第四章能量及推進控制VIP

1、第四章 動力和推進控制教學(xué)目標(biāo)：1、動力和推進層次的控制；2、控制用戶界面；3、控制功能；單元一 控制層級介紹圖4.1表示了動力和推進裝置系統(tǒng)的現(xiàn)代集中監(jiān)控與保護系統(tǒng)，它的具體功能的實現(xiàn)如圖4.2的控制層級。 圖4.1：船舶綜合控制系統(tǒng)一般布置圖狀態(tài)及測量參數(shù)的顯示、控制命令的輸入、警報的處理等人機交互界面由控制臺上的圖表用戶界面、按鈕等實現(xiàn)?？刂婆_設(shè)在駕駛臺、機艙集控室等處。系統(tǒng)級控制器設(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算機，取決于船舶的設(shè)計。在這些控制器上可以找到能量管理單元，如動力管理，全船失電預(yù)防功能，啟動或重置順序控制。鑒于獨立測試，反應(yīng)時間的要求和

2、賣主責(zé)任的需要，有必要對設(shè)備設(shè)置低級快速控制，監(jiān)測和保護。下面就是快速控制功能和主要基本安全功能的實現(xiàn)。它們通過電纜或現(xiàn)場控制信號界面與系統(tǒng)控制部分相連。圖4.2：動力裝置的控制層級單元二 用戶界面用戶界面，以駕駛臺控制臺和監(jiān)視器為代表，是船員對動力和推進裝置監(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)濟的方法，但同時也對制造商與用戶定義和設(shè)計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)計的合理性和易于獲得必要的，要求的信息。單元三 高級控制功能4.3.1 動力管理能量管理在電力裝置系統(tǒng)、船舶自動處理系統(tǒng)和定位

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

4、由于負荷的增加還是運行發(fā)電機的故障，動力管理系統(tǒng)都會自動地按啟動次序啟動另一臺發(fā)電機。動力管理系統(tǒng)還可以有這樣另外的功能，通過監(jiān)控使得運行中的設(shè)備達到最佳的燃料利用率。這種系統(tǒng)又稱為能量管理系統(tǒng)。對于動力管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)的主要功能可以劃分為以下幾類：· 動力能量（電能）的產(chǎn)生管理：頻率與電壓的監(jiān)控，有功負載與無功負載均分的監(jiān)控和隨負載變化的發(fā)電機的啟動與停止控制。由于邏輯控制與聯(lián)鎖功能是配電板設(shè)計的關(guān)鍵部分，故這些系統(tǒng)的控制作用要一致。· 負荷管理：負荷功率監(jiān)測和其他系統(tǒng)功率限制作用的協(xié)調(diào)，卸荷和大功率負載的啟動聯(lián)鎖都必須建立在可用功率監(jiān)測的基礎(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。動力配送系統(tǒng)應(yīng)合理設(shè)置以滿足船舶實際工作狀態(tài)下的需求。新一代生產(chǎn)船舶和鉆井船舶或平臺擁有一套先進的保護與替換理論的復(fù)雜的動力能量系統(tǒng)布置。功能性設(shè)計和能源控制系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）與動力能量保護系統(tǒng)的性能之間有著密切的關(guān)聯(lián)。對于所有有關(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，同樣對于船廠要負責(zé)所有部分的一致也是一種挑戰(zhàn)。在一個電力推進系統(tǒng)中，全船失電是可能發(fā)生的最嚴重的故障。各種防止全船失電的機械裝置都與動力能量管理系統(tǒng)相連，像自動啟停功能，自動減小或切除動力和其他負載，和非關(guān)鍵負載的卸除。圖4.3表明了一個典型裝置的協(xié)調(diào)圖表。正常情

