船舶电力推进系统控制方法

船舶电力推进系统控制方法

大连海事大学轮机工程学院

聂延生黄鹏程李伟光

汪涌泉

【内容提要】此文对当前在船舶推进方面发展迅速

电动机，通过调节发电机励磁电流，就能改变发电机的输出电压，从而调节推进电机的转速；改变发电机励磁电流方向，则改变发电机输出电压极性，实现推进电机的正反转。这样船速控制就是通过改变发电机励磁电

同步电机Ｍａｒｉｎｅ

Ｅｌｅｃｔｒｉｃ

的电力推进系统的控制方法作了简要的概括和原理分析。希望能有更多的同行关注船舶电力推进未来发展

及其对我国海运业发展的影响。

关键词：船舶电力推进变频

ＴｈｅＣｏｎｔｒｏｌ

ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｂｒｉｅｆａｎａｌｙｓｉｓａｂｏｕｔｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆ

流实现；而船舶的前进、后退则是通过改变发电机励磁电流的方向完成。

５０年代末出现了可控硅变流装置，迅速取代了Ｆ—Ｄ系统，可控硅整流装置直接给推进电机供电，称为可控硅直流电力推进系统（简称为ＫＺ—Ｄ推进系统）系统结构如图１所示。基本工作原理是：控制电压信号Ｕｋ的大小，来改变触发电路输出脉冲的相位，从而改变整流电压Ｕｄ大小，实现推进电机的平滑调速。目前，这种电力推进方式在很多工程船、测量船等特殊船舶上仍有较多的应用。此类系统的主要问题就是采用了直流电机。直流电机的结构复杂、成本高、体积大、故障多、维护困难、效率低等致命缺点，阻碍了它在电力推进船舶上的广泛应用。

Ｍｅｔｈｏｄｓ

ｏｆｔｈｅ

ｍａｒｉｎｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｇｉｖｅｎｉｎｔｈｉｓ

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ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｈｏｐｅｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｅｏｐｌｅ

ｃａｎ

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Ｗｏｒｄｓ：ＭａｒｉｎｅＥｌｅｃｔｒｉｃＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｆｒｅ—

Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒｓ

１概述

自２０世纪８０年代以来，随着电力半导体技术，交流调速理论，微机控制技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟。使得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率、推进功率等方面都有了突破性的进展。其应用范围不断扩大，不仅在传统的领域，如破冰船、挖泥船、勘探测量船等占有越来越大的份额；在游轮、班轮、穿梭油轮、滚装船、近海客货船方面也显示出广泛的应用前景。可以说，电力推进是一种最能经得起时间考验的船舶推进系统。世界上各大船用设备生产厂家都意识到了这一点，纷纷开始在这方面开展研究开发工作。在十几年的时间里，船舶电力推进系统的变速控制方法有了很大的发展。了解和掌握这些控制方法，首先对控制系统的选型是必须的，其次对系统的维护管理也是必要的。这些变速控制方法主要包括：可控硅整流一电动机方式；交一交直接变频方式；交一直一交间接变频方式。２可控硅整流一电动机方式

可控硅整流一电动机方式（简称为ＫＺ—Ｄ方式）是一种采用直流电动机的船舶推进方式。在２０世纪７０年代生产的电力推进船舶大部分都是采用此种方式工作的。实际上，２０世纪７０年代以前的船舶电力推进一直是直流电机占有主导地位。４０～５０年代采用的可控变流装置是旋转变流机组，即发电机一电动机系统（简称为Ｆ—Ｄ系统）。它由原动机（或交流电机）带动直流电机发电，产生的直流电压直接控制船舶推进用直流

图１ＫＺ—Ｄ推进系统系统结构图

３交一交一直接变频方式

所谓的交一交直接变频就是用一个变换环节，把恒压恒频的交流电源变换成变压变频的电源供给交流推进电机。常用的交一交直接变频装置输出的每一相都是一个丽组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。如图２所示。这里：ＣＹＣ为交一交变频装置；ＳＣ为转速控制单元；ＳＭ为和螺旋桨轴直接相连的同步电动机；ＣＣ为电流控制单元；ＰＳ为转子位置检测单元；ＧＰＣ为变频装置的触发脉冲发生器；ＰＧ为同步电机转速检测单元。

