船舶综合全电力推进系统.pdf

柴油机 D i e s e l E n g i n e!2 0 0 3 年第2 期电控与监测船舶综合全电力推进系统徐绍佐，刘资，顾海宏戈 七 一一研究所，上海 2 0 0 0 1 1)关键词:电力推进;全电力系统摘 要:船铂综合全电力 推进系 统综合现行船舶平台的电力和推进两大系 统，实 现电能综合利用和推进供电一休化、是2 0 世纪9 0 年代推出的一种全新的电力 推进系 统，文中论述并分析了 全电力 推进系 统的结构、模块、吊 舱式推进器 和监控分系 统，提出大力发展现场总线的全电力 推进局域网 和电能管理技术中图分类号:t 1 6 6 4.1 4文献标识码:A文章编号:1 0 0 1 一4 3 5 7(2 0 0 2)0 6一0 0 1 7 一0 4M a r i n e I n t e g r a t e d E le c t r ic P r o p u l s i o n S y s t e mX U S h a o-z u o,L I U Y u n,G U H a i-h u n gK e y w o r d s;E l e c t r ic p r o p u ls i o n;I n t e g r a t e d p o w e r s y s t e mA b s t r a c t:M a r i n e i n t e g r a t e d e l e c t r ic p r o p u l s io n s y s t e m,w h i c h is d e s i g n e d to i n t e g r a t e t h e p o w e r a n d t h e p r o p u l s i o n tw om a j o r s y s t e m s o f c u rr e n t s h i p s p l a t f o r m a n d t o r e a l i z e c o m p r e h e n s iv e u t i l iz a t io n o f p o w e r a n d in t e g r a t i o n o f p r o p u l s i o nw i t h p o w e r s u p p l y,i s a f u l l y n e w e l e c t r ic p r o p u l s i o n s y s t e m d e v e l o p e d i n 1 9 9 0 s.I n t h i s p a p e r,t h e s t r u c t u r e,m o d u l e,p o d d e d p r o p u l s o r a n d m o n it o r i n g s u b s y s t e m o f s u c h a p r o p u l s i o n s y s t e m i s d i s c u s s e d a n d a n a ly s e d,a n d i t i s p r o p o s e d t od e v o t e m a j o r e ff o r t t o d e v e l o p i n g t h e t e c h n o l o g i e s o f i n t e g ra t e d e l e c t r i c p r o p u l s i o n n e t w o r k s a n d e l e c t r i c e n e r g y m a n a g e m e n t1 引 言 船舶电力推进己有近百年历史，由于受各种因素制约，发展缓慢，且大多数只应用在特种船舶上从8 0 年代起，供电系统、推进电 机和微电子 及信息技术的迅猛发展，使船舶电力推进装置加快了发展步伐，打破了长期徘徊局面;变频技术在船舶 匕 的实际应用，使电力推进装置取得了突破性进展。随着技术进步，提出了 发展综合全电 力推进系统概念，将船舶的电力系统和推进系统组成一个整体，把动力机械能源转化为电力，提供给推进设备和船 卜 其它设备使用，使船舶口用供电和推进供电一体化，实现能源的综合利用和统一管理。船舶综合全电力推进系统包括:发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理，是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合;它不是电力推进加自 动电 站的简单组合。