船舶电力推进系统的原理【船舶电力推进监视系统综述x】

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船舶电力推进监视系统综述

摘 要

电力推进在船舶推进方法之一。经过近百年的发展，现代电力电子技术和大功率交流电机变频调速技术日益成熟，船舶电力推进技术也有着非常广泛的应用。船舶电力推进技术的发展，使用电力推进技术船舶的发电量和推进功率等级也越来越高，对电力的使用量也越来越大，加上船舶工作环境本身的恶劣性，特殊性，对电力推进监控系统的可靠性、操作性、系统结构的高度分散性、现场环境的适应性提出了更高的要求。

为了满足需求，计算机控制技术、信息技术和网络通信技术在电力推进监控系统中得到广泛应用，电力推进监控系统正逐步向集成化、模块化和智能化发展，这使得船舶监控系统越来越完善，监控系统越来越复杂，技术含量也越来越高，船舶的安全性能也越来越高。

论文旨在分析船舶电力推进监控系统的功能要求，硬件组成，软件组态，体系结构以及船舶电力推进监控系统关键技术，以及系统的应用前景的介绍。

关键词：电力推进，电力推进监视系统，智能化

Abstract

Electric propulsion is one of ship propulsion methods. After nearly 100 years of development, modern power electronics technology and high power ac motor frequency control technology is becoming more and more mature, Marine electric propulsion technology has also been widely used. Ship electric propulsion technology development, the use of electric propulsion ship power and propulsion power is becoming more and more high grade, usage of electricity is becoming more and more big, plus shipping work environment itself , particularity, the reliability of electric propulsion monitoring system, practical, highly decentralized system structure, the environmental adaptability of higher requirements are put forward.

In order to meet the demand, the computer control technology, information technology and network communication technology is widely used in electric propulsion monitoring system, electric propulsion monitoring system is gradually to the integration, modularization and intelligent development, which makes the ship monitoring and control system is more and more perfect, monitoring and control system is more and more complex, more and more is also high technical content, the ship's safety is becoming more and more higher.

This paper aims to analyze the functional requirements, hardware composition, software configuration, architecture and key technologies of Marine electric propulsion monitoring system, as well as the application prospect of the system.

Key words: electric propulsion, electric propulsion monitoring system, intelligent

目 录

前 言 1

1. 船舶电力推进系统简介 2

1.1电力推进系统组成 2

1.1.1船舶发电机组 3

1.1.2高低压配电板 3

1.1.3推进变压器 3

1.1.4 变频装置 3

1.1.5推进电机 3

1.1.6推进装置 3

1.2船舶电力推进系统的特点 4

2.船舶电力推进监视系统 5

2.1电力推进监视系统的组成 5

2.1.1 功率管理系统组成及其功能 5

2.1.2推进控制系统组成及其功能 6

2.1.3机舱监测报警系统的组成及功能 6

2.2电力推进监视系统组成硬件 8

2.2.1主控设备PLC 8

2.2.2人机界面产品HMI设备 10

2.2.3网络连接设备 12

2.3电力推进监视系统组态软件 12

3.船舶电力推进监控系统关键技术 14

3.1串行通信接口技术 14

3.1.1串行通信技术 14

3.1.2接口标准介绍 15

3.2总线技术 15

3.2.1 CAN总线技术 15

3.2 CAN总线分层结构 16

3.2.2 PROFIBUS总线技术 17

3.3传感器技术 19

4.船舶电力推进监控系统的应用前景 21

结 论 23

致 谢 24

参考文献 25

13-17。 25

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前 言

随着现代电力驱动技术的飞速发展，船舶电气设备的自动化程度越来越高，船舶电力推进系统在现代船舶中得到了广泛的应用。采用电力推进的船舶具有操纵性能好、航行机动性强、电力推进动力设备布置灵活、噪声小、占用船舱体积小、维护保养工作量小等优点。船舶电网不仅要保证极端环境下对船舶重要设备的连续不间断供电，还要满足复杂多变航行条件下提供高质量供电的要求。当今电力推进船舶对发电设备的性能要求以及供电质量的要求越来越高，所以构建一个安全、可靠、高质量的电力推进船舶监控系统变得尤为重要。船舶电力推进监控系统是将船舶推进系统信息采集功能、电站系统数字保护和远程监控报警集于一体的综合系统。船舶电力推进监控系统为船舶供电系统、船舶主推进系统、机舱辅机子系统等提供状态监控、实时报警、综合信息管理和远程控制功能。船舶电力推进监控系统由现场设备采集所有监控点的数字量和模拟量信息，通过工业以太网、现场总线等网络的综合处理，实现船舶各系统之间的信息实时共享，从而实现各重要设备的控制，最终实现电力推进船舶安全、稳定、长期无故障运行。

