（电力电子与电力传动专业论文）双吊舱电力推进回转系统plc控制研究.pdf

t h er e s e a r c ha b o u ts l e w i n g s y s t e mo fd o u b l e p o d d e d e l e c t r i c a lp r o p u l s i o nb a s e do np l c a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fm a r i n ee l e c t r i c a lp m p u l s m n p o d d e de l e c t r i c a l p r o p u l s i o nh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e da b r o a do w i n gt oi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r , a to u rc o u n t r y ，a t t e n t i o np a i dt oi ti sf a rf r o me n o u l 曲t h e r ei saw i d eg a p b e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a lr e s e a r c h e s ，w h e t h e ri nt h es o f t w a r eo rt h eh a r d w a r e s oi t i sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a t i v et od os o m ep r i m a r ys t u d ya b o u tt h i sf i e l d i nt h i sp a p e r ，f i r s t ，w i l ls i m p l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo fe l e c t r i c a l p r o p u l s i o n ，p a r t i c u l a r l ya n a l y z et h ec o n f i g u r a t i o na n dt e c h n o l o g ya d v a n t a g eo fp o d d e d e l e c t r i c a l p r o p u l s i o ns y s t e m t h e ni n t r o d u c et h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n a n dp l c t e c h n o l o g y ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt o d a y sp o d d e de l e c t r i c a lp r o p u l s i o n i na l l u s i o nt ot h eo p e r a t i o nf e a t u r eo fd o u b l e - p o d d e de l e c t r i c a l p r o p u l s i o n a l e w i n gs y s t e m ，a ne x p e r i m e n t a ls l e w i n gc o n t r o ls y s t e mw i l lb ed e s i g n e dn e x t t h i s e x p e r i m e n t a ls l e w i n gc o n t r o ls y s t e mw a sc o n s t i t u t e dw i t l l p l ca n d f r e q u e n c y c o n v e r t e l a n dc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h et w op o d s 3 6 0d e g r e es l e w i n g , d o u b l e - p o d d e d f l e w i n gs p e e dc l o s e dl o o pc o n c t r o la n dt h ef l e w i n gp o s i t i o ne x a m i n e , a ut h e w o r k l o a di n c l u d e dt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e u s i n g t h i s y e a r s c o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o nf o rr e f e r e n c e ，t h er e s e a r c ha b o u t d o u b l e p o d d e de l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns l e w i n gs y s t e m d i s c u s s e di n t h i sp a p e rh a s i n h e r i t e da n dd e v e l o p e dt h et e c h n i q u eo fe l e c t r i c a lp r o p u l s i o n w e w i s h e si tw i l lb e h e l p f u lf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ei n l a n d se l e c t r i c a lp r o p u l s i o n w e c a nu s ei ta sai m p o r t a n te l e m e n to ft h ed o u b l e - p o d d e de l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e m t h i sd e s i g na l s ob eh e l p f u lf o rt h ec o n s t r u c t i o no fo u s c h o o l se l e c t r i c a lp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lp r o p u l s i o n ；s l e w i n gs y s t e m p o d ；p l c 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文! 