6、況下，可用功率被控制在自動啟停的界限之間，但是一旦負荷突加或發(fā)電機跳閘，可用功率就會減少。通過檢測負荷的平衡狀態(tài)或電網(wǎng)的頻率，減載或卸載功能就會生效，減小負載保護發(fā)電機直到另外的發(fā)電機啟動且并網(wǎng)。由于全船失電有時會發(fā)生，一般會需要一個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)控制級中實現(xiàn)，包括發(fā)電機的啟動順序和適時的同步合閘并網(wǎng)。一般來說還有一套預(yù)定義的工作模式，如營運模式，定位控制模式，機動航行模式等，能對電力系統(tǒng)的重置進行自動順序控制。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，一般包括船舶輔機和輔助系統(tǒng)的手動控制、自動控制和半自動控制，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。同時報警系統(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監(jiān)控或在機旁監(jiān)控或在集控室監(jiān)控。4.3.3 推進和動態(tài)定位推進控制系統(tǒng)一般包括以下幾個部分：· 手動側(cè)推控制系統(tǒng)可以對側(cè)推器或螺旋槳單獨控制。· 自動航行或自動舵系統(tǒng)表現(xiàn)為營運時自動保持和改變航線，通常與跟蹤功能相結(jié)合。假如船舶要定位模式運作，可以是下面任一種：· 動態(tài)定位系統(tǒng)可以通過側(cè)推系統(tǒng)的適當(dāng)運轉(zhuǎn)實現(xiàn)人工或自動定位。· 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或自動側(cè)推幫助。本節(jié)的目的并非詳細介紹這些控制系統(tǒng)，若想了

8、解詳情請看【71】。必須強調(diào)的是，大多數(shù)情況下，推進和定位控制功能對船舶的安全操縱是極其關(guān)鍵的。顯然有必要認真考慮它們的設(shè)計，但是設(shè)計者決不能低估這些控制功能與其他系統(tǒng)的匹配與測試的必要性，比如動力/能量管理系統(tǒng)、配電板的底層控制器和推進驅(qū)動器。4.4 底層控制功能底層控制器可以分為保護和控制兩大功能。保護裝置能檢測系統(tǒng)故障以防超過設(shè)計限制。底層控制器是基于該目的設(shè)計的專用控制器，通常與設(shè)備做成一體。4.4.1 發(fā)動機的保護和調(diào)速器發(fā)動機的保護裝置在發(fā)動機超速、過熱、潤滑不良等如發(fā)生時停機保護。發(fā)動機的保護裝置通常是發(fā)動機整體的一部分，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、器通過控制原動機的噴油量來調(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)的頻率會隨有功負載正比地變化。速度降模式是使兩臺并網(wǎng)運行的發(fā)電機均分負荷的簡單而有效的方法。但是隨負荷變化的頻率會使發(fā)電機之間或不同的電網(wǎng)間并網(wǎng)困難。負荷變化時的頻率變化是我們所不想要的。同步調(diào)速器包括一個有積分功能的調(diào)節(jié)器并使頻率等于設(shè)定值。發(fā)電機調(diào)速器之間的信號，無論是線傳輸?shù)倪€是高速總線通信的，都必須確保原動機之間合適的負荷分配。大多數(shù)電力推進裝置中的調(diào)速器有兩種可用模式。圖4.4：發(fā)動機調(diào)速器，速度降和同步控制模式圖表4.4.2 自動電壓調(diào)節(jié)器自動電壓調(diào)節(jié)器，簡稱AVR，通過控制通入發(fā)電機勵磁繞組的勵

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

11、圖4.5：速度降控制時的發(fā)電機并車需要同時調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）以均分無功負載 保護繼電器在電力裝置中，保護設(shè)備和繼電器用來保護人命安全以防在電力系統(tǒng)的故障中受傷，同時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）的時間能被縮短，設(shè)備的損壞將會大大降低。保護繼電器通常位于配電盤上，有時在特殊控制和保護面板上。有一系列的型號和功能以適合不同的要求。現(xiàn)在，數(shù)碼可編程保護繼電器的應(yīng)用十分普遍。數(shù)碼繼電器有一系列保護功能，它們可以單獨或綜合應(yīng)用于特殊的保護需要。基于電流、電壓、頻率等的測量值，當(dāng)今保護裝置可以依賴測量值的幅值來編程控制在預(yù)設(shè)的時間里去斷開系統(tǒng)中相關(guān)部分或設(shè)備。保

12、護功能和特性由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、手冊和說明書中。保護方案會根據(jù)操作需要和系統(tǒng)設(shè)置而有所不同。一個典型的保護方案應(yīng)包括以下功能：配電盤：§ 欠壓或超壓，典型的只報警§ 低頻或高頻，典型的只報警§ 接地故障，跳閘還是報警根據(jù)接地原理§ （差分）微分或其他快速短路保護發(fā)電機：§ 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、 欠勵或過勵或容性無功功率§ 變壓器內(nèi)部沖擊時的差分保護§ 原動機輸出轉(zhuǎn)速的同步檢測母線連接開關(guān)和饋電板§ 短路可能包含在發(fā)電機保護中§ 接地故障§ 同步檢測§ 微分保護（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，尤其對大型變壓器，微分保護電動機饋電線：§ 過電流§ 短路§ 接地故障§ 過熱§ 逆序§ 電動機啟動：堵轉(zhuǎn)，I2t，啟動次數(shù)§ 接地故障§

