第４期（总第１９７期） 机械工程与自动化 ＮＯ．４ ２Ｏ１６年８月 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＩ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ Ａｕｇ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１６）０４—０１７９—０２ 一种模拟船舶发电机调速控制系统的设计 胡 清 ，沈 兵 ，高中德 ，陈 深 （１．海军工程大学电气２１２程学院，湖北 武汉４３００００；２．安庆中船柴油机有限公司，安徽 安庆２４６００５） 摘要：简述了模拟船舶发电机调速系统的原理，用交流电动机替代发电机的原动机，通过ＰＩ Ｃ控制变频器 调节电动机的转速来模拟柴油机的调速特性。论述了调速系统的控制单元ＰＬＣ和执行单元变频器的硬件设 计，并对调速系统的控制流程进行了分析，编制了ＰＩ ｃ程序。 关键词：调速控制系统；ＰＬＣ；变频器；发电机 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ ０ 引言 策略来看是闭环控制系统，由于电网中电力负载的变 船舶运输具有低成本、运输量大的特点，使其成为 化使柴油机转速发生波动，以用户希望得到的转速与 国际贸易中的主要运输方式。随着科学技术的发展， 转速反馈单元即磁电传感器反馈回来的实际转速的差 船舶向大型化、专业化、自动化方向发展，对整个船舶 值作为调速控制器的输入量，在控制器内进行逻辑运 电力系统的要求也越来越严格。在此条件下，单靠理 算，将控制结果输出到执行器中；在调速系统中执行器 论知识进行船舶操控是完全不够的，还需要加强实地 往往是小型电机，电机的正反转带动柴油机的油门齿 操作培训。但是目前让每一位学员都上船实训显然不 条来回移动以此来使油门增大、减小进而改变供油量， 现实，学员的失误甚至可能导致设备损坏，造成生命财 柴油机转速随之变化。 产损失。因此，实况模拟显得更加具有可行性和实际 操作性。而轮机模拟器和半实物模拟电站口 就能满足 这一要求，而且它效率高、成本低、安全可靠，因此，不 少航海院校及船员培训机构引进半实物模拟船舶电站 等设备，取得了良好的教学和实验研究效果。 本文主要介绍模拟船舶电站系统中的船舶发电机 调速系统。 １模拟船舶发电机调速系统 １．１模拟船舶发电机调速系统的结构 调速器按照结构特点通常分为传统的机械式、液 图１模拟船舶发电机调速系统结构简图 压式以及目前广泛推广的电子式。机械式调速器由于 １．２模拟船舶发电机调速系统的工作原理 其结构简单、成本较低被广泛使用，但存在着机械延时 在实际船舶中，轮机员一般通过调节发电柴油机 效应。电子调速器虽然成本相对较高，但其体积小巧、 的油门大小来调节转速以保证船舶电网的稳定 ］。在 调速反应及时、控制效果突出，因此在调速精度要求高 半实物模拟船舶电站中交流电机作为原动机，因此保 的场合普遍使用电子调速器。电子调速器和柴油发电 证船舶电网的稳定需要控制电动机的转速增、减使得 机配合使用便形成了现代化船舶广泛使用的电子调速 电网频率、功率与负载功率相平衡，模拟船舶发电机调 系统。调速系统的基本组成可按照其作用分为调速控 速系统的工作原理如图２所示。 制器（控制单元）、执行器（执行单元）、柴油机燃油泵 在船舶发电机调速系统中，ＰＬＣ是系统的控制核 （被控单元）和转速传感器（反馈单元）。模拟船舶发电 心，由用户界面发来的启动、停止和调速指令经ＰＩ Ｃ 机调速系统结构简图如图１所示。 处理运算后通过输出转速指令给执行单元变频器，完 目前船舶上使用的柴油机电子调速系统按照控制 成对电动机的增速和减速等操作，安置在电动机转轴 收稿日期：２０１５—０９—２９；修订日期：２０１６—０５—０３ 作者简介：胡清（１９６７一），女，安徽安庆人，高级工程师，本科，主要从事船舶电气设计工作。 · １８Ｏ · 机械工程与自动化 ２０１６年第４期 上的转速传感器实时测量电动机转速，该信号与维持 电网５０ Ｈｚ频率所需要的电动机转速１ ４５０ ｒ／ｍｉｎ一 起作为ＰＬＣ的输入信号。 图２模拟船舶发电机调速系统工作原理图 ２模拟船舶发电机调速系统硬件设计 ’ ２．１控制单元 本控制装置选用ＰＬＣ控制异步电动机的调速系 统，具有调节速度快、调速精度高的优势，在船舶电网 负载突然增加或减少时可以迅速响应，保证电网频率 的稳定，最大可能地减少因电网频率波动造成的电器 故障。其次，ＰＬＣ控制对控制环境要求较低，可以适 应船舶高温、震动等恶劣的工作环境，工作可靠。而且 ＰＬＣ控制器维修简单，具有自我诊断功能，现场调试 和维护方便 ］。因此，将ＰＬＣ技术与电动机调速技术 结合符合船舶电站半实物模拟装置调速的要求。 根据船舶发电机调速系统的功能要求及复杂程 度，兼顾系统的经济性和可靠性，本系统选择较为简单 可靠的西门子￥７－２００系列ＰＬＣ作为控制单元。系统 含６个输人接口、８个输出端子，所以选择ＣＰＵ２２６的 ＰＬＣ作为程序控制主机。 ＣＰＵ２２６包含２４路输入／１６路输出，共４Ｏ个数字 量Ｉ／Ｏ，可根据系统需要增加７个扩展模块单元使其 扩展至１６８个数字量输入输出接口和３５路模拟量输 入输出接口。此型号ＰＬＣ具有ＲＳ一４８５通信／编程口， 用来支持完成系统程序和数据的高速传输。 ２．