制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)與制動(dòng)單元在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

      1、引 言   
      電力推進(jìn)是一種有廣闊應(yīng)用前景的先進(jìn)的船舶推進(jìn)方式。建設(shè)小比例的船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)，有利于開展電力推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究；而且有利于對(duì)輪機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，使其了解電力推進(jìn)船舶的特點(diǎn)，提高其專業(yè)技能，對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)遠(yuǎn)洋船舶機(jī)電一體化要求的輪機(jī)工程高級(jí)技術(shù)人才起到積極的作用。同時(shí)制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)和制動(dòng)單元的應(yīng)用對(duì)研制船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有借鑒及參考意義。本文主要介紹船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)裝置的組成及工作原理。
 
      2、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
      實(shí)驗(yàn)室采用了符合實(shí)船應(yīng)用的整套電力推進(jìn)系統(tǒng)，包括船用發(fā)電機(jī)組、配電板、能量管理系統(tǒng)、移相變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)。整套系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，可以模擬實(shí)船應(yīng)用中的各種工況，并通過監(jiān)控系統(tǒng)觀察推進(jìn)系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

      系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于混合仿真，所謂混合仿真就是指系統(tǒng)模擬了船舶的兩舷推進(jìn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的右舷采用實(shí)物仿真，選用SIEMENS公司的6SE70變頻器（250KW）、6SE70制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)和制動(dòng)單元、4GJ三繞組變頻變壓器（300KVA）、推進(jìn)電機(jī)1LA8 317-8P電動(dòng)機(jī)（180KW）、負(fù)載電機(jī)1LA8 317-8P電動(dòng)機(jī)（180KW）等設(shè)備，組成實(shí)軸電力推進(jìn)系統(tǒng)；而左舷采用計(jì)算機(jī)仿真的辦法，模擬變頻器、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳，組成虛軸電力推進(jìn)系統(tǒng)，如圖1所示。

      該套系統(tǒng)主要分成四個(gè)組成部分：電站系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和虛軸仿真系統(tǒng)。電站系統(tǒng)包括配電屏、發(fā)電機(jī)組和能量管理系統(tǒng)（PMS）。電站系統(tǒng)布置了三套發(fā)電機(jī)組，每套容量75KW。配電屏的布置完全按照船用自動(dòng)化電站的要求，它將整套發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能配送到各個(gè)用電負(fù)載。能量管理系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)電力系統(tǒng)的用電，統(tǒng)一管理推進(jìn)系統(tǒng)用電及其他設(shè)備用電，并賦予設(shè)備不同的優(yōu)先級(jí)；根據(jù)備車、港航、巡航、機(jī)動(dòng)航行等不同的工況，自動(dòng)選擇最少運(yùn)行發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)；同時(shí)，根據(jù)負(fù)載變化，進(jìn)行發(fā)電機(jī)工作臺(tái)數(shù)的增減，自動(dòng)完成并車、解列、調(diào)頻及調(diào)載。

      推進(jìn)系統(tǒng)包括移相變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)及電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。為了盡可能滿足實(shí)驗(yàn)要求，選用的SIEMENS變頻器采用了特殊的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行6脈波整流和12脈波整流工況的切換�？紤]實(shí)船應(yīng)用中低壓推進(jìn)系統(tǒng)的常用等級(jí)，兼顧實(shí)驗(yàn)室具體條件，變頻器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)采用690V的電壓等級(jí)。移相變壓器將電壓從380V升到690V，可以同時(shí)為12脈波整流供電。將推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)對(duì)軸相連，負(fù)載由負(fù)載電機(jī)模擬，按照螺旋槳特性曲線對(duì)其進(jìn)行控制，這樣就可以達(dá)到模擬實(shí)船螺旋槳負(fù)載的效果。通過機(jī)旁、集控臺(tái)、駕控臺(tái)上的操作單元可以控制推進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停車等操作。

      監(jiān)控系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)作下位機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PC)作上位機(jī)，它們與變頻器、變壓器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)和操作控制器等通過PROFIBUS 總線相連，共同組成電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括自動(dòng)監(jiān)測與自動(dòng)控制兩大部分，PLC 負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集與部分自動(dòng)控制，通過試驗(yàn)盤臺(tái)控制變頻器進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)與負(fù)載電機(jī)。PC 機(jī)與PLC 相互通訊監(jiān)控實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成大部分自動(dòng)控制。PC 機(jī)的人機(jī)對(duì)話功能，保證了試驗(yàn)臺(tái)安全、經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定的運(yùn)行。通過集控臺(tái)和駕控臺(tái)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，來監(jiān)控整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還具有報(bào)警、打印、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及管理的功能。

      虛軸仿真系統(tǒng)模擬船舶的左舷電力推進(jìn)系統(tǒng)，以右舷電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)為參照，建立了變頻器、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳的數(shù)學(xué)模型。虛軸電力推進(jìn)系統(tǒng)，具有與右舷實(shí)軸電力推進(jìn)系統(tǒng)相同的外在特性。右舷實(shí)物仿真推進(jìn)系統(tǒng)和左舷計(jì)算機(jī)仿真推進(jìn)系統(tǒng)均接受來自機(jī)旁、集控臺(tái)、駕控臺(tái)的操作輸入，實(shí)軸和虛軸推進(jìn)系統(tǒng)共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行結(jié)果也均由實(shí)驗(yàn)臺(tái)的儀表和指示燈顯示。兩舷推進(jìn)裝置共用統(tǒng)一的電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。

      3、實(shí)軸電力推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理

      從圖3 可以看出，采用西門子最新一代的全數(shù)字交流變頻器系列SIMOVERT MASTERDRIVES 和與之配套的輔助設(shè)備構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。實(shí)軸一舷推進(jìn)系統(tǒng)由主配電屏供電，三相移相變壓器將三相380V/50Hz 的交流電變換成兩個(gè)相位相差30 電角度的兩組690V/50Hz 的交流電供變頻器使用。通過一個(gè)開關(guān)將本系統(tǒng)自動(dòng)分成6 脈波和12 脈波系統(tǒng)，以便模擬不同整流系統(tǒng)工作下整個(gè)系統(tǒng)的諧波因素。12 脈波整流工作模式下，電網(wǎng)擾動(dòng)作用明顯減小，其5 次和7次諧波電流，相對(duì)于6 脈波工作模式來講幾乎沒有。

      變頻器中含有兩個(gè)整流單元，兩個(gè)逆變單元，通過公共直流母線相連；兩個(gè)逆變單元分別控制一臺(tái)180KW，750rpm的推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)，一個(gè)逆變單元以轉(zhuǎn)速控制模式控制推進(jìn)電機(jī)，另一個(gè)逆變裝置以轉(zhuǎn)矩控制模式控制負(fù)載電機(jī)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩按螺旋槳特性曲線來設(shè)定。正常運(yùn)行情況下，負(fù)載電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，負(fù)載電機(jī)發(fā)出的電能反饋回直流母線，被推進(jìn)電機(jī)重新利用，因此節(jié)約了能量。制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量回饋到直流母線上，導(dǎo)致母線電壓升高，制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)和制動(dòng)單元投入運(yùn)行，消耗能量，使母線電壓回落到正常值，以保護(hù)變頻器。