第四章能量及推进控制

1、第四章 动力和推进控制教学目标：1、动力和推进层次的控制；2、控制用户界面；3、控制功能；单元一 控制层级介绍图4.1表示了动力和推进装置系统的现代集中监控与保护系统，它的具体功能的实现如图4.2的控制层级。 图4.1：船舶综合控制系统一般布置图状态及测量参数的显示、控制命令的输入、警报的处理等人机交互界面由控制台上的图表用户界面、按钮等实现。控制台设在驾驶台、机舱集控室等处。系统级控制器设在控制站或可编程序逻辑控制器上。它们可以是集中控制的或局部控制的计算机，取决于船舶的设计。在这些控制器上可以找到能量管理单元，如动力管理，全船失电预防功能，启动或重置顺序控制。鉴于独立测试，反应时间的要求和

2、卖主责任的需要，有必要对设备设置低级快速控制，监测和保护。下面就是快速控制功能和主要基本安全功能的实现。它们通过电缆或现场控制信号界面与系统控制部分相连。图4.2：动力装置的控制层级单元二 用户界面用户界面，以驾驶台控制台和监视器为代表，是船员对动力和推进装置监控的界面。船上越来越普遍地采用几年前盛行的指示灯和按钮式的图形型用户界面。这样允许用更具有弹性且更经济的方法，但同时也对制造商与用户定义和设计良好的用户界面带来了很大的挑战，好的用户界面必须综合人考虑安全问题，设计的合理性和易于获得必要的，要求的信息。单元三 高级控制功能4.3.1 动力管理能量管理在电力装置系统、船舶自动处理系统和定位

3、系统中，自动系统的各个部分控制着它们各自的动力系统，例如，动态定位系统控制侧推器的运转，卸载控制系统控制货物泵的运转，程序控制系统控制压缩机和加热/制冷系统等。所有动力装置的联系之处就是动力分配系统。由于启动时的冲击、浪涌冲击、负荷的变化以及电网谐波影响，负载与发电机会相互地作用与影响。对动力系统的最佳操作与控制是很有必要的，以实现安全操作并保证燃料消耗最低。能源控制系统（能源和动力能量管理系统），它总体上监控着动力能量系统，它把动力、自动和定位系统综合在一起。动力管理系统的目的是确保有足够的可用功率满足实际工况。它通过负荷的监测和动力系统与发电机的设置状态来达到。如果可用功率变得很小，不管是

4、由于负荷的增加还是运行发电机的故障，动力管理系统都会自动地按启动次序启动另一台发电机。动力管理系统还可以有这样另外的功能，通过监控使得运行中的设备达到最佳的燃料利用率。这种系统又称为能量管理系统。对于动力管理系统和能量管理系统的主要功能可以划分为以下几类：· 动力能量（电能）的产生管理：频率与电压的监控，有功负载与无功负载均分的监控和随负载变化的发电机的启动与停止控制。由于逻辑控制与联锁功能是配电板设计的关键部分，故这些系统的控制作用要一致。· 负荷管理：负荷功率监测和其他系统功率限制作用的协调，卸荷和大功率负载的启动联锁都必须建立在可用功率监测的基础之上。· 分

5、配管理：能量配送系统重置的结构和顺序控制。动力配送系统应合理设置以满足船舶实际工作状态下的需求。新一代生产船舶和钻井船舶或平台拥有一套先进的保护与替换理论的复杂的动力能量系统布置。功能性设计和能源控制系统（能量管理系统）与动力能量保护系统的性能之间有着密切的关联。对于所有有关的由不同厂商生产的各部分要想做到最佳的功能匹配是十分困难的，同样对于船厂要负责所有部分的一致也是一种挑战。在一个电力推进系统中，全船失电是可能发生的最严重的故障。各种防止全船失电的机械装置都与动力能量管理系统相连，像自动启停功能，自动减小或切除动力和其他负载，和非关键负载的卸除。图4.3表明了一个典型装置的协调图表。正常情

6、况下，可用功率被控制在自动启停的界限之间，但是一旦负荷突加或发电机跳闸，可用功率就会减少。通过检测负荷的平衡状态或电网的频率，减载或卸载功能就会生效，减小负载保护发电机直到另外的发电机启动且并网。由于全船失电有时会发生，一般会需要一个控制启停顺序的系统和电力系统的重新设置。这些都在系统控制级中实现，包括发电机的启动顺序和适时的同步合闸并网。一般来说还有一套预定义的工作模式，如营运模式，定位控制模式，机动航行模式等，能对电力系统的重置进行自动顺序控制。图4.3：全船失电预防功能协调图表的例子 船舶管理所谓船舶管理，一般包括船舶辅机和辅助系统的手动控制、自动控制和半自动控制，比如阀件、加热、通风、

