“藍疆”船推進器電控系統(tǒng)淺析

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)主要包含電力驅動部分和舵機控制部分。電力驅動系統(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，電力驅動部分由ANSALDO變頻驅動系統(tǒng)組成。舵機控制由LIPS提供，用于實現(xiàn)舵機角度和轉速等控制。

1 ANSALDO變頻驅動系統(tǒng)

“藍疆”船推進器驅動系統(tǒng)調速方式采用交－直－交變頻調速控制系統(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 變頻調速原理圖

1.1 整流單元

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，電壓紋波因數(shù)隨著脈波數(shù)的增加而降低。

1.2 預充電回路

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，宣告預充電可以結束，系統(tǒng)主開關閉合，預充電接觸器斷開。

1.3 逆變器

驅動配電柜采用的是SVTL 1200V系列產品。SILCOVERT SVTL4K5 12A是由IGBT構成的電壓源逆變系統(tǒng)。

1.3.1 逆變器構成

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。

經過逆變器后輸出電壓是脈沖形狀的，而對驅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相結合，因此選用純電感濾波。

1.3.2 逆變器控制部分

圖2 驅動控制單線圖

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）。控制部分的電路與電源部分完全隔離，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)脈沖轉換器用于由3個逆變器并聯(lián)組成的驅動器。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)脈沖轉換器用于由3個逆變器并聯(lián)組成的驅動器，實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的光電轉換和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，經過INTVECFO4A板電/光轉換，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。控制板內的微處理器可實現(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)脈沖信號轉換板（INTVECFO4A）

把控制板（CONVEC1D CPU）發(fā)出的電觸發(fā)信號轉換成光觸發(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內部的報警代碼。

1.4 電氣制動系統(tǒng)

宏觀上看本系統(tǒng)采用的是能耗制動，而從直流母排到驅動電機來說則屬于回饋制動。在制動的過程中，電機產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

2 LIPS控制系統(tǒng)

“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速。推進器轉速調節(jié)主要由ANSALDO電力驅動部分完成，LIPS控制部分主要是給推進器轉速發(fā)出控制信號。

2.1 LIPS控制系統(tǒng)基本原理

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)主要有檢測和轉換裝置、比較裝置、放大裝置、執(zhí)行機構及調節(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)行機構動作，帶動螺旋槳偏轉，轉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)左右轉舵，同時觀察舵角指示器。

2.2 LIPS控制系統(tǒng)組成

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。變阻器內有2個三角形接觸電刷，且阻值約為2KΩ。

2.3 控制系統(tǒng)的操作

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。