變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳船舶的 推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王剛毅，印 曦，莊加興

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

0 引言

目前船舶常采用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳，或者原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)和定矩槳的推進(jìn)方式，這2種方式雖然能夠滿足絕大多數(shù)船舶的加速性能需求，但對(duì)于具有多種運(yùn)行和作業(yè)工況的特種船舶來(lái)說(shuō)，情況有所不同。以物探船為例，具有巡航和多種拖纜作業(yè)工況，既需求具有較寬的調(diào)速范圍和快速的調(diào)速特性，又需求在任一轉(zhuǎn)速下能獲得較好的推力響應(yīng)特性。但原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳方式的調(diào)速范圍和調(diào)速響應(yīng)不能很好地滿足要求。原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)和定矩槳方式的速度和推力成對(duì)應(yīng)關(guān)系，固定轉(zhuǎn)速下的推力響應(yīng)不能很好地滿足要求。因此采用變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的推進(jìn)方式對(duì)于提高此類船舶的作業(yè)性能具有重要的意義。

1 常見(jiàn)控制模式

如果船舶采用變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的推進(jìn)方式，因其在不同作業(yè)工況下對(duì)轉(zhuǎn)速和螺距的控制要求不同，船舶的推進(jìn)控制系統(tǒng)一般設(shè)置有多種控制模式[1]，常見(jiàn)模式如下。

1.1 單控模式

推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和螺旋槳的螺距通過(guò)各自設(shè)立的操作裝置進(jìn)行獨(dú)立控制，在這種模式下，控制系統(tǒng)不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速和螺距進(jìn)行關(guān)聯(lián)，控制邏輯比較簡(jiǎn)單。此時(shí)需要操船人員能夠綜合了解主機(jī)、螺旋槳性能以及機(jī)槳匹配特性，結(jié)合作業(yè)工況的需求，對(duì)轉(zhuǎn)速和螺距分別進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)主機(jī)過(guò)載、超速和螺旋槳空泡等危害船舶運(yùn)行或者設(shè)備安全的現(xiàn)象。

1.2 聯(lián)控模式

聯(lián)合控制是指推進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的聯(lián)合曲線控制推進(jìn)轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳螺距，在這種模式下，操作人員通過(guò)單一的控制桿同時(shí)控制轉(zhuǎn)速和螺距，保證轉(zhuǎn)速和螺距運(yùn)行在聯(lián)控曲線上。聯(lián)控曲線是綜合考慮船舶最常用運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)速、推力、功率需求及燃油經(jīng)濟(jì)性等因素而確定的，同時(shí)考慮主機(jī)負(fù)荷特性保證各工況下主機(jī)不會(huì)超負(fù)荷和失速。聯(lián)控模式只有在設(shè)計(jì)工況下才能實(shí)現(xiàn)最佳匹配性能，如果運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況偏離較大，就難以保證較好的匹配關(guān)系，甚至控制狀態(tài)劣于單控模式[2]。

1.3 恒功率模式

恒功率模式，又稱恒定負(fù)荷模式，是一種特殊的聯(lián)合控制模式，其特點(diǎn)是在普通聯(lián)控模式的基礎(chǔ)上，以負(fù)荷控制為目標(biāo)，不斷將實(shí)際負(fù)荷與設(shè)定負(fù)荷相比較，并根據(jù)負(fù)荷偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)螺距，直至實(shí)際負(fù)荷與設(shè)定負(fù)荷相同，在這種控制模式下，主機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率和良好的操縱性能。

1.4 恒轉(zhuǎn)速模式

恒轉(zhuǎn)速模式，又稱軸帶發(fā)電機(jī)模式，在這種模式下，推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速保持恒定，控制系統(tǒng)僅通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋槳的螺距來(lái)改變推力，由于此模式下主機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通常驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)等輔機(jī)。

1.5 非隨動(dòng)模式

非隨動(dòng)模式是一種應(yīng)急模式，這是一種獨(dú)立于遙控系統(tǒng)的應(yīng)急操作模式，這種模式下信號(hào)皆通過(guò)硬線傳輸。當(dāng)遙控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員可以切換至非隨動(dòng)模式，分別對(duì)推進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺旋槳轉(zhuǎn)矩進(jìn)行非隨動(dòng)控制，它是上述4種模式的備用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

