能量及推進(jìn)控制

1、第四章 動(dòng)力和推進(jìn)控制教學(xué)目標(biāo)：1、動(dòng)力和推進(jìn)層次的控制；2、控制用戶界面；3、控制功能；單元一 控制層級(jí)介紹圖4.1表示了動(dòng)力和推進(jìn)裝置系統(tǒng)的現(xiàn)代集中監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，它的具體功能的實(shí)現(xiàn)如圖4.2的控制層級(jí)。 圖4.1：船舶綜合控制系統(tǒng)一般布置圖狀態(tài)及測(cè)量參數(shù)的顯示、控制命令的輸入、警報(bào)的處理等人機(jī)交互界面由控制臺(tái)上的圖表用戶界面、按鈕等實(shí)現(xiàn)?？刂婆_(tái)設(shè)在駕駛臺(tái)、機(jī)艙集控室等處。系統(tǒng)級(jí)控制器設(shè)在控制站或可編程序邏輯控制器上。它們可以是集中控制的或局部控制的計(jì)算機(jī)，取決于船舶的設(shè)計(jì)。在這些控制器上可以找到能量管理單元，如動(dòng)力管理，全船失電預(yù)防功能，啟動(dòng)或重置順序控制。鑒于獨(dú)立測(cè)試，反應(yīng)時(shí)間的要求和

2、賣主責(zé)任的需要，有必要對(duì)設(shè)備設(shè)置低級(jí)快速控制，監(jiān)測(cè)和保護(hù)。下面就是快速控制功能和主要基本安全功能的實(shí)現(xiàn)。它們通過電纜或現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)界面與系統(tǒng)控制部分相連。圖4.2：動(dòng)力裝置的控制層級(jí)單元二 用戶界面用戶界面，以駕駛臺(tái)控制臺(tái)和監(jiān)視器為代表，是船員對(duì)動(dòng)力和推進(jìn)裝置監(jiān)控的界面。船上越來越普遍地采用幾年前盛行的指示燈和按鈕式的圖形型用戶界面。這樣允許用更具有彈性且更經(jīng)濟(jì)的方法，但同時(shí)也對(duì)制造商與用戶定義和設(shè)計(jì)良好的用戶界面帶來了很大的挑戰(zhàn)，好的用戶界面必須綜合人考慮安全問題，設(shè)計(jì)的合理性和易于獲得必要的，要求的信息。單元三 高級(jí)控制功能4.3.1 動(dòng)力管理能量管理在電力裝置系統(tǒng)、船舶自動(dòng)處理系統(tǒng)和定位

3、系統(tǒng)中，自動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部分控制著它們各自的動(dòng)力系統(tǒng)，例如，動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)控制側(cè)推器的運(yùn)轉(zhuǎn)，卸載控制系統(tǒng)控制貨物泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，程序控制系統(tǒng)控制壓縮機(jī)和加熱/制冷系統(tǒng)等。所有動(dòng)力裝置的聯(lián)系之處就是動(dòng)力分配系統(tǒng)。由于啟動(dòng)時(shí)的沖擊、浪涌沖擊、負(fù)荷的變化以及電網(wǎng)諧波影響，負(fù)載與發(fā)電機(jī)會(huì)相互地作用與影響。對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的最佳操作與控制是很有必要的，以實(shí)現(xiàn)安全操作并保證燃料消耗最低。能源控制系統(tǒng)（能源和動(dòng)力能量管理系統(tǒng)），它總體上監(jiān)控著動(dòng)力能量系統(tǒng)，它把動(dòng)力、自動(dòng)和定位系統(tǒng)綜合在一起。動(dòng)力管理系統(tǒng)的目的是確保有足夠的可用功率滿足實(shí)際工況。它通過負(fù)荷的監(jiān)測(cè)和動(dòng)力系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)的設(shè)置狀態(tài)來達(dá)到。如果可用功率變得很小，不管是

