自航绞吸式挖泥船综合电力推进系统设计

黎鹏飞，陶 勇，蒋 炜



自航绞吸式挖泥船综合电力推进系统设计

黎鹏飞，陶 勇，蒋 炜

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍了某自航绞吸式挖泥船综合电力推进系统的设计方案，然后针对系统各设备的配置及功能实现进行了详尽的介绍。

自航绞吸式挖泥船 综合电力推进 变频驱动

0 引言

随着人工智能技术的快速发展，各国政府都在尽快立法，以加强对人工智能技术的监管。俄罗斯比较重视人工智能等创新技术的研究，也取得了一定的成就，但近年来由于与西方的政治关系紧张且欧美对其实施持续的经济制裁，俄罗斯科研形势不太乐观，在人工智能研发力度和立法等方面相对于欧美日发达国家及我国都略显滞后。目前，俄罗斯首先力推与人工智能密切相关的数字经济，以促进人工智能的发展。人工智能立法还处于计划之中，但从政府的意志和学者呼吁看，俄罗斯已将人工智能立法提上议事日程，俄罗斯媒体也透露出对立法考量的一些信息。

随着自航绞吸式挖泥船在港口清淤、航道挖掘、吹填造地中应用广泛，其在维护生命安全并确保航道畅通的功能具有重大的社会效益和市场前景。自航绞吸式挖泥船不仅可在江河湖海各类水面作业，而且还可以一次性完成物料的挖-装-运-卸四个作业环节，是疏浚船舶的主力船型[1]。

大型自航式绞吸挖泥船采用综合电力推进有诸多优点， 因为绞吸式挖泥船在采用电力推进时，大功率铰刀和泥泵不必由专用的原动机带动，原动机动力功率可以给铰刀绞动和泥泵吸收或推进工作“分时复用”。在挖泥作业时，主发电机组可以将绝大部分功率供给铰刀和泥泵，船舶的主推电机停止工作，船舶的近距离位移通过船上的绞车实现。反之在停止挖泥作业时，船舶利用全部电能高速航行，提高了电能利用率。由于综合电力推进船舶减少了原动机组的数量，且原动机长期处于理想工作点，降低了燃油消耗，减少了有害气体排放。因此不论是从提高船舶机动性和工作效率，还是从降低挖泥成本、响应节能减排的环保大趋势来讲，综合电力推进船舶都体现出巨大的优越性，也由此必将成为大型挖泥船的标准解决方案和发展趋势。

1 系统组成

自航式绞吸挖泥船综合电力系统实现全船的供电、推进及疏浚设备的变频驱动，其包含了供电系统，电力推进/绞车/封水泵变频驱动系统，控制系统三大部分。如图1所示。

自航式绞吸挖泥船综合电力推进系统单线图如图2所示，从以上单线图可以发现本船主推进为2套分时复用的变频驱动系统，分别为绞刀/推进变频驱动系统和水下泥泵/推进变频驱动系统。绞刀电机和一号推进电机共用一号主推变频器，水下泥泵电机和二号推进电机共用二号主推变频器。这种推进方式完美体现了挖泥船“挖泥不推进、推进不挖泥”的特殊工况需求，大大节省了初始投资和资源配置。另外就是采用了公用直流母线方案。全船所有绞车变频器的直流输入侧直

接挂在一号公用直流母线上。所有封水泵和冲水泵变频器的直流输入侧直接挂在二号公用直流母线上[2]。

系统可以分为3个模块。①管理员模块。可对公告进行管理，即增删改查；可对教师、学生进行增删改查，即不对外开放注册功能，教师及学生由管理员录入系统。②教师角色。可以对题库中题目增删改查，对题干命题、选项设置、分值以及答案设置等；可以进行考务管理，即对考试设置名称、选择试卷、设置考试时间等；可对试卷进行管理，即规定题型题量后随机组卷；可查看卷面答题情况等；可对个人信息进行管理；可对公告进行管理。③学生角色。可查看公告；可查看考试信息；可参加考试、答卷、交卷；可查看个人考试卷面；可修改个人信息。