本文對(duì)某型變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的船舶進(jìn)行了推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。本文的推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)有駕駛室控制面板和集控室控制面板[3]，兩者分別通過(guò)硬線與駕駛室控制單元和集控室控制單元交換信號(hào)，控制權(quán)限可以在5 個(gè)控制面板間切換，有且只有一個(gè)控制面板處于控制位置。VFD中央處理單元、CPP中央處理單元、駕駛室控制單元和集控室控制單元位于一條通訊總線上，各控制面板可以通過(guò)CPP 中央處理單元將控制命令傳遞至調(diào)距槳，從而實(shí)現(xiàn)螺距的調(diào)節(jié)；可以通過(guò)VFD 中央處理單元將控制命令傳遞至推進(jìn)變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制。

圖1 推進(jìn)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 模式設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所針對(duì)的對(duì)象船舶主要有巡航工況和拖纜作業(yè)2 種工況。在巡航工況下，船舶的目標(biāo)推進(jìn)轉(zhuǎn)速與螺距關(guān)系相對(duì)固定，因此可在設(shè)計(jì)階段根據(jù)船舶特性計(jì)算出一條轉(zhuǎn)速與螺距的聯(lián)控曲線，并在試驗(yàn)階段進(jìn)行曲線的修正。本設(shè)計(jì)的推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)有聯(lián)控模式，在此模式下，操作人員通過(guò)單一手柄控制船舶狀態(tài)按聯(lián)控曲線運(yùn)行，本設(shè)計(jì)的聯(lián)控曲線如圖2 所示。在拖纜作業(yè)工況下，因纜繩的根數(shù)、長(zhǎng)度、船速等參數(shù)不確定，不同狀態(tài)下操船人員對(duì)轉(zhuǎn)速和螺距的要求不同，因此本設(shè)計(jì)的推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)有單控模式，在此模式下，操作人員可根據(jù)作業(yè)工況的需要，操作轉(zhuǎn)速手柄和螺距按鈕分別控制船舶的推進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺距。另外本設(shè)計(jì)的推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)有非隨動(dòng)模式，它是單控模式和聯(lián)控模式的備用模式，當(dāng)遙控系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，操作人員可以切換至非隨動(dòng)模式，分別對(duì)推進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺旋槳轉(zhuǎn)矩進(jìn)行非隨動(dòng)控制。

圖2 轉(zhuǎn)速-螺距聯(lián)控曲線圖

2.3 操作區(qū)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的操作區(qū)設(shè)有推進(jìn)手柄、常規(guī)控制面板和非隨動(dòng)控制面板。常規(guī)控制面板和推進(jìn)手柄如圖3 所示，用于在單控模式和聯(lián)控模式下，通過(guò)推進(jìn)手柄和常規(guī)控制面板的配合操作實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的全面控制。非隨動(dòng)控制面板如圖4 所示，用于當(dāng)常規(guī)控制面板或推進(jìn)手柄作用失效時(shí)，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急非隨動(dòng)控制。

圖3 常規(guī)控制面板和推進(jìn)手柄示意圖

圖4 非隨動(dòng)控制面板示意圖

3 系統(tǒng)操作

3.1 常規(guī)操作

常規(guī)控制面板上設(shè)有指示燈顯示系統(tǒng)故障、故障停車(chē)、報(bào)警、功率限制、推進(jìn)運(yùn)行、控制位置、轉(zhuǎn)速控制有效、螺距控制有效等狀態(tài)；設(shè)有按鈕用于進(jìn)行應(yīng)急停車(chē)、推進(jìn)啟動(dòng)、推進(jìn)停止、單控模式、聯(lián)控模式、加速、減速、越控、復(fù)位、位置切換等操作命令。在拖纜工況下，操作人員雙擊SEPARATE按鈕進(jìn)入單控模式，此時(shí)通過(guò)常規(guī)控制面板上的RPM INC和RPM DEC按鈕進(jìn)行推進(jìn)器的加速和減速控制，通過(guò)推進(jìn)手柄進(jìn)行螺距控制。在巡航工況下，操作人員雙擊COMBINATOR按鈕進(jìn)入聯(lián)控模式，此時(shí)RPM INC和RPM DEC按鈕進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)，操作人員通過(guò)推進(jìn)手柄完成轉(zhuǎn)速和螺距的聯(lián)合控制。

3.2 非隨動(dòng)操作

非隨動(dòng)控制面板上設(shè)有指示燈顯示轉(zhuǎn)速控制有效、螺距控制有效、舵機(jī)控制有效、軸系設(shè)備就緒、調(diào)距槳就緒和推進(jìn)器就緒等狀態(tài)。非隨動(dòng)控制面板上的按鈕主要分為3個(gè)功能區(qū)：轉(zhuǎn)速控制、螺距控制和舵角控制。雙擊NFU SELECT按鈕進(jìn)入轉(zhuǎn)速NFU模式后，可分別通過(guò)RPM INC和RPM DEC按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)速加減速控制；雙擊NFU PROP按鈕進(jìn)入螺距NFU模式后，可分別通過(guò)AHEAD和ASTERN按鈕進(jìn)行螺距加減控制；雙擊NFU STEERING按鈕進(jìn)入舵角NFU模式后，可分別通過(guò)PORT和STBD按鈕進(jìn)行左右舵控制。