巫虽熊电力推进回琏丕堕至圣蕉剑硒塞：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：刊匕仪导师签 目期：幽年乡 月川日 第1 章绪论 1 1 概述 船舶电力推进是利用推进电机直接驱动螺旋桨转动，从而推动船舶前进的一 种推动方式。从早期汽轮机发电的直流电力推进到现在的吊舱式电力推进，电力 推进技术的发展已有近百年的历史，经历了三个主要阶段。 上世纪初，虽然大功率蒸汽轮机作为船舶原动机的技术已经成熟，但由于机 械加工水平不足，大功率机械减速装置在制造工艺上尚有一定的困难，所以油船、 客货船等许多大型民用船舶都采用了汽轮机发电机组推进电机模式的电力推 进。到了四十年代以后，随着科学技术的发展，特别是机械传动装置加工能力的 提高，满足船舶动力装置要求的机械传动装置以可以应用到船舶上；相比之下， 当时技术条件下的电力推进装置由于能量二次变换，具有设备昂贵、传动效率低 等一系列缺点。故而船舶转而大量采用柴油机、汽轮机或燃气轮机的直接传动推 进。但由于电力推进本身具备优越的灵活性能，因此一些对操纵性能和转矩特性 要求比较高的船舶，如工程船和破冰船等，仍然广泛采用电力推进。 上世纪八十年代以来，随着现代电力电子技术的迅速发展，交流变频调速技 术日渐成熟，电力推进形式也从直流电力推进发展到了采用p w m 技术、矢量控制技 术或直接转矩技术( d t c ) 的变频交流电力推进。系统中使用的电力半导体器件也 从半控型器件( s c r ) 发展到采用全控型器件( g t 0 、i g b t 、i g c t 、s g c t ) 。一代 电力电子器件带来一代变频调速装置，基于高压、大容量、全控型功率器件的变 频调速原理实现的船舶电力推进不仅彻底改变了船舶能量变换的面貌，也使原先 船舶电力推进存在的一些缺点发生根本性的改变，其长处得到进一步的发扬。 到了上世纪九十年代，电力推进首先在豪华游轮、破冰船等类型的船舶应用 上取得突破。船舶电力推进开始采用吊舱式的结构形式。所谓吊舱式电力推进， 就是推进电机安装在吊舱内部，通过连轴装置直接推动螺旋桨。吊舱置于水下， 可以3 6 0 度旋转，还起到舵的作用。这样使得电力推进船的机动性、可靠性和运行 性等方面都有了突破性的进展，船舶电力推进技术的应用领域不断扩大，从工程 船、破冰船到目前的豪华游轮、化学品船、油船等领域，吊舱式电力推进已经成 为了二十一世纪船舶推进的主发展方向之- - 1 】【2 】1 3 1 。 1 2 船舶电力推进技术的现状和发展趋势 1 2 1 国外的技术研究和应用现状 由于吊舱式电力推进具有无可争议的优点和广阔的应用前景，因此国外的许 多科研机构和大公司纷纷投入巨大的人力和物力进行研究，并在实际应用中取得 突破性的进展。1 9 9 0 年，a b b 芬兰分公司1 ，5 m w 的a z i p o d 运用于“s e l l ”号航道工 程船开创了吊舱式电力推进的装船应用先河【4 】。此后，瑞典k a m e w a 公司和法国 a l s t o m 公司合作开发t m e r m a i d 吊舱推进器，德 s c h o t t e l 和s i e m e n s 公司联合成 功研制s i m e n s s c h o t t e lp r o p u l s o r ( s s p ) 吊舱推进器，荷兰w a r t s i l a ( l i p s ) 公 司和德国s a m 电子公司合作开发了d o l p h i n 吊舱推进器吼这四种目前都已有实船运 营经验，形成了各种功率的产品。与此同时，日本的k a w a s a k i 重工集团、法国的 d s n 公司和美国的e b c 公司也都在加紧研发自己的吊舱推进器产品，相信不久的将 来就会有新的吊舱推进器进入实船应用。 值得指出的是，以上所述的吊舱推进器都有世界最大的生产电力系统和驱动 设备跨国公司的背景。我们知道，吊舱式电力推进系统的发展主要取决于推进电 机、半导体器件和大功率变频装置的发展。在陆地上，由于对大功率交流驱动的 巨大市场需要，使得这些跨国公司投入了大量的人力和物力从事驱动电机、半导 体器件和大功率变频装置等方面的研发工作，其成果主要应用于陆地。吊舱式电 力推进系统受益于这些研发工作的最新成果，如s s pp r o p u l s o r 采用的永磁式电动 机、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 实现的周波变换器( c y c l o c o n v e r t e r ) ，a z i p o d 系统采用的集成门换流晶闸管( i g c t ) 电路和直接转距控制方法，m e r m a i d 系统采 用的p w mi g b t 多电平变换器等。同时我们还可以看到，先进的控制和通信技术也 在吊舱式电力推进系统中得到了应用。如采用p l c 或可编程快速控制器进行控制， 数据传送则采用了局域网( l a n ) 和现场总线技术和设备。可以说，船舶电力推进 的发展直接反映了大功率电力变频技术、先进的微机控制和通信技术、电力电子 器件等领域的最新科研成果，而这几个方面都是目前投入最多、发展最快的研发 领域【7 1 a 1 2 2 国内的研究和应用现状 相比国外迅猛的发展势头，我国在船舶电力推进研究方面起步较晚，目前尚 处于初步阶段。除了在原动机、发电机、配电、变频调速等方面我国有一定的工 业基础，兆瓦级的柴油机、发电机和中高压配电板的生产有较成熟的技术外，其 它一些相关的技术，包括永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等方 面的设计、制造水平与发达国家还有很大的差距。 通过国际交往，我国一些船舶设计、制造单位也积累了很多设计、建造电力 推进船舶的经验。2 0 0 5 年l o j 91 3 号，我国首条自行设计，配备全电力推进a z i p o d 系统的科学考察船成功交船。该船由江南造船集团建造，总体系统设计由7 0 8 所承 担，推进系统采用的是a b b 提供的吊舱式全电力推进系统a z i p o d 。除此之外，由上 海船舶研究院设计，天津新港船厂建造，采用2 * 4 0 0 8 m 1 c o m p a c ta z i p o d 电力推 进系统的烟大火车轮渡船也预计将于2 0 0 6 年投入使用。同时，浙江船厂为法国船 东g r o u p eb o u r b o n 建造的四艘油田供应船也将采用a b b 公司提供的全套电力推进系 统【6 1 1 8 1 。这些事实说明，我国已经具备了设计和建造电力推进船体的能力。但是我 们也应该看到，在最能体现技术含量的电力推进器装置部分，我国仍需仰仗外国 的技术。 