7、空调系统、压载水控制、货物控制等。同时报警系统、值班呼叫系统和安全系统也可能集成在船舶管理系统中。大部分功能一般都可以在驾驶台监控或在机旁监控或在集控室监控。4.3.3 推进和动态定位推进控制系统一般包括以下几个部分：· 手动侧推控制系统可以对侧推器或螺旋桨单独控制。· 自动航行或自动舵系统表现为营运时自动保持和改变航线，通常与跟踪功能相结合。假如船舶要定位模式运作，可以是下面任一种：· 动态定位系统可以通过侧推系统的适当运转实现人工或自动定位。· 侧推器辅助系泊系统为锚泊船舶的定位和航向提供手动或自动侧推帮助。本节的目的并非详细介绍这些控制系统，若想了

8、解详情请看【71】。必须强调的是，大多数情况下，推进和定位控制功能对船舶的安全操纵是极其关键的。显然有必要认真考虑它们的设计，但是设计者决不能低估这些控制功能与其他系统的匹配与测试的必要性，比如动力/能量管理系统、配电板的底层控制器和推进驱动器。4.4 底层控制功能底层控制器可以分为保护和控制两大功能。保护装置能检测系统故障以防超过设计限制。底层控制器是基于该目的设计的专用控制器，通常与设备做成一体。4.4.1 发动机的保护和调速器发动机的保护装置在发动机超速、过热、润滑不良等如发生时停机保护。发动机的保护装置通常是发动机整体的一部分，由制造商提供或者在一定程度上与船舶管理系统结合在一起。调速

9、器通过控制原动机的喷油量来调节发电的频率，如图4.4。它可以是所谓的速度降型，稳定状态的频率会随有功负载正比地变化。速度降模式是使两台并网运行的发电机均分负荷的简单而有效的方法。但是随负荷变化的频率会使发电机之间或不同的电网间并网困难。负荷变化时的频率变化是我们所不想要的。同步调速器包括一个有积分功能的调节器并使频率等于设定值。发电机调速器之间的信号，无论是线传输的还是高速总线通信的，都必须确保原动机之间合适的负荷分配。大多数电力推进装置中的调速器有两种可用模式。图4.4：发动机调速器，速度降和同步控制模式图表4.4.2 自动电压调节器自动电压调节器，简称AVR，通过控制通入发电机励磁绕组的励

10、磁电流来调节电压。像调速器一样，电压调节器可以以速度降模式控制，这意味着电压随负荷有一定的变化（±2.5%）。这使得并联运行的发电机可以有效而简单地均分无功负载（千乏），这是发电机负荷均分的必备条件，并且电压的变化一般不会影响并车和其他功能。当有些场合不允许用速度降来控制电压变化的请求时，有下列方法可以减少或避免随负荷而变化的速度降：- 电压降补偿：调节设定值以部分或全部地补偿电压降。这应与交流补偿相结合，交流补偿是通过降低发电机之间负载电流之差以均分无功功率的。- 积分控制器：自动电压调节器或动力能量管理系统可能包含有一个积分控制器，它根据负荷来调节电压设定值从而避免静态电压偏差。

11、图4.5：速度降控制时的发电机并车需要同时调节电压调节器（AVR）以均分无功负载 保护继电器在电力装置中，保护设备和继电器用来保护人命安全以防在电力系统的故障中受伤，同时防止或最大限度地降低设备因误操作而导致的损坏。如果消除故障（如短路）的时间能被缩短，设备的损坏将会大大降低。保护继电器通常位于配电盘上，有时在特殊控制和保护面板上。有一系列的型号和功能以适合不同的要求。现在，数码可编程保护继电器的应用十分普遍。数码继电器有一系列保护功能，它们可以单独或综合应用于特殊的保护需要。基于电流、电压、频率等的测量值，当今保护装置可以依赖测量值的幅值来编程控制在预设的时间里去断开系统中相关部分或设备。保

