CN110683017A - 船用电力推进***交流回馈加载装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用电力推进***交流回馈加载装置及控制方法，船用电力推进***交流回馈加载装置包括推进电机、变频器、变压器、配电柜、陪试发电机、整流器、逆变器、出线柜、负载模拟控制器、联接柜、转速传感器、弹性联轴器、扭矩传感器；本发明通过模拟实际的船速工况和海况条件，能够保证电力推进***的试验能够实现更加贴近实际运行情况，试验出各种性能参数，并且节省大量的能源消耗，电力推进的功率越大，其效果越明显。本发明可用于各种型式的电力推进***的负载试验。

Description

船用电力推进***交流回馈加载装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种船用电力推进***交流回馈加载装置及控制方法，属于船用电力推进***试验工艺技术领域。

背景技术

船用电力推进***，在科考船、工程船、海洋平台等船舶平台上得到越来越广泛的应用，一般包括变频器、变压器、推进电机、控制***等。在出厂试验及交验阶段，需要对推进电机进行加载性能试验。目前常规采用水力测功器进行试验，随着电力推进***的功率需求越来越大，一是需要大量的电力来驱动推进电机，一般工厂往往不能满足这么大的电力需求，需到供电部门申请扩容，扩容手续复杂不便；二是使用水力测功器加载，模式比较单一，只能按照固定功率点进行测试，不能模拟电力推进***的全工况特性；三是试验所消耗的能量非常大，转变为热量直接排放，造成较大的能量浪费，不经济环环保。随着船用电力推进***的进一步推广和普及，其推进功率不断提升，应用数量不断增加，所浪费的能量也会越来越增多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船用电力推进***交流回馈加载装置及控制方法，降低船用电力推进***的电力使用需求，增加电力推进***负荷试验的灵活性，可以模拟电力推进***的全工况特性，并大大减小试验过程中所产生的能量消耗，从而实现电力推进***加载试验环节的全工况特性测试、节能、环保目的。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种船用电力推进***交流回馈加载装置，包括推进电机、变频器、变压器、配电柜、陪试发电机、整流器、逆变器、出线柜、负载模拟控制器、联接柜、转速传感器、弹性联轴器、扭矩传感器；所述推进电机通过弹性联轴器与陪试发电机的轴相连接，推进电机连接轴上安装扭矩传感器；所述陪试发电机安装有转速传感器，并通过电缆与联接柜连接；转速传感器和扭矩传感器的信号通过信号电缆接入负载模拟控制器；所述负载模拟控制器通过信号电缆与陪试发电机及驱动推进电机的变频器连接；联接柜通过电缆与整流器连接；所述整流器的直流输出端通过电缆与逆变器的直流输入端连接，将陪试发电机发出的交流电转变为电压和频率稳定的交流电；所述逆变器通过电缆与交流出线柜连接；出线柜通过电缆与配电柜连接，将加载时陪试发电机所发出的电能回馈到配电柜用电端。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述船用电力推进***交流回馈加载装置，所述负载模拟控制器包括PLC逻辑控制器、网络交换机、计算机、显示器，网络交换机分别与PLC逻辑控制器和计算机通过CAT5网络电缆连接，构成负载模拟控制器局域网，显示器通过VGA视频电缆与计算机连接，用于显示人机交互界面，转速传感器和扭矩传感器的信号接入PLC逻辑控制器的输入端，PLC逻辑控制器输出端通过信号电缆与陪试发电机及变频器连接。

前述船用电力推进***交流回馈加载装置的负载模拟控制器控制方法为：

负载模拟控制器模拟电力推进***在各类船舶上的负载工况，从而达到与实船工况、海况一致的试验效果；在计算机的人机界面选择设置船速工况和海况状态，上位机根据选择的工况和海况将船速和陪试发电机的功率转换为变频器的频率指令和功率指令信号，通过网络通讯将指令信号发送至PLC逻辑控制器；PLC逻辑控制器通过模拟量输出通道将指令发送至推进电机的驱动变频器和陪试发电机的控制装置，从而调节推进电机的转速和陪试发电机的功率；当转速和功率达到设定值，则保持该状态稳定运行，如未达到设定值，则继续进行调节；当转速和功率均达到设定值，并稳定运行，则将此时的功率、电压、电流等性能参数进行存储和分析；分析结果如是合格，则生成试验报告，并结束负载模拟控制流程；如分析结果与理论值偏差较大，则找出原因，重新开始负载模拟控制流程。