1 2 3 船舶电力推进发展趋势 吊舱式电力推进良好的经济效益和应用的日益广泛使得生产厂家千方百计对 其进行技术改进和结构优化以提高运行效率。从推进电机的看，当前已经普遍采 用效率更高、重量更轻、体积更小的永磁电机作为推进电机。同时，目前超导技 术和燃料电池的研究已有了一定的进展。高温超导的出现将使电机技术有了巨大 进步的机会，基于高温超导技术的电力推进系统将由于功率密度和运行效率的提 高使电力推进更具吸引力。从系统结构看，已从单吊舱电力推进向双吊舱电力推 进甚至多吊舱电力推进的方向发展，螺旋桨也有单螺旋桨和对转双螺旋桨等不同 的安装方式。从控制方式看，采用微机技术、矢量控制变频器或者直接转矩变频 器以及新式传感器联合对系统进行数字化控制将成为今后的发展方向【2 j 1 7 1 。 1 3 相关技术发展概况 1 3 1 交流调速的发展概况 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国 防、科技及社会生活等各个方面。2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节 省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条 件和物质基础。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。 1 、电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流装 置的现代化。电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响 交流调速的发展。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发 展，2 0 世纪9 0 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四 代器件有高压i g b t ( s i m e n s 公司h v i g b t ) 、i g c t ( a b b 公司) 、i e c t ( 东 芝、g e 公司) 和s g c t ( 罗克威尔公司) 等，这些新器件的出现使得大容量变频 装置进入实用化阶段，对船舶电力推进系统的发展也起着重大推进意义。同时， 第四代电力电子器件模块化更为成熟。如：智能化模块i p m 、专用功率器件模块 a s p m 等。模块化功率器件将是2 l 世纪主宰器件。在人类社会发展到信息时代后， 电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是2 1 世纪最重要的两大技 术。 2 、脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类 交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。p w m 技术的应用克服了 相控原理的所有弊端，使交流电动机定予得到了接近正弦波形的电压和电流，提 高了电机的功率因素和输出效率。 3 、矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基 础。采用参数重构和状态重构的现代控制控制理论概念的矢量控制可以实现交流 电机的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为 直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高， 从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速特性要求较高的生产工 艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。 4 、继矢量控制技术之后，2 0 世纪8 0 年代中期由德国鲁尔大学d c p e n b r o c k 教 授首先取得了直接转矩控制技术应用的成功。近几十年的实际应用表明，与矢量 控制法相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此交流电动机直接转矩 控制也是一种很有前途的控制技术【。 5 、微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流 调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。数字化使得控制器对信息处 理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中的复杂坐标变换运 算、解耦控制、滑模交结构控制、参数辨认的自适应控制等，采用微机处理控制 器后便都解决了。微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的 可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。 1 3 2p l c 技术概况 可编程序控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是采用微电脑技术 制造的自动控制设备。它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定 时、记忆和算术运算等功能。随着p l c 技术的发展，其功能越来越多，集成度越 来越高，网络功能越来越强，p l c 与上位p c 机联网形成的p l c 及其网络技术广泛 地应用到工业自动化控制之中，具有良好的控制精度和高可靠性，使得p l c 成为 现代工业自动化的支柱【1 0 1 。 1 4 课题的提出和本论文的工作 当前，国外对吊舱式电力推进的研究方兴未艾，技术上不断取得新突破。相 比之下，我国在这方面的研究较少，成就有限。从节能的长期性和船舶向高度自 动化方向发展的趋势看，有必要对吊舱式电力推进做一些探讨，为将来电力推进 技术在我国的推广应用提供一些的帮助和经验。为了对双吊舱电力推进船舶运行 的效率、是否具有良好的航向稳定性和回转性、船舶整体通讯等问题进行研究， 本文将在实验室条件下，设计一个基于p l c 、变频器控制的双吊舱电力推进回转电 气控制系统，对吊舱模拟器进行3 6 0 度回转控制，为解答上述问题提供一些有益的 帮助和经验教训。 第2 章变频器原理 交流变频调速技术的发展和完善是船舶电力推进技术得以推广应用的有力保 障。高性能变频器在电力推进船舶中的合理应用，将极大的提高船舶的自动化和 电气化程度，同时起到改善船舶的运行效率、回转性能、航向稳定性等的作用【1 1 】。 2 1 变频器的基本原理 2 1 1 变频器的基本控制方式 异步电机的轴转速为 n ：h 。