4、由于負(fù)荷的增加還是運(yùn)行發(fā)電機(jī)的故障，動(dòng)力管理系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)地按啟動(dòng)次序啟動(dòng)另一臺(tái)發(fā)電機(jī)。動(dòng)力管理系統(tǒng)還可以有這樣另外的功能，通過監(jiān)控使得運(yùn)行中的設(shè)備達(dá)到最佳的燃料利用率。這種系統(tǒng)又稱為能量管理系統(tǒng)。對(duì)于動(dòng)力管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)的主要功能可以劃分為以下幾類：· 動(dòng)力能量（電能）的產(chǎn)生管理：頻率與電壓的監(jiān)控，有功負(fù)載與無功負(fù)載均分的監(jiān)控和隨負(fù)載變化的發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)與停止控制。由于邏輯控制與聯(lián)鎖功能是配電板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，故這些系統(tǒng)的控制作用要一致。· 負(fù)荷管理：負(fù)荷功率監(jiān)測(cè)和其他系統(tǒng)功率限制作用的協(xié)調(diào)，卸荷和大功率負(fù)載的啟動(dòng)聯(lián)鎖都必須建立在可用功率監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)之上。· 分

5、配管理：能量配送系統(tǒng)重置的結(jié)構(gòu)和順序控制。動(dòng)力配送系統(tǒng)應(yīng)合理設(shè)置以滿足船舶實(shí)際工作狀態(tài)下的需求。新一代生產(chǎn)船舶和鉆井船舶或平臺(tái)擁有一套先進(jìn)的保護(hù)與替換理論的復(fù)雜的動(dòng)力能量系統(tǒng)布置。功能性設(shè)計(jì)和能源控制系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）與動(dòng)力能量保護(hù)系統(tǒng)的性能之間有著密切的關(guān)聯(lián)。對(duì)于所有有關(guān)的由不同廠商生產(chǎn)的各部分要想做到最佳的功能匹配是十分困難的，同樣對(duì)于船廠要負(fù)責(zé)所有部分的一致也是一種挑戰(zhàn)。在一個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)中，全船失電是可能發(fā)生的最嚴(yán)重的故障。各種防止全船失電的機(jī)械裝置都與動(dòng)力能量管理系統(tǒng)相連，像自動(dòng)啟停功能，自動(dòng)減小或切除動(dòng)力和其他負(fù)載，和非關(guān)鍵負(fù)載的卸除。圖4.3表明了一個(gè)典型裝置的協(xié)調(diào)圖表。正常情

6、況下，可用功率被控制在自動(dòng)啟停的界限之間，但是一旦負(fù)荷突加或發(fā)電機(jī)跳閘，可用功率就會(huì)減少。通過檢測(cè)負(fù)荷的平衡狀態(tài)或電網(wǎng)的頻率，減載或卸載功能就會(huì)生效，減小負(fù)載保護(hù)發(fā)電機(jī)直到另外的發(fā)電機(jī)啟動(dòng)且并網(wǎng)。由于全船失電有時(shí)會(huì)發(fā)生，一般會(huì)需要一個(gè)控制啟停順序的系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的重新設(shè)置。這些都在系統(tǒng)控制級(jí)中實(shí)現(xiàn)，包括發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)順序和適時(shí)的同步合閘并網(wǎng)。一般來說還有一套預(yù)定義的工作模式，如營(yíng)運(yùn)模式，定位控制模式，機(jī)動(dòng)航行模式等，能對(duì)電力系統(tǒng)的重置進(jìn)行自動(dòng)順序控制。圖4.3：全船失電預(yù)防功能協(xié)調(diào)圖表的例子 船舶管理所謂船舶管理，一般包括船舶輔機(jī)和輔助系統(tǒng)的手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和半自動(dòng)控制，比如閥件、加熱、通風(fēng)、

7、空調(diào)系統(tǒng)、壓載水控制、貨物控制等。同時(shí)報(bào)警系統(tǒng)、值班呼叫系統(tǒng)和安全系統(tǒng)也可能集成在船舶管理系統(tǒng)中。大部分功能一般都可以在駕駛臺(tái)監(jiān)控或在機(jī)旁監(jiān)控或在集控室監(jiān)控。4.3.3 推進(jìn)和動(dòng)態(tài)定位推進(jìn)控制系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)部分：· 手動(dòng)側(cè)推控制系統(tǒng)可以對(duì)側(cè)推器或螺旋槳單獨(dú)控制。· 自動(dòng)航行或自動(dòng)舵系統(tǒng)表現(xiàn)為營(yíng)運(yùn)時(shí)自動(dòng)保持和改變航線，通常與跟蹤功能相結(jié)合。假如船舶要定位模式運(yùn)作，可以是下面任一種：· 動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)可以通過側(cè)推系統(tǒng)的適當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)人工或自動(dòng)定位。· 側(cè)推器輔助系泊系統(tǒng)為錨泊船舶的定位和航向提供手動(dòng)或自動(dòng)側(cè)推幫助。本節(jié)的目的并非詳細(xì)介紹這些控制系統(tǒng)，若想了