14、欠壓合理的保護方案的設(shè)計和設(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裝置協(xié)調(diào)性的研究來實現(xiàn)。這些研究的目的是保護和向船員、船東證明已經(jīng)設(shè)計在電力系統(tǒng)中的這種選擇性。在試車和常規(guī)維護時正確的安裝和確保安裝的正確性對船舶的安全運行是十分必要的。錯誤的安裝或校準(zhǔn)的不合適可能會導(dǎo)致不可預(yù)料的后果甚至少數(shù)情況下的全船失電。由于保護繼電器在正常的操作時不動作，對它們的定期測試以確保其正確的功能和合適的校準(zhǔn)也是很有必要的。舉個例子，短路和過電流保護繼電器的例子。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)定為額定正常負載范圍。有些設(shè)備有過載范圍，允許短時過載。在這張圖表中，反時限電流保護形狀描述了過載區(qū)域，即電流越大，允許時間越短。有幾種反時限電流保護來適應(yīng)特定的要求。在高的過載電流下，保護繼電器可以瞬時跳閘，也可短延時跳閘，如圖所示。如果下層分支沒有可選用的連接， 如推進用變壓器，瞬時跳閘方式會被用在短路電流保護中。 還為啟動瞬態(tài)設(shè)置了一個點，可以是電機啟動電流，也可以是變壓器浪涌電流。這個點必須在設(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。圖4.6 簡化的短路/過載繼電器設(shè)置曲線，展示電流幅值和時間的關(guān)系圖4.7 展示一個設(shè)置例子。此船備有兩臺發(fā)電機，每臺接在一個配電板上

16、，兩個配電板通過總線（匯流排）開關(guān)相連，有一個變壓器。如圖所示，通過調(diào)整發(fā)電機、匯流排連接開關(guān)、變壓器的保護繼電器的時間和電流保護限值，可以獲得系統(tǒng)的選擇性切除，也就是說，保護繼電器會先切斷變壓器開關(guān)，不行再切斷匯流排開關(guān)， 最后再切斷發(fā)電機開關(guān)。圖4.7 保護設(shè)置圖，系統(tǒng)中含分成兩段的匯流排，兩臺發(fā)電機，一臺三繞組的變壓器4.4.4推進控制器如前面所解釋，推進通?？刂频氖撬俣?。推進控制器的作用是在速度和扭矩限制范圍內(nèi)及動態(tài)條件保持設(shè)定速度。推進控制器正常情況下跟以下系統(tǒng)相接，側(cè)推/推進系統(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)、自動航行系統(tǒng)，動態(tài)定位系統(tǒng)）。因為推進能

17、量正常情況下是電站總負荷的主要部分，因此必須有自動降負荷功能及防斷電功能，并與電站設(shè)計和能量管理功能高度協(xié)調(diào)一致?；诳傮w防失電考慮，及不同負載的優(yōu)先級，可以制作一個像圖4.3 那樣的完整的協(xié)調(diào)一致的圖表。因為反映時間對預(yù)防失電非常關(guān)鍵，對自動降負荷的定時非常關(guān)鍵。典型地，推進控制器在預(yù)防斷電的邏輯中包括三級自動降負荷。§ 能量管理系統(tǒng)從可用電網(wǎng)功率可以計算出最大負載限制，或從測量中得出。根據(jù)能量分配或能量管理系統(tǒng)設(shè)置的優(yōu)先級，得出馬達驅(qū)動最大的功率負荷。§ 快速動作，事件觸發(fā)的降低負荷，典型的做法是一個數(shù)字信號驅(qū)動馬達降負荷到一個預(yù)設(shè)的比例水平和某個預(yù)設(shè)的絕對值。這個信號可能來自能量管理系統(tǒng)，也可能來自配電板內(nèi)的保護/控制設(shè)備。§ 快速動作，頻率觸發(fā)的降低負荷，僅依據(jù)本地驅(qū)動器供電頻率測量。在預(yù)防由于發(fā)電機過載導(dǎo)致的欠頻跳閘失電的邏輯保護中，這一般被認為是最末端的保護。船級社要求推進系統(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，監(jiān)控和故障