4 負(fù)荷保護(hù)策略

對(duì)于變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的船舶而言，因其采用變頻控制推進(jìn)電機(jī)的方式，所以推進(jìn)器的加減速過(guò)程較傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)迅速很多，如果在加減速過(guò)程中，同時(shí)伴隨螺距的增大和減小操作，推進(jìn)功率將會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生非常大的變化，極易導(dǎo)致電網(wǎng)超負(fù)荷或者主機(jī)失速。本設(shè)計(jì)針對(duì)變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的船舶的這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種負(fù)荷保護(hù)策略，在保證船舶加減速過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)超負(fù)荷和主機(jī)失速的情況下，實(shí)現(xiàn)船舶的快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和功率。

4.1 理論分析

推進(jìn)電機(jī)在各轉(zhuǎn)速下能夠輸出的最大功率曲線稱為推進(jìn)外特性曲線，其關(guān)系式為

式中：k1、k2、k3為推進(jìn)電機(jī)的外特性曲線參數(shù)，對(duì)于特定主機(jī)而言為固定參數(shù)；n為推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/s。

船舶螺旋槳受到的阻力矩為M，其關(guān)系式為

式中：ρ為水的密度，kg/m3；DP為螺旋槳的直徑，m，兩者皆為固定參數(shù)；KM為阻力矩系數(shù)。

螺旋槳上受到負(fù)荷為

從式（2）～式（5）可以看出，W是關(guān)于轉(zhuǎn)速n和螺距H的函數(shù)，所以通過(guò)合理的控制轉(zhuǎn)速n和螺距H，保證W的變化斜率在電網(wǎng)的承受范圍內(nèi)，并且不超過(guò)W外，就可實(shí)現(xiàn)基于電網(wǎng)負(fù)荷的保護(hù)[4]。

4.2 算法實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述分析，本文設(shè)計(jì)了基于負(fù)荷的轉(zhuǎn)速與螺距控制方法[5]，如圖5 所示。將轉(zhuǎn)速n和螺距H在全量程范圍內(nèi)分別進(jìn)行100 等分，得到負(fù)荷的矩陣函數(shù)W[100][100]。計(jì)算當(dāng)前電網(wǎng)的功率裕量Pallow。計(jì)算當(dāng)前電網(wǎng)能夠承受的負(fù)荷突增值PAdd-Limit和負(fù)荷突減值PDec-Limit。采集當(dāng)前控制面板給出的轉(zhuǎn)速和螺距命令，計(jì)算目標(biāo)負(fù)荷WGoal。采集當(dāng)前的轉(zhuǎn)速與螺距反饋，計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷WCurrent。如果目標(biāo)負(fù)荷WGoal大于當(dāng)前負(fù)荷WCurrent，則控制實(shí)際輸出負(fù)荷WOut=min{WGoal,WCurrent＋PAllow,WCurrent＋PAdd-Limit}；如果目標(biāo)負(fù)荷WGoal不大于當(dāng)前負(fù)荷WCurrent，則控制實(shí)際輸出負(fù)荷WOut=max{WGoal,WCurrent—PAdd-Limit}。在負(fù)荷矩陣中通過(guò)查表獲得距離實(shí)際輸出負(fù)荷WOut最近的矩陣點(diǎn)W[n_out][H_out]，并輸出實(shí)際的轉(zhuǎn)速控制命令n_out 與螺距控制命令H_out。

圖5 基于負(fù)荷的轉(zhuǎn)速與螺距控制流程圖

5 結(jié)論

本文闡述了變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳船舶的作業(yè)特點(diǎn)，介紹了其常采用的控制模式，并完成了變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳船舶的推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案中比較詳細(xì)地陳述了系統(tǒng)架構(gòu)、控制模式設(shè)計(jì)和操作區(qū)設(shè)計(jì)。本文描述了推進(jìn)控制系統(tǒng)的操作方法，對(duì)機(jī)槳特性進(jìn)行了理論分析，并提出了一種基于負(fù)荷的轉(zhuǎn)速與螺距控制方法。采用本文的設(shè)計(jì)方案可有效解決采用變頻電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的船舶在操作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的電網(wǎng)超負(fù)荷或者主機(jī)失速現(xiàn)象，對(duì)提高船舶的操作穩(wěn)定性、保證船舶推進(jìn)系統(tǒng)的安全具有重要意義。