同步电机每一相所对应的晶闸管整流装置正、反向两组按一定周期相互切换，同步电机就获得了三组交变电压Ｕ，Ｖ，ｗ。这三相电压幅值，决定于各组整流装置的控制角；频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角不变，同步电机的三相电压则是三相方

＜航海技术）２００２年第６期

在船舶电力推进系统中，交一直一交变频器的应用呈上升趋势。由于船舶电力推进要求功率较大（１～２５ＭＷ），通常采用元件串并联或单元串并联技术以提高变频器的输出功率。

目前采用的控制方式主要有：脉冲宽度调制（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式，简称为ＰＷＭ方式；多电平控制方式。限于篇幅，本文只讨论ＰＷＭ方式。

单纯讲ＰＷＭ控制方式，又有许多种，并且在不断发展中。从控制思想上，大致可分成四类：即等脉宽ＰＷＭ方式；正弦波ＰＷＭ方式（简称为ＳＰＷＭ方

图２交一交直接变频装置原理图

式）；磁链追踪型ＰＷＭ方式和电流跟踪型ＰＷＭ方

式。目前ＳＰＷＭ方式技术上已经相当成熟，实用中效果也较为明显。

ＳＰＷＭ方式的波形就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效原则是每一区问的面积相等。实现ＳＰＷＭ控制方式的主电路原理图如图４所示。

＿＿＿●－－＿＿

波电压。方波电压含有丰富的高次谐波成分，对电机极为不利，因此，就必须在每一相整流导通期间不断改变其控制角。例如在正向组导通的半个周期中，使控制角由７ｃ／２逐渐减小到０，然后再逐渐增加到７ｒ／２，也就是使控制角在７ｃ／２～０～一７ｃ／２之间变化，则相应的输出电压就由零变到最大值再变到零，呈正弦规律变化。同步电机一相对应的电压波形如图３所示。这种可逆整流装置在电源过零时自然换相，技术上已很成熟。同时从图３上也可以看到，电压反相反向时最快也只能沿着

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电网电压的正弦波形变化，其最高输出频率不超过电网频率的１／３～１／２。由此可见，接到同步电动机的三相交流电的频率一般在２０Ｈｚ左右。船舶螺旋桨正常转速通常在１００～３００ｒ／ｍｉｎ，由于同步电机输出轴和螺旋桨轴直接相连，这样也就要求同步电机的正常转速在１００～３００ｒ／ｍｉｎ之间。在输入电压频率为２０Ｈｚ的条件下，适当选择同步电动机的极对数，完全可以匹配螺旋桨的的转速要求。这也是目前的电力推进系统，更多采用交一交变频器一同步电动机方式的一个原因。

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图４

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ＳＰＷＭ控制方式的主电路原理图

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ＳＷＭ控制方式电压波形

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图３同步电机一相对应的电压波形

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所示为ＳＰＷＭ控制方式的电压波形，它是由

ｒ

器中一个桥臂上的功率开关器件反复导通和关断的。其等效正弦波为Ｕｍｓｉｎ叫Ｉｔ，ＳＰＷＭ脉冲序列幅值为Ｕｓ／２，各脉冲不等宽，但中心间距为常数／２，ｎ为正弦波半个周期内的脉冲数。因此，在微机系统中，ＳＰＷＭ脉冲波形的宽度可以严格地计算。束语

电力推进在技术上的飞速发展，主要得益于率交流变频调速技术日新月异的进步。目前，大功流调速技术尚未发展成熟，世界上各大电力设备如ＡＢＢ、ＡＬＳＴＯＭ、ＳＩＥＭＥＮＳ等都投入大量的物力进行这方面的研发工作。作为其成果的一个应用，船舶电力推进的未来将是一片光明。在海军

∞ｔ

４交一宣一交间接变频方式

交一直一交变频方式的工作原理是先将电网输入的交流电变为直流电，然后再在变流电路中将直流转变为频率可调的交流输出功率。交一直一交变频器具有结构简单、输出频率变化范围大、功率因数高、谐波易于消除、可使用各种新型大功率器件等优点。在交一直一交变频器中，按中间储能环节所用电容或电感的不同，又分为电压型和电流型变频器。