前述船用电力推进***交流回馈加载装置的负载模拟控制器控制方法，进行工况和海况的负载模拟，包括以下步骤：

1)由于船舶在不同的波浪海况下，不同大小的波浪导致的功率平均增量不同，因此不同波浪的海况下所需的推进功率是不同的，要模拟不同海况下的推进功率，需要根据船速、伴流等输入条件计算出不同波浪下所需的推进功率；

首先，根据以下公式计算出不规则波浪中的推力和转速平均增量：

δT_M为波浪中推力平均增量，δT(ω)_M为推力增量，ζ_A为波幅；

δn_M为波浪中转速平均增量，δn(ω)_M为转速增量；

不规则波浪中的总推力和总转速可以表示为静水中与波浪中的附加之和，计算公式如下：

T_M＝T_SW,M+δT_M,n_M＝n_SW,M+δn_M

T_M为总推力，T_SW,M为静水中推力，n_M为总转速，n_SW,M为静水中转速；

螺旋桨的推力系数、进速系数以及功率系数的计算公式如下：

K_T为推力系数，J为进速系数，K_P为功率系数，D为螺旋桨直径，ω为波浪圆周率，V为船速，Q为扭矩；

通过推力系数便可得到功率系数，由功率系数可得波浪中所需推进功率P_s的计算公式如下：

2)假设在理想海况下，船舶航行的速度与推进器的转速有关，相对电力推进来说，一般推进器的转速即为推进电机的转速，因此模拟不同船速的工况，就需要计算出船速和推进电机转速的关系；

首先，船舶在航行时的阻力和推力与船速关系如下：

R为阻力，V为船速，T为推力；

船速、螺旋桨进速、伴流之间关系如下：

η为推力系数，SHP为轴功率；

根据以上计算，得出螺旋桨推力的计算公式如下：

假定伴流份数在舵生效的船速范围内都相同，螺旋桨的效率和扭矩是转速的一个函数，如下：

N为转速，K为常数，

通过转换确定常数和幂指数，其计算的对数方程如下：

根据大量转速和船速数据分析，通过计算机对以上公式进行回归，得出计算推进电机转速的近似公式如下：

根据推进电机转速可计算出所要调节的电机频率公式如下：

F为推进电力频率，P为推进电机极对数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明船用电力推进***交流回馈加载装置通过模拟实际的船速工况和海况条件，能够保证电力推进***的试验能够实现更加贴近实际运行情况，试验出各种性能参数，并且节省大量的能源消耗，电力推进的功率越大，其效果越明显。本发明可用于各种型式的电力推进***的负载试验。

附图说明

图1是本发明船用电力推进***交流回馈加载装置结构图；

图2是本发明负载模拟控制器结构图；

图3是本发明负载模拟控制器控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，船用电力推进***交流回馈加载装置，包括推进电机、变频器、变压器、配电柜、陪试发电机1、整流器2、逆变器3、出线柜4、负载模拟控制器5、联接柜6、转速传感器7、弹性联轴器8、扭矩传感器9；所述推进电机通过弹性联轴器8与陪试发电机1的轴相连接，其连接轴上安装扭矩传感器9；所述陪试发电机1安装有转速传感器7，并通过电缆与联接柜6连接；转速传感器7和扭矩传感器9的信号通过信号电缆接入负载模拟控制器5；所述负载模拟控制器5通过信号电缆与陪试发电机1及驱动推进电机的变频器连接；联接柜6通过电缆与整流器2连接；所述整流器2的直流输出端通过电缆与逆变器3的直流输入端连接，把陪试发电机1发出的电转变为稳定电压和频率的交流电；所述逆变器3通过电缆与交流出线柜4连接；出线柜4通过电缆与配电柜连接，将加载所发出的电能回馈到用电端。

如图2所示是船用电力推进***交流回馈加载装置中的负载模拟控制器5，所述负载模拟控制器5包括PLC逻辑控制器10、计算机12、网络交换机11、显示器13，所述PLC逻辑控制器10安装在负载模拟控制器5的台体内，接入扭矩、转速、电压、电流以及控制按钮和指示灯等信号，并根据计算机12所输入的船速和海况参数，进行自动控制陪试发电机1功率及驱动推进电机的变频器频率；网络交换机11分别与PLC逻辑控制器10和计算机12通过CAT5网络电缆连接，构成负载模拟控制器局域网，负责PLC逻辑控制器10和计算机12的上位机与下位机之间的数据通讯；计算机12安装在负载模拟控制器5的台体内，进行电力推进***的航速、海况的算法转换、数据存储、参数设置以及监测数据的显示和报警等；显示器13通过VGA视频电缆与计算机12连接，用于显示人机交互界面。