而是从概念到方案、组成、配置、技术等方面均发生重大变化，给末来的船舶带来 一 场革命。2 全电力推进系统的结构及模块 美国海军于 1 9 9 4 年提出的综合全电力系统(I P S),是将推进用电和非推进用电合二为系 统采用模块化结构和区域配电，以区域配电 实现“区域持续作战”的电 源构想。图1 为1 P S 系统结构框 图。工 P S 系统由发电和推进分系统、日 用配电 分系统、区域配电分系统、系统监控分系统等组成，推出发电、推进、配电、变电、储能、负载电力 控制等一系列功能模块。I P S 模块是根据各类舰(船)的要求而确定，不是针对某一舰(船)型，各类功能模块均自成系列，并制定了各模块系列的技术规格。模块设计文件附有全部接口标准，包括模块与模块之间的电力接n 和监控接口 标准以及模块与外部系统接口标准 大部分I P S 模块均配置 个局域控制器，能自动控制模块内部动作功能，并把由系 统级协调的功能信息传输给相邻最高级别的控制器。模块主要控制功能如下:a.接收较.0 t 级别模块或监控台命令;b.输出控制状态信L l;c.故障自动检测、隔离和重新配置:d.输出与较高级别模块或监控台 提供的与待收稿日 期:2 0 0 2-0 7-0 9一 1 7.一万方数据徐绍佐.刘 侨，顾海宏:n,!舶综合全电力推进系统配电额 一 致的电力管理信急 ;e 提供显示 与打印能力。万 一 赢 熟 厂-_ 一 1一一一进 摸块发电梢块 卜 一 卜配电棋块4i 簇ffM A发 电，推进 分系统.|lesesL外 部接 日夕 卜 翻接 口图I I P S 系统结构图3 综合全电力推进监控分系统 综合全电力推进监控分系统包括电力管理、故障处理以及系统人机接口。系统级电力管理对发电管理和推进负载及非推进负载之间进行协调，分配电力负载:启动备用发电模块;监控用户接口，执行优先等级卸载程序;按优先等级次序将负载重新并入系统;关闭发电模块。人机接日 要求获取全部模块的实时信息:发送控制指令、传递信息数据;提供操纵运行，监视测量、信号报警、受控状态、系统诊断和故障隔离能力;支持多功能、多窗口的图形显示和打印记录能力。系统网络要求分为两个层次:第一层(下层)为冗余的监控网，即各分系统均为独立的控制层，第二层(上层)为信息网，即全系统内各模块的数据通讯和系统管理层，并对来自第一层次的各模块数据实施监视与记录。系统还设置与全舰网络通讯的接口，形成更大的系统。网络的主流品种为现场总线系统。现场总线系统在技术上具有以下特点:a.开放式结构，不同模块均可与相同通信标准的其它模块互联:b双重冗余监控网络，实时诊断能力强，数据传输可靠，当网络部分损坏时，系统仍能止常工作;c分散式监控系统，结构简化，模块连接和信号往返传输减少，提高了系统可靠性;d.系统配置灵活，通用化、系列化和组合化程度高，可满足各类舰船应用环境的需求;c.实现模块级智能化，数据采集、信号处理、逻辑控制和指令输出都可在一个“节点”内完成:f设计和安装的工作量少、供货周期短、维护1 8一万方数据徐绍休，刘资，顾海宏:船舶综合全电力推进系统具转简便4、全寿命的总投资大幅下降。吊舱式推进器2 0 世纪9 0 年代，A B B,AL S T O M,实际应用，打开了电力推进发展史上新的一页，有极为重要意义。吊舱式推进器包括推进电机、换器、滑环装置等在内的整体推进装置。图2 和图3S I E M E N S 等示 出了 该 装置 系 统结 构 原 理图 和结 构 示 意图 了公司先后推出了吊舱式推进器，并在民用船舶上图z吊舱式电力推进装皆的系统结构原理图空气冷却器箱火 日P 0滑环装置操纵 电机回转轴承内部密封健 疏水 室产 一 空气流内部密封者 外部密封螺旋浆接地装置制动和闭锁装置径 峭 由 承图 3吊舱式推进器结构示意图吊舱式电力推进装置主要由下列部套式设各组成a.发电机组;b推进电机;c.滑环装置及相关的冷却器;d.转换器;e.主配电板:电力管理、滤波、动力定位、综合监控等配套件。A l s t o m 公司生产的 M e n n a i d 吊舱式推进器有1 9一万方数据徐绍佐，刘赞。顾海宏:船舶综合全电力推进系统下列二种类型(如图4 所不):a.牵引式(P u l l i n g)适用于高 速双螺旋桨船，如客滚船和豪华游船:b.顶 推式(P u s h i n g)适用于中 速单 螺旋桨船;C.