0 - * ) ：6 0 f ( 1 5 ) ( 2 1 ) n p 式中m 一同步转速( r m i n ) ；s 一异步电机转差率； ，l 。磁极对数；，一定子频率( h z ) 。 改变异步电机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。当异步电 机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变，磁通太弱，铁心利用 不充分，同样转子电流条件下，电磁转矩小，电机负载能力下降；磁通太强，则 处于过励磁状态，励磁电流过大，严重时会因为绕组过热损坏电机。三相异步电 动机定子每相电动势的有效值为 e 1 4 4 4 1 n l m 。 ( 2 2 ) 式中 e 一定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值； ，l 一定子频率( h z ) ； 1 一定予相绕组有效匝数； 巾。每极磁通量( w b ) 。 由上式可见，垂的值是由e t 和，1 共同决定的，对岛和 进行适当的控制， 就可以使气隙磁通中，保持额定值不变。下面分两种情况说明： 1 基频以下的恒磁通变频调速 由上式可知，要保持垂。不变，则当 往下调节时，必须同时降低昱。的值，但 是，e 。难以直接检测和直接控制。当e 。和，1 的值较高时，定子漏阻抗压降相对比 较小，如忽略不计，则可以近似地认为定子相电压u 。= e 。，保持u ，矗2 常数即可。 当频率较低时，u ，和e ，都变小，定子漏阻抗压降不能再忽略。这时，可以人为地 适当提高定子电压u 1 以补偿定子压降的影响，如图2 1 所示，带定子压降补偿的 恒压频比特性曲线为b 线，无补偿的为a 线： u l 兜子相电压 u l n o f i t 撩率) 图2 1 恒压频比控制特性 f i g 2 1c o n t r o l l i n gc h a m c t e r i s t i co fc o n s t a n tv o l t a g ef r e q u e n c yr a t i o 2 基频以上的弱磁调速 在基频以上调速时，频率由于额定值，1 ，向上增大，但电压u 。受额定电压值 u ，。的限制不在提高，只能保持【，。= u ，不变。必然会使主磁通随着，1 的上升而减 龋 净 蓍 6 耸 磁 誉 0 缀警b r 刨l u e n e y h z ) 图2 2 异步电动机变频调速控制特性 f i g 2 2c o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e a ds p e e dc o n t r o lo fa ca s y n c h r o n o u sm o t o r 小，相当于直流电机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。 综合上述两种情况，异步电动机变频调速的控制方式如图2 。2 所示。 通过分析可以得到如下结论：当，】s ，1 ，时，变频装置必须在改变输出频率的 同时改变输出电压的幅值，才能满足对异步电动机变频调速的基本要求。 2 ，1 2p w m 控制技术 所谓脉宽调制( p u l e s w i d t hm o d u l a t i o n 一一p w m ) 技术是指利用全控型电力 电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压变频 控制并且消除谐波的技术。目前，实际工程中主要采用的p w m 技术是正弦p w m ( s p w m ) ，这是因为交频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。s p w m 方案 多种多样，归纳起来可以分为基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制、基于电 流滞环跟踪的c h p w m 控制和电压空间矢量s v p w m 控制。 1 s p i 轴i 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成个可以调压调频的三相正 弦波电源。s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采 样法等等。自然采样s p w m 法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利 用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获 得经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。中值规则采样法的 基本思想是，将三角载波周期的中点( 三角波的负峰值或正峰值) 时刻对正弦采样 形成阶梯波来代替正弦波。自然采样s p w m 法虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方 法，但其开关时刻求取困难，不适合微机实时控制，而中值规则采样法偏离自然 采样法较小，脉宽的计算方法简单，用计算机实现比较方便，运算量小，实时性 好，是人们常用的一种s p t 弛i 方法。 2 电流追踪型p 1 | m 技术的基本思想是将一个正弦波定子电流给定信号和定子 电流实测信号相比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使 之减少：反之，则使之增加。电流轨迹追踪p l t m 变频器由通常的p 1 】| m 电压源型变 频器和电流控制环组成。 3 电压空间矢量s v p i 哺i 控制是一种与s p w m 控制不同的新颖的脉宽调制方法。 它不是局限于如何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看 成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压 空间矢量，建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定子磁链 矢量与定子电压之间的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似恒定、顶 点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似恒磁通变压 变频调速。 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之。