基于变频电机动力的船舶电站并车实训装置设计

季禹

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010）

基于变频电机动力的船舶电站并车实训装置设计

季禹

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010）

为了克服以单片机与微机网络为核心的船舶电站模拟器操作结果逼真度不高等缺点，提高学生操作船舶电站并车、解列等的技能，文章提出了以变频电机为动力的船舶电站并车实训装置设计方案，使船舶电站模拟器并车效果更加真实，提高了实训效果。

船舶电站；并车；变频器；光电编码器

0 引言

随着远洋运输船舶各种先进设备的装配使用，在电力推进也将逐步应用到远洋运输船舶的背景下，船舶电站在安全运输中所占位置越来越重要，能否安全可靠地供电将涉及到人命、财产安全的问题。操作维护好船舶电站是船舶电气专业的学生在校期间必须掌握基本技能，为了训练学生操作船舶电站的技能，目前国内高职院校普遍采用船舶电站模拟器进行。当前船舶电站模拟器多采用以单片机与微机为核心的模拟实训装置，船舶电站模拟器虽然具有安全、可靠、节约成本等优点，但仍存在许多不足之处，如操作缺乏真实感，与实船设备的操作效果存在一定差异。因此，探索设计一种半实物、半仿真的船舶电站，满足学生对船舶电站操作技能训练要求，就显得十分必要。

1 仿真船舶电站的设计方案

船舶电站是以柴油机为动力的，实验室里的电站如果仍用柴油机作动力，会带来许多实际问题，如燃油系统、水冷却系统、废弃的油水排放、日常维护工作以及使用电站前的准备工作等，都是比较烦琐的问题。目前国内各航海院校均采用基于单片机和微机网络系统构建船舶电站仿真系统，这种系统虽然能够解决学生对船舶电站操作训练的问题，但完全的电子仿真还是缺乏逼真度，并车质量好坏的实际效果不直观，实训效果不佳。本文设计方案中的电站以变频电动机为动力，从根本上解决了在实验室用柴油机为动力电站和完全电子仿真电站的诸多缺点，使实训室的船舶电站既能满足操作技能训练，而又具有并车效果完全真实，环保、安全、维护方便简捷的优点。

1.1 仿真船舶电站组成

仿真船舶电站由两台发电机组、控制屏、并车屏、负载屏组成。[1]其中，发电机的控制屏用来控制、调节、监视和保护发电机组，每台发电机还需要配备有单独的控制屏。控制屏包含励磁控制部分、发电机主开关及其指示操纵部分、发电机保护部分和测量部分。在控制屏上配置有：电流表及转换开关、频率表、功率表、原动机调速开关、框架式自动空气断路器、逆功率继电器及必要的电磁操作按钮和指示灯。

并车屏用于发电机的并车操作控制，在发电机并车时可以操纵任一台发电机的调速、投入与切除，实现各发电机的手动、自动或半自动并车。在并车屏中安装有：隔离开关、整步表及转换开关、两个频率表、两个电压表、整步指示灯、粗同步并车的电抗器与接触器、准同步并车装置等。

负载屏主要用于对各馈电回路进行控制、监视和保护，并通过装在负载线路上的馈电开关将电能供给船上各用电设备或分电箱。负载屏有动力屏和照明屏两种，主要由配电开关、熔断器、、电流表、电压表、绝缘监视表等组成。[2]

电站的两台发电机采用同步发电机，选用可控相复自励恒压装置。考虑到发电机的功率太小，在手动并车操作过程中如果同步时机不好所产生的冲击电流小，真实感不强的原因，这里选择60kW以上的同步发电机。[3]

1.2 发电机组原动力装置

在本仿真电站设计方案中，发电机组由变频电动机来驱动，采用变频控制的转速闭环系统实现对发电机转速调整，实现两发电机组并车时同步，如图1所示。

图1 变频调速原动力系统

控制器采用施耐德AItivar系列变频器，变频给定方式采用模拟输入端子给定，通过通道AI1控制，给定信号采用高精度的绕线式电位器采集。发电机电子调压装置的调速信号驱动一个同步电机，由同步电机带动绕线式电位器，改变变频给定信号，使电动机的转速得到调节。两台变频器由西门子S7-300系列PLC来控制。

2 仿真船舶电站控制系统设计及试验

2.1 变频控制系统设计

仿真船舶电站通常工作在两种状态：单机和并车，这就决定了电动机变频调速系统也有两种工作状态。

（1）单机运行状态。在单机运行状态下，变频控制系统以设定的转速形成一个闭环系统，由电位器通过变频器的通道AI1设定0-10V的电压信号，用相对式光电旋转编码器作为电动机转速信号传感器采集电动机转速信号，送入PLC高速计数器处理形成一个闭环控制系统，发电机稳定地运行在一个频率上。

（2）并车运行状态。并车操作通常是在三种情况需要进行：①当单机负载达到其80%左右额定容量时，且负载仍有可能增加，这时需要考虑并车；②当船舶处于进出靠离码头或进出狭窄水道等的机动航行状态时为了确保航行安全也需要并车。③当用备用机组替换下运行机组时，为保证全船供电的连续性需要并车操作。

变频器参数与功能设置如下：

2.2 PLC程序设计

PLC控制程序在并车操作前判别运行机组和待并机组，一旦并车后，PLC确定运行机组的电动机为主令电机，待并机组作为跟随电机，这时两台电机均以主令电机变频器的给定信号为基准，主令机变频器不再处理主令电机的转速反馈信号，跟随电机以光电编码器反馈信号形成调速闭环控制系统。如果单机机运行，则PLC通过高速计数模块读取由光电旋转编码器所取得的电机转速信号，与变频器给定频率值比较，最后调整变频器的输出频率，形成一个闭环调速系统。PLC控制程序流程图如图2所示。

图2 PLC控制程序流程图

2.3 试验结果

根据船舶电站并车实训装置设计方案，将变频调速系统进行编程与调试后，进行了自动并车试验，通过四通道示波器对电站并车时相关信号检测，波形如图3所示。CH1通道为电网电压经鉴零变换后的方波信号，CH2通道为待并机电压经鉴零变换后的方波信号，CH3通道为装置发出的输出合闸指令脉冲。在图3中的箭头位置为合闸信号发出后80ms时各电压瞬时对应关系，可以看出电网与待并机的电压相位差几乎为零，以变频电机为动力的并车装置很好地仿真了柴油机在并车期间的调速调整过程，自动并车效果良好。

图3 合闸时的信号波形

3 结束语

本文设计的一种基于变频电机为动力的船舶电站并车实训装置，通过自动并车实际检测，证实了设计方案的可行性，能够实现船舶并车仿真运行，为建设船舶电站模拟器提供了参考依据。

[1]丛培亭.船舶电站[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]王文义.船舶电站[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006.

[3]肖朋生.变频器及其控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

Design of the Synchronizing Training Equipment for the Ship Power Station Powered by Inverter Motors

JI Yu
(Dept.of Marine Engineering,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong 226010,China)

To overcome such shortcomings as the poor fidelity of the simulator for the ship power station composed of MCU and computer network as well as to improve students’skills of synchronizing and disconnecting in maneuvering the ship power station,this article puts forward the schemes to design the synchronizing training equipment for the ship power station powered by inverted motors so as to improve the synchronizing effects of the simulator as well as the practice effects.

Ship power station;Synchronizing；VFD;Photoelectric encoder

U665.12

A

1671-9891（2014）03-0059-04

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.016

2014-06-20

季禹（1988—），男，江苏南通人，南通航运职业技术学院轮机工程系助教。