船舶電力推進系統可以實現變頻器的啟、停控制，但是在此運行過程中必須與車鐘“手柄不在零位”的信號進行聯鎖控制， 因此船舶電力推進系統能對實際的運行錯誤操作流程發出聲光報警信號。

船舶電力推進系統的安全保護功能：船舶電力推進系統在駕控臺可以設置相應的緊急停車按鈕， 當系統運行時一旦出現危險，可立刻強制停機。

2.2 船舶電力推進自動控制系統推進性能設計要求

推進船舶自動化控制系統運行和工作的重要組件是螺旋槳，因此在設計時要確保螺旋槳的運行工作特性與船舶電動機的運行工作特性頻率一致，從而提升整個船舶電力推進自動化控制系統的運行性能。但通過設計研究發現，電動機的機械特性以及螺旋槳的運行特性存在很大差異，因此在設計過程中應該重點滿足螺旋槳反轉性特征以及系纜性特征和自由航行特征等三大設計要求，從而結合螺旋槳的不同設計性能參數要求進行空載設計。

3 船舶電力推進自動控制系統設計與研究過程

結合上述兩種系統設計性能要求和系統推進功能要求，本文設計研究中采用一種www.abb.com的ACS-800矢量自動控制變頻器，通過對船舶中的異步電動機定子中的電流矢量進行科學控制和測量，利用電磁原理分別對船舶電力推進自動化控制系統中的轉矩電流以及異步電動機的勵磁電流進行有效控制，最終達到對電動機轉矩進行自動化控制的設計目的。因此，從其設計以及應用原理分析，這種自動化控制系統能夠對船舶電力推進異步自動化控制系統進行參數監測以及動適應、識別等，該設計系統在對自動異步電動機系統運行參數進行辨識之前能夠對系統中的有效矢量以及系統運行組件進行算法控制及轉矩切換控制、運行功率控制等。

從總體的設計思路中可以看出，船舶電力自動控制系統中的變頻器是通過系統中相關的模擬量輸入板塊進行有效控制，而該系統結構中的設計經過實踐表明，模擬量板塊中的標準信號輸入是通過PLC自動化控制系統來實現的，首先系統中的模擬量通過網絡輸入到系統的端子中，經過自動化控制系統的數據信息采集以及控制實時傳輸通信，使PLC中的信號經過系統傳輸發送至上位機中，由此通過上位機的信號傳輸，經過PLC電力推進自動控制系統實現變頻器信號的傳輸和控制，從而使我國船舶電力推進自動控制系統高效安全運行。

4 結束語

綜上所述，隨著我國經濟水平的不斷發展以及航海技術的進一步提升，人們對于船舶的舒適性以及操縱性和推進功率等相關的要求在不斷提高，特別是對于一些特大型的郵輪以及工作船舶等，傳統的柴油動力系統已經難以滿足當前船舶運輸事業的發展，因此需要通過對船舶電力推進自動控制系統進行研究，從而促進我國航海事業的不斷發展。

參考文獻

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