电力推进系统控制方法——聂延生黄鹏程李伟光汪涌泉

基于Ｉ一７０００模块的数据监测系统开发研究

武汉海军工程大学电气工程系

［内容提要】此文介绍了一种舰船机舱环境数据监测系统的层次结构和软件设计，采用Ｉ一７０００系列模块完成了整个系统的现场数据采集及网络传输功能，

应用Ｖｉｓｕａｌ

徐袭吴汉松鄢圣茂

方式，使用计算机集中完成对机舱中各种状态量的监测和控制。利用先进的数据采集处理与通讯模块，可以简单、方便地实现对舰船机舱状态参数的采集与控制，避免恶劣环境对人员的损伤，准确可靠地将采集数据传输到中央控制室，使监测变得简单安全。本文采用Ｉ一７０００系列模块与计算机作为系统的主要硬件，用

ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０完成系统软件设计与开发，简单快速

Ｂａｓｉｃｓ设计了软件系统，实现了以太网同

ＲＳ一４８５控制网络融合通信的功能，使得整个系统简单并具有良好的开放性。

关键词：监测系统ＷｉｎＳｏｃｋ控件

网络通信

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｆＤａｔｅ

Ｉ一７０００模块Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃ

构建了整个系统。

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Ｍｏｄｕｌｅｓ

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Ｉ一７０００模块

Ｉ一７０００系列模块是由威达公司开发的系列工控

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｋｉｎｇｏｆｌｅｖｅｌ

ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ

ｄｓｅｉｇｎ

ｆｏｒｄａｔａｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓ－模块，该类模块属于具有通讯功能的数据采集远端控制模块。它依靠ＲＳ一４８５通信协议，从现场采集数据，并且可以远距离传输到中央控制室，工作人员在办公室就可监控现场的工作状态，随时处理相关的事件，能在恶劣的环境中可靠地工作（如高温、潮湿和振动等环境）。其中Ｉ一７１８８模块不仅能用可编程的方式控制其它Ｉ一７０００系列模块，还能连接和管理其它智能设备，具有强大的通信功能和事件处理能力。与传统的嵌入式设备相比，该模块具有较大的存储空间，能连接显示设备，界面友好，操作容易，方便现场的工作人员。Ｉ一７０００系列模块的简介列表如表１所示：

由表ｌ可知，采用Ｉ一７０００系列工控模块构建硬件系统具有如下优点：①品种多、组合方便、选择余地大、节省硬件的数量级投资；②模块化的设计，节省安装费用以及系统的维护费用；③模块与监测现场较近，可提高系统的精确度；④分散式设计，危险分散、可靠性高。尤其对于Ｉ一７１８８ＥＸ模块具有远程的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ控制通讯功能、体积小、功能强大，在实际应用环境中可以取代现场的计算机，大大降低了整个系统的硬件

ｔｅｍｏｆ

ｗａｒｓｈｉｐｅｎｇｉｎｅｒｏｏｍｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ

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ｃｏｍｐｌｅｔｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｆｉｅｌｄｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄ

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ｗｏｒｄｓ：ＭｏｎｉｔｏｒＳｙｓｔｅｍ；Ｉ一７０００Ｍｏｄｕｌｅｓ；

Ｂａｓｉｃ；ＷｉｎＳｏｃｋＣｏｎｔｒｏｌ；ＮｅｔｗｏｒｋＣｏｍｍｕｎｉ—

引言

随着计算机的日益普及，计算机强大的数据采集处理已经被广泛应用。在舰船机舱环境监测中，需要监测机舱内的各种运行状态量和参数：机舱的温度、湿度以及电机、开关电源的工作状态。对于如舰船机舱这样恶劣的工作环境，要减少环境对于人员的不利影响，应尽量减少人员在该环境下工作时间或采用无人值守的

》，），净）７３７ｂ》７ｂ），ｏ，０》＞≯＞≯＞≯＞＝≯殄）７０，’，），０７，，），》，》７》７》７》，ｏ，），３７》７０９ｊ７）７），谤●，ｏ，０７０，，，》，３，》７０７０７，，ｉ狰

