變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統試驗平臺的設計

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(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

船舶軸帶電機利用燃燒重油的船舶主機來進行發電，比一般燃燒輕柴油的發電機組提高了燃油經濟性。另外，通過能量的流動方向的控制能夠使軸帶電機運行在電力推進模式，從而提升船舶推進總功率，有利于降低船舶主機初始功率設計要求[1-3]。在船舶主機出現故障的情況下，船舶軸帶電機也能夠起到應急助推作用，在一定程度上提高了船舶的安全性。為了研究軸帶系統變速恒頻控制的的性能和雙饋型船舶軸帶電機的運行特性，考慮設計并搭建由電站、推進系統、軸帶系統和監控系統4個分系統組成的試驗驗證平臺，開展軸帶電機不同工作模式的功能和性能驗證試驗。

1 試驗平臺構成

變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統試驗平臺總體方案框圖見圖1。

1.1 電站

電站作為船舶電力系統的核心，為了充分體現船舶電力系統的功能，本試驗平臺的電站由市電主開關柜、4臺10 kW模擬柴油發電機組、1套配電板和負載柜等組成。市電主開關柜用于向變壓器和模擬柴油發電機組電機供電。

模擬柴油發電機組采用電機模擬柴油機驅動發電機向配電板供電；配電板包括4個10 kW發電機控制屏，1個并車屏，1個軸帶屏和2個負載屏；負載柜由2個30 kW阻性負載與30 kVar感性負載組成，模擬船用負載。該電站具備自動、半自動和手動功能，操作人員能夠根據機組運行情況選擇不同的控制功能。在自動功能情況下，電站能量管理系統能夠依據船舶的負載情況進行發電機組的并車、解列、負載轉移和功率分配控制等控制，并能夠根據船舶運行工況，控制軸帶電機的運行狀態。

1.2 推進系統

推進系統主要包括1臺移相變壓器、1套變頻器柜、1臺驅動電機、1臺模擬負載電機、制動電阻及液壓離合器等設備。

變頻器、驅動電機、模擬負載電機采用690 V的電壓等級，電源由移相變壓器提供，由市電主開關柜進行控制。移相變壓器容量為300 kVA，主要用于升壓和移相，將電壓從380 V升到690 V，為12脈沖推進系統用變頻器柜供電。變頻器柜含有1個整流單元、2個逆變單元，通過公共直流母線連接，2個逆變單元分別控制驅動電機和模擬負載電機。驅動電機由監控系統控制運行在不同轉速，模擬船舶主機動力特性。螺旋槳負載特性由模擬負載電機模擬，通過螺旋槳靜態仿真模型來控制負載電機的轉矩，達到模擬船舶螺旋槳負載效果。負載電機工作在發電機模式，驅動電機或軸帶電機帶動模擬負載電機發電，發出的電能通過逆變單元反饋回直流母排，被驅動電機重新利用，發出的電能沒有被驅動電機消耗的部分，由制動電阻消耗。

1.3 軸帶系統

軸帶系統由軸帶電機、變速恒頻裝置和離合器組成。軸帶電機采用雙饋感應電機，額定功率37 kW，額定電壓400 V，同步轉速為1 500 r/min。軸帶電機可運行在發電與電動兩種狀態下，在發電機運行模式下，經過變速恒頻裝置控制，輸出恒頻恒壓交流電，與電站中模擬柴油發電機組并網發電；在電動機運行模式下，由電站供電，經變速恒頻裝置的驅動，單獨驅動或共同驅動模擬負載電機。

變速恒頻裝置主電路采用雙PWM交直交變流器結構，網側與機側變流器經中間直流母線相連，直流電容作為儲能元件[4]。變流器采用IGBT全控器件，具有電功率雙向流動能力，能滿足軸帶電機在不同運行模式下變速恒頻運行以及功率靈活、快速調節的要求[5]。軸帶發電系統變速恒頻裝置控制系統原理框圖見圖2。

離合器采用濕式液壓多片離合器，模擬實船離合器的接合、脫開過程。液壓離合器連接驅動電機與軸帶電機，由監控臺控制接脫排。

1.4 監控系統

監控系統主要由主控站、PLC、顯示器、控制面板、仿真計算機、數據分析計算機等設備組成。該系統通過Profibus-DP接口與驅動電機變頻器和模擬負載變頻器通訊，用于實時監測變頻器、電機運行工況，控制電機的起動、加減速和停車等動作，滿足船舶操作規范。驅動電機的控制采用轉速控制方式，根據控制手柄指令輸出轉速控制值。模擬負載電機的控制采用轉矩控制方式，轉矩設定值由仿真計算機內運行的定距槳靜態仿真模型根據軸轉速反饋信號計算得出。