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为明确市场定位采取了问卷调查的方式。本次调查中，我们共发放问卷250份，收回235份，其中有效问卷200份，有效率88.1%。

2 供电系统

供电系统由发电、配电及功率管理系统组成。

2.1 发电系统

因此，在本文方位向联合高分辨重构时，方位孔径数需满足式(17)的要求.文献[]中给出了保证稀疏信号可以准确重构的条件下，量测个数M与信号稀疏度需满足的关系为

发电系统由2台主发电机G1、G2，1台辅发电机G3和1台应急/停泊发电机EG组成。

2.2 配电系统

5）紧急停车：紧急停车独立于自动控制系统，遇紧急情况时可以人为切除变频器，停止电机运行，保护设备和人身安全。

主要包括690 V主配电板（MSB）、400 V主配电板及组合启动屏（MSB）、应急/停泊配电板（ESB）和2台690 V/400 V电力变压器。3台发电机可长期并车，主发电机和辅发电机可与应急/停泊发电机可短时并车转移负载。应急/停泊发电机可通过电力变压器逆向给690V配电板供电，供疏浚设备调试维修用。电站使用工况及组合模式见图3。

690 V主配电板将馈电给4套变频驱动装置和液压电站泵站启动单元，并通过电力变压器给400 V负载供电。400 V主电板用于船舶辅助设备、甲板设备供电。通讯导航、自动化系统、照明设备和一些小负荷的供电为AC230V和DC24V。

2.3 功率管理系统

本船配置功率管理系统(Power Management System )简称PMS,对全船功率实现统一管理、配合图3所列的11种不同工况，由4台发电机G1、G2、G3、EG灵活组合实现，不仅提高了发电机的利用率和经济性，在特殊情况下可以切除某些不重要的负载确保船舶的生命力，这也是电推船舶的重要优势之一。

3 电力推进/绞车/封水泵变频驱动系统

本船的电力推进系统不仅涵盖了船舶航行的主推进系统，同时也包含了挖泥船疏浚工作系统。严格的说疏浚工作时的绞动、吸收、挖泥、短距离位移、封水、冲水等各种工况不属于推进的范畴。但是考虑到绞刀电机/推进电机共用一号主推变频器；水下泥泵电机和二号推进电机共用二号主推变频器，其移相变压器、配电板等主要设备也是共用，因此统一放在电力推进系统里介绍。

水利工程概（估）算编制规定涉及的专业及内容较多，不可能考虑到概（估）算编制过程遇到的所有情况，提出上述问题及思考，目的是希望尽快发布新的“编规”，新“编规”应尽量地覆盖到各类水利工程，尽可能全面、完善、准确、清楚，最大限度地满足概（估）算和工程量清单计价的需要，达到指导项目决策和投资控制的作用。

这种“砖块”应用于复杂输送系统中的各种开关、换向器、交叉口、转角、双向交叉口，甚至分拣机。它能在整个物流配送中心为所有行业搬运任何尺寸的盒子和纸箱。

3.1.1 主推进移相变压器

(2) 在地铁站台以及乘客通道，大功率参量阵定向扬声器具有极强的音频方向性，且不受封闭空间音频反射干扰，较脉冲音频有着更好的方向性。

两台水冷三绕组移相变压器其原边设计成15°相角差（各自移相±7.5°），两台变压器同时运行时将形成虚拟24脉整流，这样网侧电流仅含23次及25次谐波，且其有效值与谐波次数成反比，并且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。因此这种设计降低了电网谐波，使系统电压谐波总畸变大大减小，不仅提高了系统效率也增强了电磁兼容水平。

3）堵转保护：当螺旋桨被硬泥、石块等卡住时，系统具有堵转特性，在短时内不必断开电动机，待卡住的原因消除后，螺旋桨很快恢复正常运转，消除了系统经常“断开—接通”的弊端。

