制動電阻(鋁殼電阻)與制動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，提高其專業(yè)技能，對培養(yǎng)適應(yīng)遠(yuǎn)洋船舶機(jī)電一體化要求的輪機(jī)工程高級技術(shù)人才起到積極的作用。同時制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元的應(yīng)用對研制船舶電力推進(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、實驗裝置設(shè)計
      實驗室采用了符合實船應(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，可以模擬實船應(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)備的運行狀態(tài)。

      系統(tǒng)的最大特點在于混合仿真，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)的右舷采用實物仿真，選用SIEMENS公司的6SE70變頻器（250KW）、6SE70制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元、4GJ三繞組變頻變壓器（300KVA）、推進(jìn)電機(jī)1LA8 317-8P電動機(jī)（180KW）、負(fù)載電機(jī)1LA8 317-8P電動機(jī)（180KW）等設(shè)備，組成實軸電力推進(jìn)系統(tǒng)；而左舷采用計算機(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用電負(fù)載。能量管理系統(tǒng)監(jiān)控整個電力系統(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；根據(jù)備車、港航、巡航、機(jī)動航行等不同的工況，自動選擇最少運行發(fā)電機(jī)臺數(shù)；同時，根據(jù)負(fù)載變化，進(jìn)行發(fā)電機(jī)工作臺數(shù)的增減，自動完成并車、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。為了盡可能滿足實驗要求，選用的SIEMENS變頻器采用了特殊的設(shè)計，可以進(jìn)行6脈波整流和12脈波整流工況的切換。考慮實船應(yīng)用中低壓推進(jìn)系統(tǒng)的常用等級，兼顧實驗室具體條件，變頻器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)采用690V的電壓等級。移相變壓器將電壓從380V升到690V，可以同時為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其進(jìn)行控制，這樣就可以達(dá)到模擬實船螺旋槳負(fù)載的效果。通過機(jī)旁、集控臺、駕控臺上的操作單元可以控制推進(jìn)電機(jī)的啟動、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)包括自動監(jiān)測與自動控制兩大部分，PLC 負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集與部分自動控制，通過試驗盤臺控制變頻器進(jìn)而控制電動機(jī)與負(fù)載電機(jī)。PC 機(jī)與PLC 相互通訊監(jiān)控實驗裝置的運行并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成大部分自動控制。PC 機(jī)的人機(jī)對話功能，保證了試驗臺安全、經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定的運行。通過集控臺和駕控臺的監(jiān)控計算機(jī)，來監(jiān)控整個電力推進(jìn)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時還具有報警、打印、數(shù)據(jù)儲存及管理的功能。

      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)，具有與右舷實軸電力推進(jìn)系統(tǒng)相同的外在特性。右舷實物仿真推進(jìn)系統(tǒng)和左舷計算機(jī)仿真推進(jìn)系統(tǒng)均接受來自機(jī)旁、集控臺、駕控臺的操作輸入，實軸和虛軸推進(jìn)系統(tǒng)共享一個數(shù)據(jù)庫，運行結(jié)果也均由實驗臺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)，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。實軸一舷推進(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。通過一個開關(guān)將本系統(tǒng)自動分成6 脈波和12 脈波系統(tǒng)，以便模擬不同整流系統(tǒng)工作下整個系統(tǒng)的諧波因素。12 脈波整流工作模式下，電網(wǎng)擾動作用明顯減小，其5 次和7次諧波電流，相對于6 脈波工作模式來講幾乎沒有。

      變頻器中含有兩個整流單元，兩個逆變單元，通過公共直流母線相連；兩個逆變單元分別控制一臺180KW，750rpm的推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)，一個逆變單元以轉(zhuǎn)速控制模式控制推進(jìn)電機(jī)，另一個逆變裝置以轉(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，制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元投入運行，消耗能量，使母線電壓回落到正常值，以保護(hù)變頻器。