同時該系統通過RS485與變速恒頻裝置、電站通信，實時監控變速恒頻裝置和軸帶電機運行狀況，監測電站運行狀況；通過以太網將監測數據和控制指令發送到數據記錄分析計算機；可以監測整個試驗平臺的運行狀態，具有報警、數據記錄、數據存儲和外發等功能。

2 軸帶系統工作模式試驗

船舶正常運行時，主要由船舶主機推進而柴油發電機組提供電力。軸帶電機系統根據船舶運行狀態并入配電電網，并通過軸帶電機發電與電動模式為船舶靈活提供電力或機械動力，以提高船舶燃油經濟性能。雙饋式軸帶系統在變速恒頻裝置的控制下能夠在變速運行條件對軸帶電機有功無功功率的極性與大小進行獨立調節[6-7]。由于采用了矢量控制策略，因此軸帶電機功率調節迅速(調節時間小于100 ms)、穩定，使得軸帶雙饋電機近似工作在理想功率源狀態。利用軸帶電機優良的功率調節特性，軸帶系統能在軸帶發電模式(PTO)、軸帶并車推進模式(PTI)和軸帶電機單獨推進模式(PTH)3種模式之間靈活、平滑切換。為驗證軸帶系統通過變速恒頻裝置控制在不同模式運行以及模式間平滑切換的性能，在該試驗平臺上開展了大量試驗工作。本文重點闡述PTO/PTI兩種模式的試驗情況。

2.1 軸帶發電模式(PTO)

軸帶發電模式時，模擬船舶主機作為唯一的動力源，通過液壓離合器驅動軸帶電機和模擬負載運轉。軸帶雙饋電機在變速恒頻裝置控制下無沖擊地并入船舶電網，并向電網輸出有功和無功功率，以滿足船用負荷用電需求。同時，變速恒頻裝置能夠保證在船舶主機轉速在一定范圍內變化時的功率的穩定輸出。軸帶系統并網發電運行下對應不同轉速下的實驗結果見圖3、4。

如圖3所示，轉速1 332 r/min時，定子電流35.2 A/50 Hz，轉子電流12.6 A/5.9 Hz。從實驗波形圖中可知定子c相電流超前ab線電壓90°。雙饋電機作單位功率因數運行，向電網輸出無功功率為零，有功功率21.5 kW。

如圖4所示，轉速1 725 r/min時，定子電流35.6 A/50 Hz，轉子電流12.5 A/7.5 Hz，雙饋電機向電網輸出有功功率28.4 kW，無功功率為零。

比較不同轉速時并網運行模式下的實驗結果可知：盡管定轉子電流幅值基本相同，隨著雙饋電機轉差極性反轉(S=0.12變化到-0.15)超同步運行時，雙饋電機向電網輸出的有功功率大于次同步轉速時輸出的功率，這正好與主機功率隨轉速增加而增大相匹配。

2.2 并車推進模式(PTI)

并車推進模式時，軸帶電機由電站供電同船舶主機共同驅動螺旋槳運行，以滿足船舶在特定工況下對更大的功率輸出要求[8]。根據軸帶雙饋電機控制策略，在同步軸系下改變d軸電流極性，就可讓電機工作在電動狀態和船舶主機一起并車推進船舶運行。該平臺實驗驗證了軸帶系統并車推進模式性能，轉速1 725 r/min時不同負載條件的實驗結果見圖5、6。

如圖5所示，輕載運行時電機定子電流20.1 A/50 Hz，轉子電流8.0 A/7.5 Hz。從實驗波形中可以看出，定子c向電流滯后ab線電壓90°。與并網發電模式相比，定子電流相位反轉180°，說明電機功率狀態由發電變化為電動。輕載運行時雙饋電機功率因數為1，輸出機械有功功率約16 kW。

在同步坐標系下增加轉子d軸電流，可增大軸帶雙饋電機輸出的機械功率。如圖6所示，重載運行時電機定子電流35.0 A/50 Hz，轉子電流13.0 A/7.5 Hz。從實驗波形中可以看出，定子c向電流滯后ab線電壓90°。與并網發電模式相比，定子電流相位反轉180°，這說明電機功率因數為1，輸出機械有功功率約為27.9 kW。

3 結論

設計了一套由電站、推進系統、軸帶系統和監控系統4個分系統組成的變速恒頻雙饋型船舶軸帶電機試驗平臺，在平臺上實現了雙饋型軸帶電機發電時的輸出電功率或電動時的輸出軸功率。試驗結果表明，變速恒頻雙饋型船舶軸帶系統在不同轉速和不同運行模式下，具有良好的動態和穩態性能；有功無功功率的方向與大小的獨立調節，能有效避免船舶主機轉速波動時軸帶電機并網對電站電能質量的影響，適用于船舶主機的不同轉速范圍要求。

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