CN105845017A - 一种电动机倒拖船舶主机的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机倒拖船舶主机的方法和系统，通过上位机接收车钟发出的对柴油机运转进行控制的第一指令，并计算出与该第一指令相对应的电动机运转信号；由变频器接收电动机运转信号，来对电动机的运转进行控制；所述电动机作为动力源来拖动柴油机，并且在电动机与柴油机之间通过减速齿轮机传动，使柴油机实现不发火运转。本发明在船舶主机的性能测试、实验研究及培训教学等方面，具有广泛的应用前景。

Description

一种电动机倒拖船舶主机的方法和系统

技术领域

本发明涉及船舶行业用于实验研究及培训教学的一种系统及其控制方法，特别涉及一种电动机倒拖船舶主机的方法和系统。

背景技术

在对船舶主机进行实验研究以及在教学和船员培训中，采用真实的船舶主机直接让学员操作无疑是不可行的。由于受培训人员的实操水平，以及对于系统的了解程度有限，很容易导致机器发生不能预计的故障，甚至出现严重的事故。对于主机使用的燃油、滑油、冷却水等，将造成一种资源的浪费；而燃油的燃烧会产生有害气体的排放，主机运转也会产生严重的振动和噪声。在船员培训和学校教学过程中，目前的操作模式都是在仿真平台轮机模拟器上进行。现代船舶行业中使用最为广泛的主动力装置是柴油机，特别是低速大功率型的柴油机，具有经济性好、可靠性强以及输出功率大等特点。因此，亟需一种能够解决上述问题，实现针对柴油机的实验研究以及培训教学的方法和系统。

发明内容

本发明提供一种电动机倒拖船舶主机的方法和系统，通过减速齿轮机降低转速提高扭矩，确保操作中的主机实时运行且不发火运转。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种电动机倒拖船舶主机的方法：通过上位机接收车钟发出的对柴油机运转进行控制的第一指令，并计算出与该第一指令相对应的电动机运转信号；由变频器接收电动机运转信号，来对电动机的运转进行控制；所述电动机作为动力源来拖动柴油机，并且在电动机与柴油机之间通过减速齿轮机传动，使柴油机实现不发火运转。

优选地，对柴油机运转进行控制的指令，以车钟手柄的电位信号来表示；所述上位机设置有信号采集卡，来采集车钟手柄的电位信号；

所述上位机对采集到的车钟手柄的电位信号进行处理，判断出与车钟手柄的电位信号相对应的控制电动机运转方向和/或速度的第二指令，并将第二指令转换成变频器能够识别的电压信号或者电流信号。

优选地，车钟手柄在多个位置之间转换，输出与车钟手柄所处位置相对应的电压信号，作为车钟手柄的电位信号；通过减速齿轮机设置合适的减速比，使柴油机能够在与车钟手柄所处位置相对应的转速下运行。

优选地，所述上位机进一步设置有分别作为宿主机和目标机的PC机，来对采集到的车钟手柄的电位信号进行处理；其中，宿主机利用Simulink组件来建立船舶主机的运动模型，并通过MATLAB的RTW工具箱生成能够在目标机环境下执行的代码。

优选地，所述变频器进一步包含控制器和功率转换器，所述控制器接收上位机发出的电动机运转信号，并接收电动机反馈的电压和电流信号进行处理，形成控制电动机运转的控制信号；所述功率转换器连接交流电源，并根据所述控制信号，形成驱动电动机运转的驱动信号向电动机输出。

优选地，所述变频器是无速度传感器矢量控制的变频器；

所述电动机是交流异步电动机，所述变频器根据磁场定向原理对该交流异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而对交流异步电动机的转矩进行控制。

本发明的另一个技术方案是提供一种电动机倒拖船舶主机的系统，包含：车钟，其输出用以对柴油机运转进行控制的第一指令；

上位机，其与车钟连接获取第一指令，并计算出与第一指令相对应的用以控制电动机转速的第二指令；所述上位机进一步包含：与车钟连接的信号采集卡、通过设置的I/O系统与信号采集卡连接的作为宿主机的第一PC机、通过串行通信或者以太网通信与宿主机连接的作为目标机的第二PC机；

变频器，其通过串口通信与所述上位机的目标机连接来获取第二指令，并根据第二指令将与该变频器连接的交流电源进行转换，形成对电动机转速进行控制的驱动信号向与该变频器连接的电动机发送；

减速齿轮机，其连接在电动机与柴油机之间进行传动，使所述电动机作为动力源来拖动柴油机，实现柴油机的不发火运转。

优选地，所述车钟和上位机位于集控室内，所述电动机、变频器和减速齿轮机位于机舱中。

本发明所述电动机倒拖船舶主机的方法及系统，能够应用于一些针对船舶主机的实验研究、主机性能的测试、专业性院校专业对学生教学和实验，以及海事局对于海船船员的培训评估等多种情况；这些情况下对大型船舶主动力推进装置的使用很多，本发明中以电动机作为动力来拖动大型船舶主动力推进装置，使船舶主机实现不发火运转。

基于船舶柴油机在船舶行业中的重要性，针对柴油机的实验研究以及培训教学的相关实验室也越来越多。因此，本发明在应用柴油机倒拖的方法及系统中，将柴油机作为负载。通过本发明进行实验研究时，可以获取柴油机倒拖工况下的各项参数，进行倒拖工况下示功图的热力学分析以及柴油机机械损失试验研究等，对改善柴油机的工作性能、优化排放控制以及诊断系统故障具有重要的作用。在教学培训中，本发明以电动机作为动力拖动大型柴油机，使柴油机达到不发火运转，柴油机转速通过本系统进行控制，这样不仅可以减少教学成本，而且可以在主柴油机运动的状态下对它的工作状态和性能进行分析测试，同时能够避免有害气体排放以及降低大型柴油机运转时的振动噪音。