目前国内的船舶电力推进监视系统比较落后，各系统之间处于独立监控状态，综合控制能力比较差，监控装置技术不够成熟，距离发达国家还有一定差距。与国内船舶监控系统相比，国外大型船舶公司已经开发出一套集船舶监控于一体的综合管理系统,可以实现船舶驾驶智能导航、船舶电力推进装置实时监控、船舶电站能源管理以及远程遥控等功能。

近几年船舶电力推进监控技术的发展刚刚起步，全自动电站刚刚进入试验探索阶段，由于国内具有电力推进系统专业知识的人才相对缺乏，能进行电力推进监控系统设计的人员数量有限，国内有关于电力推进监视系统的研究也比较少。因此，为了满足电力推进监控系统日益增长的性能要求，首先，需要对电力推进监控系统的体系结构进行研究，确定架构之后，再进行下一个设计。因此分析船舶电力推进监控系统的功能要求，硬件组成，软件组态，体系结构以及应用的关键技术具有十分重要和深远的意义。

船舶电力推进系统简介

1.1电力推进系统组成

电力推进系统船舶电力推进是船舶推进方式之一，它通过发电机带动螺旋桨推动船舶前进。船舶电力推进系统可划分为供电系统、推进系统和监控系统三个子系统，其中供电系统由船舶发电机组、高低压配电板组成。推进系统由推进变频器、变频装置、推进电机组成。监视系统由功率管理系统（PMS） 、推进控制系统、机舱检测报警系统组成。

电力推进系统

推进变压器发电机组高低压配电板监视系统供电系统

推进变压器

发电机组

高低压配电板

监视系统

供电系统

推进系统

推进系统

· ·· ·

功率管理系统机舱检测报警系统 推进电机及装置变频装置推进控制系统

功率管理系统

机舱检测报警系统

推进电机及装置

变频装置

推进控制系统

图1.1 电力推进系统图

Fig.1.1 Electric propulsion system diagram

1.1.1船舶发电机组

船舶发电机组输出电压恒定、频率恒定的三相交流电源通过配电板分配给变压器和变频装置，通过变频装置改变电机上负载的电压和频率，从而灵活控制电机的功率输出。电力推进船舶通常由柴油发电机组给6.6KV的高压电网（频率是50H或者60Hz）供电。对电力需求量大的船，柴油机也可以换成功率更大、结构更紧凑的燃气轮机发电机组。

1.1.2高低压配电板

高低压配电板确保分配用电，低压配电板为变压器、变频器和推进电机提供控制电源，高压电由配电板通过变压器输出到变频器。

1.1.3推进变压器

变压器连接电力供应和推进电力应用两部分，进行升压和调相，为变频器提供6脉波、12脉波或24脉波交流电 。

1.1.4 变频装置

交流推进电机的控制或调速通过变频技术来实现。这就要求向交流电机供电的电源能够同时改变电压和频率。目前常用的三种变频控制有同步变频（交-交变频），循环变频（交-直-交变频）和脉宽调制变频。通过谐波成分分析可知，交-交变频最多，脉宽调制变频最小，但同步变频器的功率最大，脉宽调制变频器的功率最小，所以大型船舶（通常5MW以上）大都采用交-交变频器。