8、解詳情請(qǐng)看【71】。必須強(qiáng)調(diào)的是，大多數(shù)情況下，推進(jìn)和定位控制功能對(duì)船舶的安全操縱是極其關(guān)鍵的。顯然有必要認(rèn)真考慮它們的設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)者決不能低估這些控制功能與其他系統(tǒng)的匹配與測(cè)試的必要性，比如動(dòng)力/能量管理系統(tǒng)、配電板的底層控制器和推進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。4.4 底層控制功能底層控制器可以分為保護(hù)和控制兩大功能。保護(hù)裝置能檢測(cè)系統(tǒng)故障以防超過設(shè)計(jì)限制。底層控制器是基于該目的設(shè)計(jì)的專用控制器，通常與設(shè)備做成一體。4.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)和調(diào)速器發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)超速、過熱、潤(rùn)滑不良等如發(fā)生時(shí)停機(jī)保護(hù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置通常是發(fā)動(dòng)機(jī)整體的一部分，由制造商提供或者在一定程度上與船舶管理系統(tǒng)結(jié)合在一起。調(diào)速

9、器通過控制原動(dòng)機(jī)的噴油量來調(diào)節(jié)發(fā)電的頻率，如圖4.4。它可以是所謂的速度降型，穩(wěn)定狀態(tài)的頻率會(huì)隨有功負(fù)載正比地變化。速度降模式是使兩臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)均分負(fù)荷的簡(jiǎn)單而有效的方法。但是隨負(fù)荷變化的頻率會(huì)使發(fā)電機(jī)之間或不同的電網(wǎng)間并網(wǎng)困難。負(fù)荷變化時(shí)的頻率變化是我們所不想要的。同步調(diào)速器包括一個(gè)有積分功能的調(diào)節(jié)器并使頻率等于設(shè)定值。發(fā)電機(jī)調(diào)速器之間的信號(hào)，無論是線傳輸?shù)倪€是高速總線通信的，都必須確保原動(dòng)機(jī)之間合適的負(fù)荷分配。大多數(shù)電力推進(jìn)裝置中的調(diào)速器有兩種可用模式。圖4.4：發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器，速度降和同步控制模式圖表4.4.2 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱AVR，通過控制通入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)

10、磁電流來調(diào)節(jié)電壓。像調(diào)速器一樣，電壓調(diào)節(jié)器可以以速度降模式控制，這意味著電壓隨負(fù)荷有一定的變化（±2.5%）。這使得并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可以有效而簡(jiǎn)單地均分無功負(fù)載（千乏），這是發(fā)電機(jī)負(fù)荷均分的必備條件，并且電壓的變化一般不會(huì)影響并車和其他功能。當(dāng)有些場(chǎng)合不允許用速度降來控制電壓變化的請(qǐng)求時(shí)，有下列方法可以減少或避免隨負(fù)荷而變化的速度降：- 電壓降補(bǔ)償：調(diào)節(jié)設(shè)定值以部分或全部地補(bǔ)償電壓降。這應(yīng)與交流補(bǔ)償相結(jié)合，交流補(bǔ)償是通過降低發(fā)電機(jī)之間負(fù)載電流之差以均分無功功率的。- 積分控制器：自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器或動(dòng)力能量管理系統(tǒng)可能包含有一個(gè)積分控制器，它根據(jù)負(fù)荷來調(diào)節(jié)電壓設(shè)定值從而避免靜態(tài)電壓偏差。