如图3所示，本发明的工作过程如下：

船用电力推进***开始试验工作前，先通过配电板向变压器供电，变压器通过电缆向变频器供电，由变频器驱动推进电机，然后将推进电机与陪试发电机1用弹性联轴器8连接。变频器驱动推进电机运行，推进电机通过弹性联轴器8带动陪试发电机发电。联接柜6内设有断路器，通过电缆将陪试发电机1发出的电能传输到整流器2，再与逆变器3连接；出线柜4中同样设有断路器和电压、频率、相位检测仪器，当检测逆变器3输出端电压、频率、相位和配电柜一致，则出线柜4中断路器合闸，陪试发电机1发出的电能则回馈到用电端。

负载模拟控制器用于进行工况和海况的负载模拟，从而达到与实船工况、海况一致的试验效果。在计算机的人机界面选择设置船速工况和海况状态，上位机根据选择的工况和海况将船速和陪试发电机的功率转换为变频器的频率指令和功率指令信号，通过网络通讯将指令信号发送至PLC逻辑控制器；PLC逻辑控制器通过模拟量输出通道将指令发送至推进电机的驱动变频器和陪试发电机的控制装置，从而调节推进电机的转速和陪试发电机的功率。当转速和功率达到设定值，则保持该状态稳定运行，如未达到设定值，则继续进行调节；当转速和功率均达到设定值，并稳定运行，则将此时的功率、电压、电流等性能参数进行存储和分析；分析结果如是合格，则生成试验报告，并结束负载模拟控制流程；如分析结果与理论值偏差较大，则找出原因，重新开始负载模拟控制流程。

本发明基于上述***，进行工况和海况的负载模拟，包括以下步骤：

1.由于船舶在不同的波浪海况下，不同大小的波浪导致的功率平均增量不同，因此不同波浪的海况下所需的推进功率是不同的，要模拟不同海况下的推进功率，需要根据船速、伴流等输入条件计算出不同波浪下所需的推进功率。

首先，根据以下公式计算出不规则波浪中的推力和转速平均增量：

δT_M为波浪中推力平均增量，δT(ω)_M为推力增量，ζ_A为波幅；

δn_M为波浪中转速平均增量，δn(ω)_M为转速增量；

不规则波浪中的总推力和总转速可以表示为静水中与波浪中的附加之和，计算公式如下：

T_M＝T_SW,M+δT_M,n_M＝n_SW,M+δn_M

T_M为总推力，T_SW,M为静水中推力，n_M为总转速，n_SW,M为静水中转速；

螺旋桨的推力系数、进速系数以及功率系数的计算公式如下：

K_T为推力系数，J为进速系数，K_P为功率系数，D为螺旋桨直径，ω为波浪圆周率，V为船速，Q为扭矩。

通过推力系数便可得到功率系数，由功率系数可得波浪中所需推进功率P_s的计算公式如下：

2.假设在理想海况下，船舶航行的速度与推进器的转速有关，相对电力推进来说，一般

推进器的转速即为推进电机的转速。因此模拟不同船速的工况，就需要计算出船速和推

进电机转速的关系。

首先，船舶在航行时的阻力和推力与船速关系如下：

R为阻力，V为船速，T为推力。

船速、螺旋桨进速、伴流之间关系如下：

η为推力系数，SHP为轴功率；

根据以上计算，得出螺旋桨推力的计算公式如下：

假定伴流份数在舵生效的船速范围内都相同，螺旋桨的效率和扭矩是转速的一个函数，如下：

N为转速，K为常数，

通过转换确定常数和幂指数，其计算的对数方程如下：

根据大量转速和船速数据分析，通过计算机对以上公式进行回归，得出计算推进电机转速的近似公式如下：

根据推进电机转速可计算出所要调节的电机频率公式如下：

F–-推进电力频率，P--推进电机极对数。

通过将推进电机试验消耗的能量进行重新整流和逆变将电能回馈到用电端，并通过模拟实际的船速工况和海况条件，使得试验过程能够实现更加贴近实船运行情况，从而试验出各种真实可靠的性能参数。本发明可用于各种型式的船用电力推进***的加载能量回馈。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种船用电力推进***交流回馈加载装置，其特征在于，包括推进电机、变频器、变压器、配电柜、陪试发电机、整流器、逆变器、出线柜、负载模拟控制器、联接柜、转速传感器、弹性联轴器、扭矩传感器；所述推进电机通过弹性联轴器与陪试发电机的轴相连接，推进电机连接轴上安装扭矩传感器；所述陪试发电机安装有转速传感器，并通过电缆与联接柜连接；转速传感器和扭矩传感器的信号通过信号电缆接入负载模拟控制器；所述负载模拟控制器通过信号电缆与陪试发电机及驱动推进电机的变频器连接；联接柜通过电缆与整流器连接；所述整流器的直流输出端通过电缆与逆变器的直流输入端连接，将陪试发电机发出的交流电转变为电压和频率稳定的交流电；所述逆变器通过电缆与交流出线柜连接；出线柜通过电缆与配电柜连接，将加载时陪试发电机所发出的电能回馈到配电柜用电端。