２执行单元 变频器是一种按照使用要求把标准工频电源转变 为具有符合用户需要的频率和电压的交流电源 ］，以 此来控制电机转速的装置。本文选择了小型通用型安 川变频器ＶＳ一６０６Ｖ７。 Ｖａｒｉｓｐｅｅｄ—Ｆ７变频器的优点主要为：①启动力矩 大，软件程序丰富；②具有优良的制动性能；③具有自 学习模式，能够确保电机始终工作在最佳状态；④能够 从１／１００低速开始输出高启动力矩；⑤增加了脉冲指 令输入，脉冲监视。 因此，本控制系统采用安川Ｖａｒｉｓｐｅｅｄ—Ｆ７系列实 现交流电机的转速控制。由于在实验室中所使用电动 机的额定电压是３８０ Ｖ，因此该系统选购４００ Ｖ级本 系列变频器。 ２．３被控单元 长期以来，由于直流电动机具有良好的调速特性， 在调速性能要求较高的工业场合，直流电动机的应用 占据着主导地位，交流电机的应用少之又少。但是直 流电机存在结构复杂、体积较大、制造相对困难、制造 和维护成本高等缺点，使得电动机的最高转速受到限 制，无法适应某些特定场合的要求。而交流电机在同 体积下的输出功率比直流电机大约提高了１Ｏ 甚至 可达到７Ｏ ，并且由于转子惯量较小，使得动态响应 更好。尤其是在变频调速技术出现以后，交流电机的 调速性能产生了质的飞跃，三相交流异步电动机作为调 速系统的被控单元被广泛应用于目前的工业控制领域。 完整的调速控制系统电路接线图如图３所示。 Ｌ１ Ｔ１ Ｌ２ Ｔ２ Ｌ３ Ｔ３ Ｐ（ ４ＣＮ 变 ｓ１蠢 Ｅ Ｓ４ Ａ２ ＡＣ ＳＣ Ａ３ ＭＡ ＡＣ ＭＣ 图３调速控制系统电路接线图 ３模拟船舶发电机调速系统的软件设计 ３．１控制流程设计 船舶在运行过程中，船舶电网的稳定关系到船舶 所有电力设备的正常运转。假定当船舶空调、制冷、照 明等负载增加时，原动机无法带动发电机，因此发电机 转速降低并导致电网频率减小，若电网频率过低会造 成空调、照明等功能故障甚至损坏电力电子器件，所以 此时需要增加原动机即电动机的转速。电动机转速下 降时，旋转编码器和ＰＧ卡组成的测速单元测量实际 转速，并将实际转速送至ＰＬＣ内部与１ ４５０ ｒ／ｍｉｎ比 较，使变频器改变参数进行调节直到转速达到１ ４５０ ｒ／ｍｉｎ。以船舶电网负荷突然增加为例说明发电机调 速过程，其控制流程如图４所示。 图４模拟船舶发电机调速控制流程图 （下转第１８３页） ２０１６年第４期 机械工程与自动化 · １８３ · 参考文献：［１］梁昌雄， 袁善齐．热等离子体技术处理处置危险废物综述 ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ １２～ｐ．ｈａｓｅ ＡＣ ａｒｃ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００８，１４４：３１７－３２３． ［ｃ］／／中国环境保护优秀论文集．北京：中国环境科学出 ［４］ 卜晓红，王玲桃．超高压六相交流输电线路稳态运行特性 版社，２００５：１６２０—１６２３． 分析［Ｊ］．电力学报，２０１３（１）：９－１２． ［２］Ｙａｏ Ｙ，Ｈｏｓｓａｉｎ Ｍ Ｍ，Ｗａｔａｎａｂｅ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ａ ｍｕｌｔｉ—ｐｈａｓｅ ［５］唐俊刺．六相输电系统变压器的纵差动保护［Ｄ］．天津：天 ＡＣ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎ－ｆｌｉｇｈｔ ｔｈｅｒｍａｌ 津大学，２００９：６－１０． ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｒａｗ ｇｌａｓｓ ｐｏｗｄｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ［６］吴清华，张彼德．空载变压器的励磁涌流研究［Ｊ］．电力学 Ｊｏｕｒｎａｌ，２００８，１３９：３９０—３９７． 报，２０１０（１）：３７—３９． ［３］ Ｙａｐ Ｙａｏｃｈｕｎ，Ｙａｔｓｕｄａ Ｋａｚｕｙｕｋｉ，Ｗａｔａｎａｂｅ Ｔａｋａｙｕｋｉ， ［７３许建亚，刘晓红．ＴＩＧ焊机高频引弧器工作性能试验研究 ｅｔ ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎ—ｆｌｉｇｈｔ ｍｅｌｔｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ［ｃ］／／第二届中国北方焊接学术会议论文集．西安：陕西 ｇｒａｎｕｌａｔｅｄ ａｌｋａｌｉ—ｆｒｅｅ ｇｌａｓｓ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ 省机械工程学会焊接学会，２００１：４． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｅｓｔ ０ｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｉｘ－ｐｈａｓｅ ＡＣ Ａｒｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄｅｖｉｃｅ ｓｕ Ｙｕｎ－ｂｏ，ＳＵＮ Ｚｈｉ－ｘｉｎｇ，ＬＩ Ｚｈａｎ－ｘｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ＡＣ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｓ ｕｎｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｊｅｔ ｉｓ ｓｈｏｒｔ，ａ ｓｉｘ ｐｈａｓｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｉｘ ｐｈａｓｅ ＡＣ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｔｈａｎ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ＡＣ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｐｒｏｄｕｃｅ ａ １ａｒｇｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｓｍａ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｉｘ－ｐｈａｓｅ ＡＣ ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ａｒｅ ｐｌａｓｍａ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｉｅｔ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｘ－ｐｈａｓｅ ＡＣ ｐｏｗｅｒ；ａｒｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｖｉｃｅ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ （上接第１８０页） 的重要组成部分之一，其调速的质量直接影响到产出 ３．２模拟船舶发电机调速系统梯形图设计 电能即船舶电网的稳定性，而半实物模拟电站电网频 模拟船舶发电机调速系统梯形图如图５所示。 率的稳定性关系到轮机培训及教学质量。因此，发电 ４小结 机调速器的研究与开发具有很重要的经济价值和现实 船舶发电机调速控制系统是船舶电站自动化控制 意义。 ！曼 些要！曼竺 ０．１ １０．２ Ｍ１．０ ／卜 ／卜 ） （ａ）上电初始化 （ｂ）手动控制 ～． ． ．． ． ．． ．． ． ～ ３ Ｍ０．２ （ｅ）自动控制 （ｄ）发电机控制 图５模拟船舶发电机调速系统梯形图 参考文献： ［ｊ］蔡行键．深入浅出西门子ｓ７—２００ ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北京航 ［１］贾智斌．发电机组教学仿真模型的研究［Ｊ］．中国电力教 空航天大学出版社，２００３． 育，２００６（３）：３２—３４． ［４］姚绪梁．现代交流调速技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工程大 ［２］王超．船舶柴油发电机组的半实物仿真平台研究［Ｄ］．大 学出版社，２００９． 连：大连海事大学，２０１３：２５—３０． ＤｅｓｉＩｌｎ Ｏｆ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍａｒｌ’ｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＨＵ Ｑｉｎｇ 。ＳＨＥＮ Ｂｉｎｇ 。ＧＡＯ Ｓｈｅｎ－ｄｅ ，ＣＨＥＮ Ｓｂｅｎ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ；２．Ａｎｑｉｎｇ Ｃ＆ＳＣ Ｄｉｅｓｅｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏ．，Ａｎｑｉｎｇ ２４６００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍａｒｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｕｓｉｎｇ ＡＣ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｈｉｐ．ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｇｒｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＰＩ Ｃ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ ａｎｄ ｅｘｅｃｕｔｉｎｇ ｕｎｉｔ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｌｏｗ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ＰＩ Ｃ ｌａｄｄｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｅｄ ｅｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＰＬＣ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