11、圖4.5：速度降控制時(shí)的發(fā)電機(jī)并車需要同時(shí)調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）以均分無功負(fù)載 保護(hù)繼電器在電力裝置中，保護(hù)設(shè)備和繼電器用來保護(hù)人命安全以防在電力系統(tǒng)的故障中受傷，同時(shí)防止或最大限度地降低設(shè)備因誤操作而導(dǎo)致的損壞。如果消除故障（如短路）的時(shí)間能被縮短，設(shè)備的損壞將會(huì)大大降低。保護(hù)繼電器通常位于配電盤上，有時(shí)在特殊控制和保護(hù)面板上。有一系列的型號(hào)和功能以適合不同的要求。現(xiàn)在，數(shù)碼可編程保護(hù)繼電器的應(yīng)用十分普遍。數(shù)碼繼電器有一系列保護(hù)功能，它們可以單獨(dú)或綜合應(yīng)用于特殊的保護(hù)需要。基于電流、電壓、頻率等的測(cè)量值，當(dāng)今保護(hù)裝置可以依賴測(cè)量值的幅值來編程控制在預(yù)設(shè)的時(shí)間里去斷開系統(tǒng)中相關(guān)部分或設(shè)備。保

12、護(hù)功能和特性由ANSI/IEEE和IEC等標(biāo)準(zhǔn)來定義，也有可能做相應(yīng)的變化。在ANSII C39.90標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能和裝置列表中，包括了一般工程應(yīng)用的要求。該系統(tǒng)可以用在線路圖、手冊(cè)和說明書中。保護(hù)方案會(huì)根據(jù)操作需要和系統(tǒng)設(shè)置而有所不同。一個(gè)典型的保護(hù)方案應(yīng)包括以下功能：配電盤：§ 欠壓或超壓，典型的只報(bào)警§ 低頻或高頻，典型的只報(bào)警§ 接地故障，跳閘還是報(bào)警根據(jù)接地原理§ （差分）微分或其他快速短路保護(hù)發(fā)電機(jī)：§ 過電流和短路§ 接地故障§ 逆功率§ 逆序§ 欠壓或超壓§ 頻率過高§

13、 欠勵(lì)或過勵(lì)或容性無功功率§ 變壓器內(nèi)部沖擊時(shí)的差分保護(hù)§ 原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的同步檢測(cè)母線連接開關(guān)和饋電板§ 短路可能包含在發(fā)電機(jī)保護(hù)中§ 接地故障§ 同步檢測(cè)§ 微分保護(hù)（在環(huán)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中）變壓器饋電線：§ 過電流§ 短路§ 過熱§ 接地故障§ 欠壓§ 有時(shí)，尤其對(duì)大型變壓器，微分保護(hù)電動(dòng)機(jī)饋電線：§ 過電流§ 短路§ 接地故障§ 過熱§ 逆序§ 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)：堵轉(zhuǎn)，I2t，啟動(dòng)次數(shù)§ 接地故障§

14、欠壓合理的保護(hù)方案的設(shè)計(jì)和設(shè)定就是權(quán)衡盡快切除故障設(shè)備和切除最少故障設(shè)備。后者的要求通過選擇性或保護(hù)裝置協(xié)調(diào)性的研究來實(shí)現(xiàn)。這些研究的目的是保護(hù)和向船員、船東證明已經(jīng)設(shè)計(jì)在電力系統(tǒng)中的這種選擇性。在試車和常規(guī)維護(hù)時(shí)正確的安裝和確保安裝的正確性對(duì)船舶的安全運(yùn)行是十分必要的。錯(cuò)誤的安裝或校準(zhǔn)的不合適可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)料的后果甚至少數(shù)情況下的全船失電。由于保護(hù)繼電器在正常的操作時(shí)不動(dòng)作，對(duì)它們的定期測(cè)試以確保其正確的功能和合適的校準(zhǔn)也是很有必要的。舉個(gè)例子，短路和過電流保護(hù)繼電器的例子。這些繼電器的特性和設(shè)置見圖4.6。在橫坐標(biāo)電流軸上，描述了正常的負(fù)載，過載，短路電流水平。典型地，所連接用電設(shè)備常規(guī)