2.如权利要求1所述的船用电力推进***交流回馈加载装置，其特征在于，所述负载模拟控制器包括PLC逻辑控制器、网络交换机、计算机、显示器，网络交换机分别与PLC逻辑控制器和计算机通过CAT5网络电缆连接，构成负载模拟控制器局域网，显示器通过VGA视频电缆与计算机连接，用于显示人机交互界面，转速传感器和扭矩传感器的信号接入PLC逻辑控制器的输入端，PLC逻辑控制器输出端通过信号电缆与陪试发电机及变频器连接。

3.如权利要求2所述的船用电力推进***交流回馈加载装置的负载模拟控制器控制方法，其特征在于，包括：

负载模拟控制器模拟电力推进***在各类船舶上的负载工况，从而达到与实船工况、海况一致的试验效果；在计算机的人机界面选择设置船速工况和海况状态，上位机根据选择的工况和海况将船速和陪试发电机的功率转换为变频器的频率指令和功率指令信号，通过网络通讯将指令信号发送至PLC逻辑控制器；PLC逻辑控制器通过模拟量输出通道将指令发送至推进电机的驱动变频器和陪试发电机的控制装置，从而调节推进电机的转速和陪试发电机的功率；当转速和功率达到设定值，则保持该状态稳定运行，如未达到设定值，则继续进行调节；当转速和功率均达到设定值，并稳定运行，则将此时的功率、电压、电流等性能参数进行存储和分析；分析结果如是合格，则生成试验报告，并结束负载模拟控制流程；如分析结果与理论值偏差较大，则找出原因，重新开始负载模拟控制流程。

4.如权利要求3所述的船用电力推进***交流回馈加载装置的负载模拟控制器控制方法，其特征在于，进行工况和海况的负载模拟，包括以下步骤：

1)由于船舶在不同的波浪海况下，不同大小的波浪导致的功率平均增量不同，因此不同波浪的海况下所需的推进功率是不同的，要模拟不同海况下的推进功率，需要根据船速、伴流等输入条件计算出不同波浪下所需的推进功率；

首先，根据以下公式计算出不规则波浪中的推力和转速平均增量：

δT_M为波浪中推力平均增量，δT(ω)_M为推力增量，ζ_A为波幅；

δn_M为波浪中转速平均增量，δn(ω)_M为转速增量；

不规则波浪中的总推力和总转速可以表示为静水中与波浪中的附加之和，计算公式如下：

T_M＝T_SW,M+δT_M,n_M＝n_SW,M+δn_M

T_M为总推力，T_SW,M为静水中推力，n_M为总转速，n_SW,M为静水中转速；

螺旋桨的推力系数、进速系数以及功率系数的计算公式如下：

K_T为推力系数，J为进速系数，K_P为功率系数，D为螺旋桨直径，ω为波浪圆周率，V为船速，Q为扭矩；

通过推力系数便可得到功率系数，由功率系数可得波浪中所需推进功率P_s的计算公式如下：

2)假设在理想海况下，船舶航行的速度与推进器的转速有关，相对电力推进来说，一般推进器的转速即为推进电机的转速，因此模拟不同船速的工况，就需要计算出船速和推进电机转速的关系；首先，船舶在航行时的阻力和推力与船速关系如下：

R为阻力，V为船速，T为推力；

船速、螺旋桨进速、伴流之间关系如下：

η为推力系数，SHP为轴功率；

根据以上计算，得出螺旋桨推力的计算公式如下：

假定伴流份数在舵生效的船速范围内都相同，螺旋桨的效率和扭矩是转速的一个函数，如下：

N为转速，K为常数，

通过转换确定常数和幂指数，其计算的对数方程如下：

根据大量转速和船速数据分析，通过计算机对以上公式进行回归，得出计算推进电机转速的近似公式如下：

根据推进电机转速可计算出所要调节的电机频率公式如下：

F为推进电力频率，P为推进电机极对数。

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