1.1.5推进电机

推进电机将电能转化为机械能，驱动推进器工作。由于电机需要长时间运转工作，需供给冷却水，同时为防冷却水在其内部有泄漏，通常会带有漏水检测装置。异步电机和同步电机通常用于电力推进。异步电机结构简单，不需要电刷装置；同步电机气隙较大，能承受冲击，励磁损耗小，功率因数可以为1。随着永磁电机控制技术的发展，在船舶电力推进系统中趋于采用永磁同步电机。永磁电机与常规电机相比具有功率密度大、转矩密度高的特点，其构成的推进系统噪声小、效率高、易于维护，具有很高的发展潜力。

1.1.6推进装置

按照推进器形式的不同，船舶电力推进可分为传统电力推进，吊舱式电力推进以及混合电力推进三种类型。

传统电力推进方式一般选用定距桨，通过改变推进电机的转速和转向来改变船舶的推力大小和方向。极少数电力推进船舶由鼠笼式感应恒速电机驱动，该电机带有桨距控制，成为DOL模式。船的速度控制取决于改变螺旋桨的螺距。为了增加可操作性，还可以通过使用极数转换开关来实现电机的速度控制。

吊舱式电力推进器是20世纪80年代问世的一种新型推进器，它将推进电机、螺旋桨、舵集中成一个独立的推进模块，称为吊舱（POD）,吊挂在船体底部，既当推进器，又起到舵的作用，大大提高船舶的操作性和机动性。

混合电力推进是在传统推进模式的基础上加入吊舱电力推进，可以以吊舱推进为主，传统推进为辅，也可以将二者均分。根据船舶种类和规格的不同，吊舱可以设置一个或两个。多个推进器的组合增加了总的推进功率，弥补了目前单个推进电机功率偏小的不足。混合电力推进同时提供了只用主推进（中速航行）、只用吊舱推进（低速航行）、吊舱与主推进(高速航行)组合等多种航行模式。

1.2船舶电力推进系统的特点

船舶综合式电力推进系统标志着当今船舶电力的发展方向，它将最初相互分离的推进动力和电站动力结合起来。现代船舶综合电力推进不再是早期意义上的电力推进，而是电力系统中日常动力和推进动力的结合。它的意义不亚于船舶从风帆动力到蒸汽动力的转换。这是造船技术发展史上一座里程碑。与以往的船舶动力系统相比，电力推进系统的优势表现在以下几个方面:

（1）良好的经济性能；在机械能--电能的转换过程中，发电机处于较高的定速状态，能进行高效转化，降低油耗，经济性能好，对采用定位、负荷变化较大的船舶，优势更为突出。

（2）良好的操作性；船舶采用电力推进系统后，推进电机的转速更容易调节，在各种转速和正反转情况下，电机的扭矩能保持在稳态，使电机获得最佳的工作特性；船的转向更易控制；船舶的起动与加速更加快捷；制动速度更快；前进和后退车速的切换速度也大大提高。

（3）良好的安全性；当采用柴油机推进的船舶的主机或舵机等出现故障时，整个船舶将陷入瘫痪，无法故障。然而，由于使用电力推进系统的船舶具有多个推进装置，如果某个单元不能正常运行时，船舶上的其他单元仍然可以正常使用，从而防止整个船舶断电和不能运行。一般而言，电力推进系统将考虑冗余，并采用同一电机的两套设备相互备用和两套相互独立的定子绕组，这样，如果其中一套出现故障，可以降低负荷，系统不会完全瘫痪。

（4）占用空间小；传统的推进方式的传动轴系统将会占据将近一半的船长空间，但使用电力推进系统之后，将会减少了传动轴系统和减速箱的占地空间，极大的优化机舱布局，动力装置的布置也更合理，节省了大量空间，增加仓储容量。

（5）噪音小；使用电力推进系统后，船舶的发动机采用弹性基座，不直接与轴系和船体连接，运行速度稳定，因此振动和噪声当然会大大降低，提高了船舶的舒适度。

（6）电力推进系统污染小；与同等功率的船舶相比，电力推进系统将减少废气排放，工作区域内的空气更加清新，因为采用电力推进系统后，船舶推进系统中的柴油机可以高效的工作，可以将燃料充分的燃烧，燃烧产物中氮氧化物含量更少，对环境的污染更小。

2.船舶电力推进监视系统

2.1电力推进监视系统的组成

电力推进监控系统是安装在船舶上用于控制、保护和管理综合式电力