15、標(biāo)定為額定正常負(fù)載范圍。有些設(shè)備有過載范圍，允許短時(shí)過載。在這張圖表中，反時(shí)限電流保護(hù)形狀描述了過載區(qū)域，即電流越大，允許時(shí)間越短。有幾種反時(shí)限電流保護(hù)來適應(yīng)特定的要求。在高的過載電流下，保護(hù)繼電器可以瞬時(shí)跳閘，也可短延時(shí)跳閘，如圖所示。如果下層分支沒有可選用的連接， 如推進(jìn)用變壓器，瞬時(shí)跳閘方式會(huì)被用在短路電流保護(hù)中。 還為啟動(dòng)瞬態(tài)設(shè)置了一個(gè)點(diǎn)，可以是電機(jī)啟動(dòng)電流，也可以是變壓器浪涌電流。這個(gè)點(diǎn)必須在設(shè)置曲線的里面（左側(cè)），確保設(shè)備供電，繼電器不產(chǎn)生跳閘信號(hào)。圖4.6 簡(jiǎn)化的短路/過載繼電器設(shè)置曲線，展示電流幅值和時(shí)間的關(guān)系圖4.7 展示一個(gè)設(shè)置例子。此船備有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，每臺(tái)接在一個(gè)配電板上

16、，兩個(gè)配電板通過總線（匯流排）開關(guān)相連，有一個(gè)變壓器。如圖所示，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)、匯流排連接開關(guān)、變壓器的保護(hù)繼電器的時(shí)間和電流保護(hù)限值，可以獲得系統(tǒng)的選擇性切除，也就是說，保護(hù)繼電器會(huì)先切斷變壓器開關(guān)，不行再切斷匯流排開關(guān)， 最后再切斷發(fā)電機(jī)開關(guān)。圖4.7 保護(hù)設(shè)置圖，系統(tǒng)中含分成兩段的匯流排，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，一臺(tái)三繞組的變壓器4.4.4推進(jìn)控制器如前面所解釋，推進(jìn)通?？刂频氖撬俣?。推進(jìn)控制器的作用是在速度和扭矩限制范圍內(nèi)及動(dòng)態(tài)條件保持設(shè)定速度。推進(jìn)控制器正常情況下跟以下系統(tǒng)相接，側(cè)推/推進(jìn)系統(tǒng)，能量產(chǎn)生和分配系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)，橋樓控制系統(tǒng)（駕駛遙控系統(tǒng)、自動(dòng)航行系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)）。因?yàn)橥七M(jìn)能

17、量正常情況下是電站總負(fù)荷的主要部分，因此必須有自動(dòng)降負(fù)荷功能及防斷電功能，并與電站設(shè)計(jì)和能量管理功能高度協(xié)調(diào)一致?；诳傮w防失電考慮，及不同負(fù)載的優(yōu)先級(jí)，可以制作一個(gè)像圖4.3 那樣的完整的協(xié)調(diào)一致的圖表。因?yàn)榉从硶r(shí)間對(duì)預(yù)防失電非常關(guān)鍵，對(duì)自動(dòng)降負(fù)荷的定時(shí)非常關(guān)鍵。典型地，推進(jìn)控制器在預(yù)防斷電的邏輯中包括三級(jí)自動(dòng)降負(fù)荷。§ 能量管理系統(tǒng)從可用電網(wǎng)功率可以計(jì)算出最大負(fù)載限制，或從測(cè)量中得出。根據(jù)能量分配或能量管理系統(tǒng)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)，得出馬達(dá)驅(qū)動(dòng)最大的功率負(fù)荷。§ 快速動(dòng)作，事件觸發(fā)的降低負(fù)荷，典型的做法是一個(gè)數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)降負(fù)荷到一個(gè)預(yù)設(shè)的比例水平和某個(gè)預(yù)設(shè)的絕對(duì)值。這個(gè)信號(hào)可能來自能量管理系統(tǒng)，也可能來自配電板內(nèi)的保護(hù)/控制設(shè)備。§ 快速動(dòng)作，頻率觸發(fā)的降低負(fù)荷，僅依據(jù)本地驅(qū)動(dòng)器供電頻率測(cè)量。在預(yù)防由于發(fā)電機(jī)過載導(dǎo)致的欠頻跳閘失電的邏輯保護(hù)中，這一般被認(rèn)為是最末端的保護(hù)。船級(jí)社要求推進(jìn)系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)備要有安保和監(jiān)控功能。根據(jù)船舶總體設(shè)計(jì)，監(jiān)控和故障