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制动电阻(铝壳电阻)与制动单元在船舶电力系统中的应用

制动电阻(铝壳电阻)与制动单元在船舶电力系统中的应用

1、引 言

电力推进是一种有广阔应用前景的先进的船舶推进方式。建设小比例的船舶电力推进仿真系统,有利于开展电力推进关键技术研究;而且有利于对轮机工程专业的学生进行培训,使其了解电力推进船舶的特点,提高其专业技能,对培养适应远洋船舶机电一体化要求的轮机工程高级技术人才起到积极的作用。同时制动电阻(铝壳电阻)和制动单元的应用对研制船舶电力推进系统具有借鉴及参考意义。本文主要介绍船舶电力推进仿真系统装置的组成及工作原理。

2、实验装置设计

实验室采用了符合实船应用的整套电力推进系统,包括船用发电机组、配电板、能量管理系统、移相变压器、变频器、推进电机、负载电机和监控系统。整套系统联动,可以模拟实船应用中的各种工况,并通过监控系统观察推进系统各设备的运行状态。

系统的最大特点在于混合仿真,所谓混合仿真就是指系统模拟了船舶的两舷推进系统,系统的右舷采用实物仿真,选用SIEMENS公司的6SE70变频器(250KW)、6SE70制动电阻(铝壳电阻)和制动单元、4GJ三绕组变频变压器(300KVA)、推进电机1LA8 317-8P电动机(180KW)、负载电机1LA8 317-8P电动机(180KW)等设备,组成实轴电力推进系统;而左舷采用计算机仿真的办法,模拟变频器、推进电机和螺旋桨,组成虚轴电力推进系统,如图1所示。

该套系统主要分成四个组成部分:电站系统、推进系统、监控系统和虚轴仿真系统。电站系统包括配电屏、发电机组和能量管理系统(PMS)。电站系统布置了三套发电机组,每套容量75KW。配电屏的布置完全按照船用自动化电站的要求,它将整套发电机组发出的电能配送到各个用电负载。能量管理系统监控整个电力系统的用电,统一管理推进系统用电及其他设备用电,并赋予设备不同的优先级;根据备车、港航、巡航、机动航行等不同的工况,自动选择最少运行发电机台数;同时,根据负载变化,进行发电机工作台数的增减,自动完成并车、解列、调频及调载。

推进系统包括移相变压器、变频器、推进电机、负载电机及电力推进监控系统,如图2所示。为了尽可能满足实验要求,选用的SIEMENS变频器采用了特殊的设计,可以进行6脉波整流和12脉波整流工况的切换。考虑实船应用中低压推进系统的常用等级,兼顾实验室具体条件,变频器、推进电机、负载电机采用690V的电压等级。移相变压器将电压从380V升到690V,可以同时为12脉波整流供电。将推进电机和负载电机通过联轴节对轴相连,负载由负载电机模拟,按照螺旋桨特性曲线对其进行控制,这样就可以达到模拟实船螺旋桨负载的效果。通过机旁、集控台、驾控台上的操作单元可以控制推进电机的启动、停车等操作。

监控系统采用可编程控制器(PLC)作下位机,工业控制计算机(PC)作上位机,它们与变频器、变压器、推进电机、负载电机和操作控制器等通过PROFIBUS 总线相连,共同组成电力推进监控系统。该控制系统包括自动监测与自动控制两大部分,PLC 负责完成数据采集与部分自动控制,通过试验盘台控制变频器进而控制电动机与负载电机。PC 机与PLC 相互通讯监控实验装置的运行并进行数据处理,完成大部分自动控制。PC 机的人机对话功能,保证了试验台安全、经济与稳定的运行。通过集控台和驾控台的监控计算机,来监控整个电力推进系统的运行状态,同时还具有报警、打印、数据储存及管理的功能。

虚轴仿真系统模拟船舶的左舷电力推进系统,以右舷电力推进系统设备的运行参数为参照,建立了变频器、推进电机和螺旋桨的数学模型。虚轴电力推进系统,具有与右舷实轴电力推进系统相同的外在特性。右舷实物仿真推进系统和左舷计算机仿真推进系统均接受来自机旁、集控台、驾控台的操作输入,实轴和虚轴推进系统共享一个数据库,运行结果也均由实验台的仪表和指示灯显示。两舷推进装置共用统一的电力推进监控系统和能量管理系统。

3、实轴电力推进系统的工作原理

从图3 可以看出,采用西门子最新一代的全数字交流变频器系列SIMOVERT MASTERDRIVES 和与之配套的辅助设备构成完整的控制系统,实现系统的控制。实轴一舷推进系统由主配电屏供电,三相移相变压器将三相380V/50Hz 的交流电变换成两个相位相差30 电角度的两组690V/50Hz 的交流电供变频器使用。通过一个开关将本系统自动分成6 脉波和12 脉波系统,以便模拟不同整流系统工作下整个系统的谐波因素。12 脉波整流工作模式下,电网扰动作用明显减小,其5 次和7次谐波电流,相对于6 脉波工作模式来讲几乎没有。

变频器中含有两个整流单元,两个逆变单元,通过公共直流母线相连;两个逆变单元分别控制一台180KW,750rpm的推进电机和负载电机,一个逆变单元以转速控制模式控制推进电机,另一个逆变装置以转矩控制模式控制负载电机,负载转矩按螺旋桨特性曲线来设定。正常运行情况下,负载电机工作在发电机模式,负载电机发出的电能反馈回直流母线,被推进电机重新利用,因此节约了能量。制动过程中产生的能量回馈到直流母线上,导致母线电压升高,制动电阻(铝壳电阻)和制动单元投入运行,消耗能量,使母线电压回落到正常值,以保护变频器。