从最初采用模拟电路完成三角 载波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关开始， 到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的p w m 信号输出，可以说直到目 前为止，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于p w m 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系 统中得到广泛应用。 2 2 变频器的基本结构 从结构上看，变频器分为直接变频器和间接变频器。直接变频器把频率固定 的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。但其连续可调的频率范围窄， 一般为额定频率的t 2 以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。间接变 频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交 流电流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范 围、以及改善变频后电动机特性等方面，都具有明显的优势。典型的间接变频器 结构图如图2 3 所示： 图2 3 间接变频器结构图 f i 9 2 3c o n f i g u r a t i o no fi n d i r e c tf r e q u e n c yc o n v e l t e r 2 2 1 变频器主电路 变频器主电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路和控制电路三部分组成。 电压源型交一直一交变频器的主电路如图2 4 所示。 s l 图2 4 间接变频器主电路图 f i g2 4p r i m a r yc i r c u i to fi n d i r e c tf r e q u e n c yc o n v e r t e r 1 整流电路 一般的三相交频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是 对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电 源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直 流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电 源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中 间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。 2 逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成 的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得 到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性 负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为l 。 因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠 之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将 平靖电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电 路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 2 2 2 变频器控制电路 变频器控制电路通常由运算电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口 电路以及保护电路等几个部分构成，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定 了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器 的电压控制以及完成各种保护功能。控制方法可以采用模拟控制或者数字控制。 高性能变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件 电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，可以完成许多模拟控制 方式难以完成的功削1 2 】1 1 3 1 【1 4 1 。 2 3 高性能变频器 在精确定位系统和对动态性能要求比较高的场合，常常需要使用高性能变频 器来满足系统对于控制的实时性要求。在电力推进系统中，高性能变频器的合理 应用，有利于提高船舶的自动化控制水平。 高性能通用变频器的类型主要有三种：第一种是有速度传感器的矢量控制变 频器；第二种是无速度传感器的矢量控制变频器；第三种是无速度传感器的直接 转矩控制变频器。这三种高性能变频其中，第一种控制精度高且性能好，但变频 器系统价格昂贵；第二种和第三种控制精度和性能一般，但变频器系统简单，价 格便宜。 2 3 1 有速度传感器的矢量控制变频器 高性能变频器的主要控制方法是矢量控制，它的基本思想是根据电动机的动 态模型，将用于产生转矩的电流和用于产生磁场的电流进行解耦，然后分别控制。 它主要有调速范围宽，转速控制精度高，在全速度设定范围内转速上升时间短， 转矩控制精度高等特点。 利用有速度传感器的矢量控制变频器驱动电动机时，一般适于单机传动和较 低转速时有较高的动态特性和较高的转速控制精度的场合，如轧钢机传动控制、 货物运输控制、升降机控制和位置控制等。 2 3 2 无速度传感器的矢量控制变频器 无速度传感器的矢量控制交频器的控制模式是在有速度传感器矢量控制模式 的基础上，去掉转速检测环节，通过计算来估测电动机速度的反馈值。利用无速 度传感器的矢量控制变频器一般用于单机传动、调速范围要求不高且低速转矩要 求不高的场合，如风机、泵类和移动装置。虽然控制精度和系统的动态性能和带 速度闭环的矢量控制相比有所下降，但变频器系统简单、操作方便、价格便宜【1 2 j 。 2 3 3 直接转矩控制变频器 直接转矩控制( d t c ) 于1 9 8 5 年由德国学者m d e p e n b r o c k 提出。它摒弃了 矢量控制中的解耦思想，而是通过实时检测磁通幅值和转矩值，分别与磁通和转 矩给定值比较，由磁通和转矩调节器直接输出所需要的电压矢量值。 1 直接转矩控制原理简介 根据异步电机在静止c t 一口坐标下的模型，有 f o d 已廊。i , l p ( 妒，o “，) 一n p 唧，妒。一r 。瓦f 93 、 1d 吵，出a m ，一足妒，) 妒， 怕训 式中：盯a ( l ，l ，一k 2 ) l 。