12、护功能和特性由ANSI/IEEE和IEC等标准来定义，也有可能做相应的变化。在ANSII C39.90标准的保护功能和装置列表中，包括了一般工程应用的要求。该系统可以用在线路图、手册和说明书中。保护方案会根据操作需要和系统设置而有所不同。一个典型的保护方案应包括以下功能：配电盘：§ 欠压或超压，典型的只报警§ 低频或高频，典型的只报警§ 接地故障，跳闸还是报警根据接地原理§ （差分）微分或其他快速短路保护发电机：§ 过电流和短路§ 接地故障§ 逆功率§ 逆序§ 欠压或超压§ 频率过高§

13、 欠励或过励或容性无功功率§ 变压器内部冲击时的差分保护§ 原动机输出转速的同步检测母线连接开关和馈电板§ 短路可能包含在发电机保护中§ 接地故障§ 同步检测§ 微分保护（在环行网络结构中）变压器馈电线：§ 过电流§ 短路§ 过热§ 接地故障§ 欠压§ 有时，尤其对大型变压器，微分保护电动机馈电线：§ 过电流§ 短路§ 接地故障§ 过热§ 逆序§ 电动机启动：堵转，I2t，启动次数§ 接地故障§

14、欠压合理的保护方案的设计和设定就是权衡尽快切除故障设备和切除最少故障设备。后者的要求通过选择性或保护装置协调性的研究来实现。这些研究的目的是保护和向船员、船东证明已经设计在电力系统中的这种选择性。在试车和常规维护时正确的安装和确保安装的正确性对船舶的安全运行是十分必要的。错误的安装或校准的不合适可能会导致不可预料的后果甚至少数情况下的全船失电。由于保护继电器在正常的操作时不动作，对它们的定期测试以确保其正确的功能和合适的校准也是很有必要的。举个例子，短路和过电流保护继电器的例子。这些继电器的特性和设置见图4.6。在横坐标电流轴上，描述了正常的负载，过载，短路电流水平。典型地，所连接用电设备常规

15、标定为额定正常负载范围。有些设备有过载范围，允许短时过载。在这张图表中，反时限电流保护形状描述了过载区域，即电流越大，允许时间越短。有几种反时限电流保护来适应特定的要求。在高的过载电流下，保护继电器可以瞬时跳闸，也可短延时跳闸，如图所示。如果下层分支没有可选用的连接， 如推进用变压器，瞬时跳闸方式会被用在短路电流保护中。 还为启动瞬态设置了一个点，可以是电机启动电流，也可以是变压器浪涌电流。这个点必须在设置曲线的里面（左侧），确保设备供电，继电器不产生跳闸信号。图4.6 简化的短路/过载继电器设置曲线，展示电流幅值和时间的关系图4.7 展示一个设置例子。此船备有两台发电机，每台接在一个配电板上

16、，两个配电板通过总线（汇流排）开关相连，有一个变压器。如图所示，通过调整发电机、汇流排连接开关、变压器的保护继电器的时间和电流保护限值，可以获得系统的选择性切除，也就是说，保护继电器会先切断变压器开关，不行再切断汇流排开关， 最后再切断发电机开关。图4.7 保护设置图，系统中含分成两段的汇流排，两台发电机，一台三绕组的变压器4.4.4推进控制器如前面所解释，推进通常控制的是速度。推进控制器的作用是在速度和扭矩限制范围内及动态条件保持设定速度。推进控制器正常情况下跟以下系统相接，侧推/推进系统，能量产生和分配系统及能量管理系统，桥楼控制系统（驾驶遥控系统、自动航行系统，动态定位系统）。因为推进能

17、量正常情况下是电站总负荷的主要部分，因此必须有自动降负荷功能及防断电功能，并与电站设计和能量管理功能高度协调一致。基于总体防失电考虑，及不同负载的优先级，可以制作一个像图4.3 那样的完整的协调一致的图表。因为反映时间对预防失电非常关键，对自动降负荷的定时非常关键。典型地，推进控制器在预防断电的逻辑中包括三级自动降负荷。§ 能量管理系统从可用电网功率可以计算出最大负载限制，或从测量中得出。根据能量分配或能量管理系统设置的优先级，得出马达驱动最大的功率负荷。§ 快速动作，事件触发的降低负荷，典型的做法是一个数字信号驱动马达降负荷到一个预设的比例水平和某个预设的绝对值。这个信号可能来自能量管理系统，也可能来自配电板内的保护/控制设备。§ 快速动作，频率触发的降低负荷，仅依据本地驱动器供电频率测量。在预防由于发电机过载导致的欠频跳闸失电的逻辑保护中，这一般被认为是最末端的保护。船级社要求推进系统及相关辅助设备要有安保和监控功能。根据船舶总体设计，监控和故障