舰船上，电力推进是一个必然的发展方向；在商船上，船舶电力推进所占份额也越来越大。轮渡、豪华游轮及一些机动性要求较高的船舶（如常在海湾里航行的船舶、进出港频繁的船舶等）都将首选电力推进，这一点，在欧洲和北美洲已被越来越多的人们所接受。

从长远的观点看，船舶电力推进有助于打破大型柴油机在船舶推进方面的垄断（目前的船用柴油主机主要由ＭＡＮＢ＆Ｗ公司和ＷＡＴＳＩＬＡ公司所生产）对提高船舶生产的国产化水平有利。就目前的情况看，我们面临着轮管人员的知识结构难以胜任电力推进船舶的管理工作问题。因此，适时的培养出能够胜任电力

（航海技术＞２００２年第６期

推进船舶的轮管人员已经是我们必须面对的事情了。这个问题的解决，对船舶电力推进系统的未来发展和广泛应用也是十分重要的。

现在一个突出的问题是船舶电力推进及其发展尚未引起我国海运界相关人员的足够重视。这里我们希望能有更多的同行关注船舶电力推进对现状和未来发展。我们认为现在开展对以下问题的讨论是十分必要的：船舶电力推进对我国海运业发展的影响；船舶电力推进对我国造船业、修船业的影响；在管理电力推进船舶时，轮管人员需要怎样的专业知识结构。

船舶电力推进系统控制方法

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

聂延生， 黄鹏程， 李伟光， 汪涌泉大连海事大学轮机工程学院航海技术

MARINE TECHNOLOGY2002，(6)12次

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操控盘台搭建了试验平台；利用Step7对PLC进行了编程，实现操作盘台的操控，速度的调节和变频器的设置，模拟实际船舶运行；用WinCC编制了监控界面，实时的检测系统的各状态，通过趋势图反映各运行状态的特性；结合WinCC和Step7设置了不同的实验，模拟螺旋桨的特性。解决了大型数值计算的PC与PLC之间和WinCC监控软件的数据通讯，用VC开发应用程序实现上传硬件盘台经PLC采集的数据到服务器，下达经模型程序运行的数据经WinCC后通过PLC到硬件设备。最后通过具体的测试试验模拟了实船在各种工况下运行，根据试验数据分析了系统的实时动态特性、稳定性、安全性。

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引证文献(12条)

1. 李楠 现代船舶电力推进系统的发展[期刊论文]-中国水运（下半月） 2009(1)2. 韩秋平. 曾凡其 船舶电力推进系统的应用[期刊论文]-交通科技 2008(04)

3. 李新星. 赵国文 交流变频调速技术在船舶电力推进系统中的应用[期刊论文]-广东造船 2007(02)

4. 林文立. 刘志刚. 沈茂盛. 赖东林 基于VB6.0编程的模拟船舶电力推进控制系统[期刊论文]-电气传动 2007(02)5. 高海波. 高孝洪. 陈辉 船舶电力推进几种典型方式的比较[期刊论文]-航海技术 2006(06)

6. 林文立. 刘志刚. 沈茂盛. 赖东林 新型船舶综合全电力推进模拟实验系统研究[期刊论文]-北京交通大学学报（自然科学版） 2006(05)

7. 张晓飞 吊舱推进器中同步电机直接转矩控制的研究[学位论文]硕士 20068. 沈仪 双吊舱电力推进回转系统PLC控制研究[学位论文]硕士 2006

9. 聂延生. 韩学胜. 曾鸿. 刘镇宇 对转螺旋桨的结构原理及特点分析[期刊论文]-船电技术 2005(02)10. 黄鹏程 吊舱式电力推进系统原理和管理控制的研究[学位论文]硕士 200511. 田玉超 舰船电力推进系统建模与仿真[学位论文]硕士 2005

12. 聂延生. 黄鹏程. 罗超 SIMAR DRIVE系列电力推进系统工作原理及结构特点[期刊论文]-航海技术 2004(06)

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下载时间：2010年4月8日