，r ，t r ，l ，l 。+ r ，工，l ，t 为电磁转矩，n ，为 极对数，r ，为定子电阻，r ，为转子电阻，l ，为定子电感，为转子电感，工。为 定转子互感，妒，为定子磁链矢量，u ，为定子电压矢量，i ，为定子电流矢量。 根据上式，只要输入电压矢量存在与定子磁链相平行的分量就可以调节定子 磁链的变化。只要输入电压矢量存在与定子磁链相垂直的分量就可以调节电磁转 矩的变化，且电磁转矩变化的大小与垂直分量和定子磁链的乘积相关。直接转矩 控制技术就是利用异步电动机的这个特性，通过在电动机定子绕组上施加与定子 磁链具有一定夹角的输入电压矢量来控制电磁转矩变化，达到控制电磁转矩的目 的。 2 d t c 控制模式的主要特点有： ( 1 ) 调速范围，在无速度传感器时为1 ：5 0 。 ( 2 1 速度控制精度，在无速度传感器时小于o 5 ，在速度i 孤吓时为o 0 0 1 a ( 3 ) 在全速度范围内，转矩波动为2 额定转矩以下；无速度传感器时转矩上 升时间小于2 m s ，并且在o 5 h z 以下，转矩可达1 0 0 额定转矩a ( 4 1 无预置开关控制模式【1 5 l 。 第3 章p l c 技术 可编程程序控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，因为早期主要应用于开关量 的控制，因此也称为p l c ( p r o g r a r m n a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，即是可编程逻辑控 制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置， 是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。 p l c 自问世以来，经过2 0 年的发展，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。 它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较 好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。 由于p l c 日趋完善，加上系统本身特有高可靠性，较好的抗干扰能力，应该说在 各种设备控制系统中用p l c 比用计算机可靠性更高，维护保养更为方便。因此p l c 在舰艇动力系统及保障系统中应用前景十分广阔，它可以用来对由传统的继电器 一接触器组成的控制系统进行技术改造，如液压泵、主疏水泵、锚机、空压机的 控制系统等，同时也可以用p l c 组成新一代舰船电力推进控制系统【1 0 】。 3 1p l c 的基本组成与各部分的作用 3 1 1p l c 的基本组成 p l c 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构 形式的不同，p l c 可分为整体式和组合式两类。 整体式p l c 是将中央处理单元( c p u ) 、存储器、输入单元、输出单元、电源、 通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的i o 扩展单元与主机配合使 用。主机中，c p u 是p l c 的核心，i o 单元是连接c p o 与现场设备之间的接口电路， 通信接口用于p l c 与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式p l c 将c p u 单元、输入单元、输出单元、智能i o 单元、通信单元等 分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线 相互联系。装有c p u 单元的底板称为c p u 底板，其它称为扩展底板。c p u 底板与扩 展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过l o m 。 无论哪种结构类型的p l c ，都可以根据需要进行配置与组合。 3 1 2p l c 各部分的作用 1 中央处理单元( c p u ) c p u 在p l c 中的作用类似于人体的神经中枢，它是p l c 的运算、控制中心。它 按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务： ( 1 ) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据： ( 2 ) 诊断电源、p l c 内部电路的工作状态和编程的语法错误： ( 3 ) 用扫描的方式接收输入信号，送入p l c 的数据寄存器保存起来； ( 4 ) p l c 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释 和执行，完成用户程序中规定的各种操作； ( 5 ) 将用户程序的执行结果送至输出端。 现代p l c 使用的c p u 主要有以下几种： ( 1 ) 通用微处理器，如8 0 8 0 ，8 0 8 8 ，z 8 0 a ，8 0 8 5 等。通用微处理器的价格便 宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。 ( 2 ) 单片机，如8 0 5 1 等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性 好，很适合在小型p l c 上使用，也广泛地用于p l c 的智能u o 模块。 ( 3 ) 位片式微处理器，如a m d 2 9 0 0 系列等。位片式微处理器是独立于微型机的 另一分支。它主要追求运算速度快，它以4 位为一片。用几个位片级联，可以组 成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。 位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部 分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系 统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的p l c 使用。 2 存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3 种： ( 1 ) 系统程序存储器：和各种计算机一样，p l c 也有其固定的监控程序、解释程序， 它们决定了p l c 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程 序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器r o m 或 e p r o m 。 ( 2 ) 用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用 户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程 序存储器多为可随时读写的r a m 。由于r a m 掉电会丢失数据，因此使用r a m 作用户 程序存储器的p l c ，都有后备电池( 锂电池) 保护r a f t ，以免电源掉电时，丢失用户 程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入e p r o m 。 目前较先进的p l c ( 如欧姆龙公司的c p m i a 型p l c ) 采用快闪存储器作用户程序存储 器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。 ( 3 ) 工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数 据存储在r a i d 中，以适应随机存取的要求。在p l c 的工作数据存储区，开辟有元 件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储p l c 的开关量输入输出和定时 器、计数器、辅助继电器等内部继电器的o n o f f 状态。数据表用来存放各种数据， 它的标准格式是每一个数据占个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值， 如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放 d 转换得到的数字和数学 运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电 时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。 3 i 0 单元 i o 单元也称为i o 模块。p l c 通过i o 单元与工业生产过程现场相联系。输 入单元接收用户设备的各种控制信号。如限位开关、操作按钮、选择开关、行程 开关以及其他些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能 够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时c p u 从输入殃像寄存器读 取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输 出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强 电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。 4 电源部分 p l c 一般使用2 2 0 v 的交流电源，内部的开关电源为p l c 的中央处理器、存储 器等电路提供5 v ，+ 1 2 v ，+ 2 4 v 的直漉电源，使p l c 能正常工作。 电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的c p u ，通常电源封装到机壳 内部；对于模块式p l c ，有的采用单独电源模块，有的将电源与c p u 封装到一个模 块中。 5 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使p l c 的配置更加 灵活以满足不同控制系统的需要。 6 通信接口 为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，p l c 配有多种通信接口。p l c 通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的p l c 或计算机相连。 当p l c 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器 相连时。可将过程图像显示出来；当与其他p l c 相连时，可以组成多机系统或连 成网路，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实 现控制与管理相结合的综合性控制。 7 编程器 编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要 将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管 或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也 可以脱机编程，具有l c d 或c r l 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕 对话。 还可以利用p c 作为编程器，p l c 生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可 以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可 以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到p l c ，也可以将p l c 中的程序上 传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现 在很多p l c 已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信 连接电鲥1 6 1 。 3 2 本系统中可编程序控制器的选取及其特点 3 2 1p l c 系统选型一s l e m e n s $ 7 - 3 0 0 目前p l c 使用性能较好的s i e m e n s 公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的a b 公 司，根据性价比的选择，根据被控对象的i o 点数以及工艺要求、扫描速度、自 诊断功能以及实验室条件等方面的考虑，本系统采用s i e m e n s 公司的s t 一3 0 0 系列 p l c 。 s i k a t i cs t 一3 0 0 系列是西门子公司通用型可编程序控制器，能适应自动化工 程中的各种应用场合，由于它具有多种功能模块和人机界面( h m i ) 可供选择，所以 系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成p l c 网络。同时它具有功能齐全的 编程和工业控制组态软件，使得在完成控制