3.1.2 主推变频器

作为系统的核心设备，两台主推变频器不仅带动主推进电机，实现航行时的快速响应和灵活的正反转控制同时还可以通过切换装置分别驱动绞刀电动机和水下泥泵电动机进行疏浚作业。该变频器采用大功率IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为开关器件，是最新电力电子技术和自控技术的完美结合。变频器为水冷方式，12脉冲整流，带绞刀与推进电机切换装置和泥泵电动机与推进电机切换装置。选用西门子公司的 6SL2型变频器，具有恒功率模式、恒转矩模式、堵转保护、螺旋桨捕捉再启动、紧急停车等多种功能[3]。

1) 恒功率模式：推进电机的速度和转矩可以在其最大允许范围内灵活调节，在此期间保持功率恒定不变。在船舶航行过程中可以在阻力经常变化的情况下，始终维持动力设备（柴油机、发电机等）处于恒功率运行，使动力设备的效率保持在较高水平上，以利于充分发挥动力设备的效能、节省燃油、降低排放。

2) 恒转矩模式:保证电机的输出转矩、尤其是低速航行和低负载挖泥作业时的转矩输出,高效的低速调速性能可以和传统的直流调速低速性能相媲美。

算例3 对于文献[17]的多智能体系统,通信拓扑在图1的与之间切换.同样地，取通信时延上界τ0=0.08.图8～9分别表示多智能体的运动轨迹、位置变化与速度变化曲线.由图可知，利用文献[17]提出的脉冲控制协议亦可实现多智能体系统的编队控制.然而，根据式 (22)，将系统的编队控制一致性所用时间限定为5s,本文的通信代价指标T=4.9，而文献[17]通信代价指标T=5.2.于是，相较于文献[17]，本文提出的脉冲控制协议在实现系统编队控制的同时，更能够节约系统能量与通信代价.

在疏浚作业中横移绞车、桥架轿车、抛锚杆绞车、起锚绞车功率较小，当部分机构处于电动运行时另外一些机构处于制动发电运行，发电运行的逆变器再生的电能可以回馈到公共直流母线中，被处于电动运行的逆变器利用，而不像独立的变频器将制动发电产生的电能通过制动电阻白白消耗掉，这样不仅具有明显的节能效果，而且大幅度降低了传动系统的发热量，延长了传动系统的使用寿命。

4）螺旋桨捕捉再启动：变频器启动或者调速时，由于水流或者惯性螺旋桨的速度并不为零，这时变频器可以捕捉螺旋桨的当前速度，通过软件算法的计算以最合适的频率运行，不仅缩短过渡过程，提高响应速度，还能进一步提高效率。

配电系统由三相三线AC690V/50Hz、AC400V/50Hz 、230V/50Hz及DC24V所组成。

3.1.3 主推电机

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系统设两台690 V水冷变频主推进电动机。

3.2 绞车变频驱动系统

本船设1套绞车变频驱动系统，主要包括：1台水冷三绕组移相变压器、1套12脉水冷多传动变频器、8台强制风冷绞车电动机。

定义2 设[Sθ1,Sθ2]，其中Sθ1,Sθ2∈S且0≤θ1≤θ2≤τ,S为语言短语集，则称为离散区间语言变量。特别地，当θ1=θ2时，退化为语言变量。

绞车电机共包括横移绞车变频电动机、桥架轿车变频电动机、抛锚杆绞车变频电动机、起锚绞车变频电动机共8台绞车电动机。其对应的8台逆变器均挂接在公共的直流母线上。这种调速控制方式也称为多传动变频器控制。由于直流母线是8台逆变器公用，其整流单元也只需要一个，而不是常规的8个整流单元。由此节省了大量材料和安装空间，是降低成本的理想选择。

