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摘 要: 近年来，随着船舶用电设备的迅猛增加，船舶能耗问题越来越严重，轴带发电机技术在大型船舶上取得了广泛的应用。在船舶轴带发电系统中，逆变器实现了交直流的电力转换，对于发电机的性能有重要作用。本文针对船舶轴带发电机的逆变器并联运行策略进行研究，结合 PLC 开发了轴带发电机逆变器并联运行的控制系统，详细介绍了逆变器并行控制的原理。 0 引 言 随着现代船舶自动化设备的不断增加，船舶电能的需求量越来越大，船舶电力系统利用柴油发电机和电站为用电设备供电，尽管能够提供优质的电源，但对能源的消耗也非常大。近年来，船舶工业的节能环保问题引起了行业内的广泛重视，如何充分利用船舶的动力系统冗余能量，提高船舶能源利用率成为了一项热点研究。轴带发电机是一种通过船舶动力系统主机驱动的电机，其最大的特点是不需要单独设计柴油发电机等设备，只需要利用动力系统主轴的转动就可以完成发电。轴带发电技术不仅能够为船舶电力系统提供备用的电能，也能提高船舶燃料的利用率，减少辅机等设备的成本，具有非常大的应用潜力。在轴带发电机的实际应用场景中，每个船舶往往配置了多台轴带发电机，发电机之间并联使用，为船载用电装置提供电能。在轴带发电机并联电路中，为了提高电能的稳定性，往往设置各类整流器和逆变器，使轴带发电机能够输出恒压电源。 本文的研究重点是轴带发电机逆变器的并联运行控制策略，设计一种基于 PLC 控制算法的船舶轴带发电机逆变器的并联控制策略，建立了逆变器的控制策略模型，有效提高了船舶轴带发电机电力系统的可靠性。 1 船舶轴带发电机系统的研究与发展现状 船舶轴带发电机最早出现在 20 世纪 60 年代，目前，常用的船舶轴带发电机主要有变距桨型轴带发电机和定距桨型轴带发电机[1]。 1）变距桨型轴带发电机 变距桨型轴带发电机是指船舶动力主机的转向保持不变，而轴带发电机系统必须要配置具有可变螺距的发电机转子，这种轴带发电机尽管发电功率和电压比较稳定，但当船舶处于较大的风浪中航行时，动力系统的负载会明显增加，导致轴带发电机系统的工作稳定性下降。 2）定距桨型轴带发电机 定距桨型轴带发电机是目前装机量最大的一种轴带发电机，其基本原理是动力系统主机的转速、转向均可以调节，轴带发电机能够根据主轴的转速和转向进行功率调节，并能够实现功率的补偿。图 1 为船舶定距桨型轴带发电机原理图。
定距桨型轴带发电机的优点包括几个方面： 1）提供燃油利用率 利用轴带发电机可以使船舶动力系统主机的功能损耗降低 10%～15%，不仅提供了船舶主机的效率，也降低了船舶电力系统的发电成本，使船载用电设备得到更稳定的电力供应。 2）节省成本 装备轴带发电机系统的船舶不需要再安装电力系统辅机，不仅节省了发电辅机的安装成本，也减少了电力系统的运维成本[2]。 3）优化机舱的布置 轴带发电机另一个显著优点就是结构更加紧凑，因此，在船舶机舱内布置轴带发电机，相对于传统的电力系统辅机来说，能够有效地优化船舶机舱的布局合理性。 4）降低机舱噪声 轴带发电机通过船舶动力系统主轴驱动，不需要柴油发电机等噪声较大的装置，因此能够改善船舶机舱的工作环境。 2 基于 PLC 的船舶轴带发电机逆变器并联运行控制策略 2.1 船舶轴带发电机逆变器的结构原理及控制策略 船舶轴带发电机的关键问题是发电机并联运行的控制策略，逆变器的功能是将轴带发电机的直流电转换为交流电，然后将交流电发送至船载用电设备，因此，提高逆变器的控制策略成为轴带发电机系统的核心技术。 在电路设计时，逆变器的电路结构有很多种，其中最常用的逆变器电路包括全桥型逆变器电路、半桥型逆变器电路等。半桥型逆变器电路具有价格低、可靠性高的特点，缺点在于当电路中的电源电压较大时，稳定性会下降；全桥式逆变器电路能够适应大容量的电力系统。 在设计船舶轴带发电机的逆变器电路时，采用全桥式逆变器电路，图 2 为逆变器电路图。
2.2 基于 PLC 的轴带发电机逆变器控制策略 为了提高船舶轴带发电机逆变器电路的稳定性，采用一种基于 PLC 的闭环并联控制策略，通过采集逆变器并联电路的数字信号，可以进行电路的负反馈控制[4]。 首先，建立轴带发电机系统的逆变器并联等效电路如图 3 所示。
图 4 为基于 PLC 的轴带发电机逆变器电路控制原理。
该逆变器并联运行控制器能够实现的功能包括： 1）PLC 可以产生正弦波信号，且信号的频率等参数可以调节； 2）能够通过采集电路获取轴带发电机系统的电压、电流等信号，并通过信号分析技术获取逆变器回路的运行状态； 3）控制器能够进行逆变器电路的功率计算； 4）控制器具有数据通信功能。 3 结 语 本文重点研究了船舶轴带发电机系统的原理，针对轴带发电机的并联逆变器控制问题，开发一种基于PLC 的并联控制策略，并对控制策略进行了建模和原理分析。 作者：周海舟 来源：舰 船 科 学 技 术 |
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