高 推)i 1 推式(H i g h T h r u s t P u s h i n g),适用于需要大拉力的低速船，如拖轮、近海工程船和海洋 平 台。线。操 作 系 统 采 用 V,W O R K S 实 时 操 作 系 统o V A T与S C C 之间为冗余以太网通讯,V A T 与 E S D 之间为冗余的现场B I O总线。对外设可选择冗余的R S 一2 3 2 或 R S-4 8 5 o V A T 具 有较复杂的对各种通讯协议及兀余功能的实时处理和协调功能。远程I/O 模块E S D 是个V A T 控制的远程输入输出装置。它最大可插2 0 块1/O 电路板。E S D 包括:光电隔离开关量输入板、光电隔离开关量输出板、模拟量输入板 电压型和电流型),P T-1 0 0 热电阻输入板、K 型热电偶输入板、脉冲输入板、气电伺服控制板、模拟量输出 板、继电器输出 板等1/O 板。5 结束语图4 Mc r m a i d 推进器类型 Me r m a i d 吊舱式推进器的监控装置采用A l s t o m公司的O P S Y S 系统，为开放式结构。由标准硬件和软件组成的开放式控制和监测系统，配置4 种标准功能模块和双兀余高速通讯网络，标准模块为S C C,S C L.V A T 和E S D 4 种类型，机箱为1 9“欧洲标准型式 ,1,臾监控站模块S C C 通过一台中央T作站对整个系统的各种设务进行监测和控制，包括图形和曲线显示、报警、打印、冗余通讯处理等 操作系统采用Wi n d o w s 一 N T.现场监控显示终端S C L 模块由 一台与 P C 兼容的工业型 或军用型)计算机和平板显示器组成。S C L 具有测量数据的处理、列表、报警以及控制命令和控制参数的传输等功能。数据处理模块、P.T 由实时计算机系统组成的数据采集和处理模块 它的电路板总线采用C ME 总 船舶的电力推进近些年来取得了长足的进步，在民 船领域，电 力推进技术的发展已 相当成熟，应用范围 十分广泛;采用带 变频器的 交流推进技术成为当前的主流;未来的发展趋势是采用以 模块化多相永磁同 步电 机或先进异步电 机为 基础的 交流推进技术 在军 船领域，电 力推进正从 潜艇向 水面舰船应用的方向发展，已 们代表了 海军舰艇2 1 世纪的发展方向。参考文献 t 李翼昌 译，北约对全电力舰的研究报告未来的解决 方案 J l.A外舰船工程,2 0 0 1 0)2 K L i v e ly.A d v a n c e d c o n t r o l c o n c e p t f o r a n in t e g r a t e d p o w e r s y s t e m(I P S)w a r s h i p I N E C 2 0 0 0 3 徐绍佐，顾海宏.舰船电 力推进监控系统 r .论证与研 究,2 0 0 0 0 l)引 7 1 1 研究所.赴欧洲电 力推进和监控系统技术考察报告.2 0 01.1 1*木*(上接第2 5 页)制释放电阻的接入释放能量。保护脉宽的大小决定放电的速度 参考文献川 A J Mit c h a m.M o t o r s a n d D r i v e s f o r S u r f a c e S h i p P r o p u l-s i o n a t C o n f e r e n c e o n E l e c t r i c P r o p u l s i o n.T h e E f f e c t i v e S o l u t i o n.I m a r E(5 一6 O c t o b e r 1 9 9 5)2 D W e b s t e r.A s u b m a r i n e s t a t i c p o w e r c o n v e r te r#-t h e b e s t p r o g r a m e r.T r a n s I m a r E,V o l 1 0 7,P a r t 2,(1 9 9 5)3 胡崇FE主编.现代交流调速技术 M .机械工业出版社，1 9 9 8 A 吴安顺等主编.最新实用交流调速系 统 M 、机械工业出 版社，1 9 9 8 5 金德昌等编著.船舶电力推进原现 M .国防I _ 业出 版社，1 9 9 3 6 周黎，崔为耀译.全电力推进舰船迎接未来挑战 J .国外舰船 L 程，2 0 0 0.7 7 史麟A.对ON推进系统发NP IP AA 与)XV的若干认i,K U .舰船工程研穷。2 0 0 0.1一 2 0一万方数据