恒流推进控制系统主回路过流故障分析

杨 明, 吴祖桥



恒流推进控制系统主回路过流故障分析

杨 明1, 吴祖桥2

(1. 海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连 116021；2.舟山万达船舶设计有限公司，浙江舟山 316101)

分析了恒流推进控制系统主回路电流和转速的控制原理，从控制系统的角度分析主回路过电流的发生机理，并提出了减少或避免此类故障发生应采取的措施。

恒流 控制系统 过流故障

0 引言

由铁磁材料构成的舰艇船体，置于自然或人为的外磁场环境中，经历一定时间后，就会导致铁磁材料中磁偶极子排列有序化，从而产生磁化效应[1]。舰船消磁则是用强制的方法产生规律的强磁冲击，迫使磁偶极子重新无序化的过程，它不仅是反磁性水雷的重要措施，也是反磁性探测的重要手段。某船可为舰船提供消磁，该船配备有恒流推进控制系统，其能够对该船设备提供自动化的管理、控制、监视和保护。

恒流推进控制系统是舰船的重要组成部分，在该船系泊、航行试验过程中，恒流推进控制系统在航行状态下数次发生主回路过流故障，进而导致发电机自动开关保护性分闸，主回路解列，进而失去动力，对舰船的运行安全产生较大影响。本文即从控制原理的角度分析主回路过流故障的产生机理，以便在后续船恒流推进控制系统的设计、建造中采取相应措施，避免或减少此类故障的重复发生。

1 恒流推进控制系统

推进控制系统按照控制功能的侧重点不同主要划分为四部分：电源、主回路系统、励磁控制系统和计算机监控系统，系统组成结构如图1所示。

为保证舰船的消磁和推进共用一套系统，恒流推进控制系统的主回路系统设计为直流的恒流制系统，配备四台柴油直流发电机组、两套直流推进电机。在消磁作业时，四台机组独立工作；在推进作业时，由机组为电动机供电，电动机带螺旋桨推进。主回路系统的基本结构如图2所示，可根据推进工况，进行开关的选择，进而选择主回路为单机组-双电动机、单机组-单电动机和双机组-双电动机等模式。

2 主回路系统的控制原理

2.1 主回路电流控制原理

主回路电流控制的基本原理是柴油机保持在额定转速，在此条件下，调节直流发电机的励磁电流而使其电枢电流保持恒定。控制系统原理图如下[2]。

图中，()——电枢电流设定值，()—电枢电流实际值，()—外环控制器，()—发电机在额定转速状态下电枢电流到励磁电流的传递函数，()—内环控制器，()—整流装置输出电流到触发角的传递函数，()—整流装置，()—发电机，()—电枢电流反馈通道传递函数,()—负载扰动，()—负载扰动对发电机励磁电流影响的传递函数。

由控制系统方框图可见，主回路电流控制系统是一个典型的双闭环系统，内环为励磁电流控制环，外环为电枢电流控制环。

由图3可得系统的输出为：

（1）

2.2 电动机转速控制原理

发电机转速控制的基本原理是在电枢电流恒定的情况下，调节发电机的励磁电流，以此控制发电机的转速。控制系统原理图如下。

图中，R()——转速设定值，C()——转速实际值，T()——外环控制器，G()——发电机在恒定电枢电流下转速到励磁电流的传递函数，T()——内环控制器，G()——整流装置输出电流到触发角的传递函数，G3(s)——整流装置，G()——发电机，H()——转速反馈通道传递函数,()——负载扰动，n()——负载扰动对电动机励磁电流影响的传递函数。

由图4可得系统的输出为：

（2）

3 过流故障的机理分析

下面根据控制原理图分析过流故障的机理。

3.1 主回路电枢电流反馈信号失真引起的过流故障

正常情况下，电枢电流反馈通道传递函数()=1，由此，反馈信号失真等效为()≠1，分为两种情况：()>1，()<1。

设()=,根据式（1），得系统输出为（设扰动()=0）：

（3）-（1）得：

当()=<1时，1()-()>0，即系统输出增大，可能发生过流故障。

因为控制系统无法消除反馈通道引起的误差[3]，因此要想避免此类过流故障的发生，只能采取提高反馈通道的稳定性和精度的措施，在反馈通道的设计过程中应予以考虑。

3.2 负载波动引起的过流故障

设()=，根据式（1），得系统输出为（设输入()=0）：

根据控制原理，控制系统对负载扰动的稳态误差为零，但负载变化后，控制系统会有一定时间的动态调节过程，当负载F(s)=b较大时，或其有较大波动时，根据式（4），在控制系统调节初期，会引起电枢电流的增大或波动，进而可能发生过流故障。要避免此类过流故障的发生，可以采取在励磁电流控制内环增加限制环节或惯性环节，以控制电流的数值及数值变化的速度。

4 结束语

本文对消磁推进控制系统的主回路过流故障的机理进行了研究，分析了主回路电流和速度控制的基本原理，从控制系统的角度分析了过流故障产生的原因。本文的研究可为相关消磁推进控制系统的设计提供参考。

[1] 车忠权. 消磁作用的探讨及应用[J]. 资源信息与工程, 2016, (2): 10-13.

[2] 尔桂花，窦曰轩. 运动控制系统[M]. 北京:清华大学出版社, 2002:45-50.

[3] 李友善. 自动控制原理[M]. 北京:国防工业出版社, 2005: 87-95.

Overcurrent Fault Analysis of Main Loop in Constant Current Propulsion Control System

Yang Ming1, Wu Zuqiao2

（1. Naval Representatives Office in Dalian Area, Dalian 116021, Liaoning, China; 2. Zhoushan Wonderful Marine Design Co., Ltd, Zhoushan 316101, Zhejiang, China）

TM762

A

1003-4862（2017）05-0008-03

2016-12-15

杨明(1973-), 男，高级工程师。研究方向：舰船监造。