膨润土开发利用水平计算中涉及固定的有3项，分别为开采回采率、选矿回收率、综合利用率，总权重合计为100，各分项权重选取依据为：先以111折算平均权重项各为33.3，再根据征求行业专家讨论意见汇总结果，实际权重值在平均值基础上适当增、减后确定。

3.3 封水泵变频驱动系统

3.1 主推进系统

本船设1套封水泵变频驱动系统，主要包括：1台空冷三绕组移相变压器、1套12脉空冷多传动变频器、10台风冷电动机。分别是#1舱内泵封水泵、#2舱内泵封水泵、水下泵封水泵及冲水泵的电动机。

主推进系统为两套分时复用的变频驱动系统见图4，两套变频驱动系统主要包括：2台水冷三绕组移相变压器、2套12脉水冷变频器、2台水冷推进变频电动机和变频驱动控制系统。其中绞刀/推进变频器通过输出切换开关驱动绞刀变频电动机和推进变频电动机，泥泵/推进变频器通过输出切换开关驱动水下泥泵变频电动机和推进变频电动机。

和绞车变频驱动系统类似，封水泵变频驱动系统同样是挂接在公用直流母线上的多传动变频系统。

4 控制系统

控制系统主要由PMS（功率管理系统）和PLC控制系统组成。

4.1 PMS（功率管理系统）

功率管理系统负责船舶电力的发出和全船电力的分配，对全船功率实施统一优化管理，保证船舶电力所必需的安全和经济节约的操作。PMS系统可以根据负载的实事功率需求和电网的运行状态对每台柴油发电机组进行监控并协调各机组的启动、停机、并车和解列，对供电系统进行故障报警和处理，为电力推进和其它用电设备提供可靠和经济的电能管理。如图5所示。PMS组成包括PMS主控制器、机组数据采集子站ET200M、发电机保护并车单元PPU及HMI人机界面等。PMS的功能主要包括柴油发动机机组的启动和停车、机组的投运和并车、机组的解列和停车、发电机组的启、停序列设定、重载询问、分级自动卸载、人机界面监控等。如图6所示。

在本文的系统模型中，当中继天线数N→时，由于K≪N，根据式(32)，源端到中继间的信道矩阵G1有以下逼近准则：

4.2 PLC控制系统

PLC控制系统可以采集绞刀驱动系统、水下泥泵驱动系统、推进驱动系统、绞车驱动系统、封水泵驱动系统等的各种信号（包括各驱动系统的辅助设备，如防冷凝加热、绕组温度、轴承温度、冷却水泵、风扇、预充磁等）进行安全保护及控制。

挖泥控制系统及航行推进控制系统都可以通过标准接口与变频驱动控制系统进行通信，并实现对绞刀、水下泥泵、推进电机、绞车、封水泵等的控制。PLC控制柜实现各种设备变频系统的的启动、停止、操作状态转换、控制、保护及电机辅机的控制和监测，电机辅机包括加热器和冷却风扇电动机等设备。变频器根据PLC发出的指令调节电动机转速和转矩。

5 结束语

本船采用综合电力推进系统后，极大提高了船舶的操控灵活性、可靠性；综合利用船舶的动力装置使设备布置更灵活，有效空间更多；降低燃油消耗和有害气体排放响应节能环保的要求。综合电力推进系统使绞吸挖泥船的社会效益、经济效益和节能减排带来全方位的提升，必将有更为广阔的应用前景。

[1] 乔铭忠,于飞,张晓峰. 船舶电力推进技术. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[2] 车向中,郭建斌. 基于公共直流母线的挖泥船绞车变频控制系统. 船电技术，2009，（3）.

[3] 杨明,柯常国,陶勇. 绞吸式挖泥船控制系统. 船电技术，2013,（1）.

Design of Integrated Electric Propulsion System for Self-propelled Cutter Suction Dredger Ship

Li Pengfei, Tao Yong, Jiang Wei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM465

A

1003-4862（2016）05-0024-04

2015-12-09

黎鹏飞(1976-)，男，硕士，工程师。研究方向：综合电力推进系统。