附图说明

图1是本发明所述电动机倒拖船舶主机的系统结构框图；

图2是本发明所述系统的位置关系示意图；

图3是本发明中所述上位机的连接示意图；

图4是本发明中所述变频器的接线图。

具体实施方式

本发明提供一种电动机倒拖船舶主机的方法和系统，能够以电动机作为动力来拖动大型船舶的主动力推进装置，使船舶主机实现不发火运转。考虑到柴油机在船舶行业中的重要性，本发明主要针对柴油机，应用于性能测试、实验研究及培训教学等领域。

如图1所示，本发明的系统包含：电源、控制系统（含车钟、上位机、变频器）、电动机、传动机构（减速齿轮机）、负载（柴油机）。其中，如图2所示，车钟和上位机位于集控室内，电动机、变频器和减速齿轮机位于机舱中。

车钟手柄的电位信号与控制柴油机转速信号的车钟指令相对应；上位机通过设置的信号采集卡，采集车钟手柄的电位信号进行计算，得出与柴油机转速信号相对应的电动机转速信号输送至变频器；变频器进一步包含控制器和功率转换器（主电路），接受上位机传出的电动机转速信号对电动机转动进行控制，由电动机作为动力源来拖动柴油机，使柴油机实现不发火运转。电动机可以选择交流异步电动机；电动机的电压、电流同时反馈给变频器。电源为交流电源。柴油机作为负载，具有摩擦扭矩大、周期性变化的特点，属于变转矩负载的特殊负载，其转速要求相对于电动机的额定转速低很多，所以在电动机与柴油机之间加入减速齿轮机，能够降低转速及提高扭矩，提高整个系统的能效。

车钟指令是船舶行驶过程中的一个重要指令。车钟通过该指令，控制主机转速来控制航速；在船舶主机实验室中，为了仿真船舶航行过程，柴油机的调速信号仍由车钟来提供，车钟指令与下油门杆位置的柴油机转速信号相对应。车钟包括9个档位：停止、微前进、前进1、前进2、前进3、微后退、后退1、后退2、后退3（STOP ENGINE、Dead Slow Ahead、Slow Ahead、Half Ahead、Full Ahead、Dead Slow Astern、Slow Astern、Half Astern、Full Astern），各自对应主机运转的不同方向和/或速度。由于本系统是用电动机来拖动柴油机运行，柴油机是不发火运转的，因此需要将车钟的调速指令转变为电压信号，用上位机来处理电压信号使之转变为变频器可以识别的调速信号。车钟实质上是一个电位器，它的内部结构与滑动电阻器相似，包含电阻体和可移动的电刷；当车钟手柄在9个档位之间转变时，相当于电刷沿着电阻体移动到不同的位置，在2个引出端接入一个5V的电源，就可以输出与各位置相应的不同电压信号。

如图3所示，本发明的上位机是一种xPC的仿真器，其能够利用图形化的建模软件MATLAB/Simulink建立船舶主机的运动模型。在Simulink的基础上，Mathwork公司推出了RTW的工具箱，它能够将图形化的Simulink语言转化成可执行的语言代码。xPC Target工具箱是基于RTW体系的实时系统的PC解决方案，它可将普通的PC机和工控机变成实时系统，满足设计中对于主机控制的实时性，并支持多种信号采集卡、CAN通讯卡等各种I/O系统。用户将安装了MATLAB/Simulink的PC机作为宿主机，利用Simulink来进行数学建模，通过MATLAB中的RTW生成在目标机环境下运行的可以执行的代码。在通信方式上，宿主机和目标机之间采用串行通信或者以太网通信。在目标机程序运行的时候，可以在宿主机或目标机上实时调整数据，并且可以把采集的数据可视化，当运行完成后数据自动保存。

上位机设置的信号采集卡，采用能够识别电位信号的信号线，与车钟连接来采集车钟手柄的电位信号；上位机的宿主机和目标机对电位信号进行处理，判断出与之相应的正/倒车、停车、调速等指令，然后将运算得到的结果进行处理，转变成变频器可以接受识别的信号（电压信号或者电流信号，由程序设定时对信号输入端的定义决定）。

变频器根据上位机的信号，控制电动机的转速；变频器采用串口通信，与上位机的目标机连接获得信号。如图4所示，变频器的输入端X1—X6设置为开关量的信号输入点，对应电机的启停、正反转等控制；输入端A11、A12设置为数字量的信号输入点，接受上位机计算得到的电压信号或者电流信号。变频器的R\S\T端接三相电源，电压为380V。其余端口及接线请参见图4，不一一赘述。

本系统选择的变频器型号为VFD-V系列矢量型变频器，额定电压为380V，额定功率为250KW，额定输入电流460A，额定输出电流为470A。本变频器有两种控制方式：无速度传感器矢量控制、V/F控制。变频器的控制方法的选择，影响着拖动系统的拖动、调速性能。无速度传感器矢量控制更适合本系统，矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的，可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

需要注意的是，选择矢量控制方式时，必须进行电机参数自学习，得到准确的电机参数才能发挥矢量控制方式的优势。为此，变频器运行前需要进行调试。

减速齿轮机是一种降低转速，提高扭矩的传动装置，由各级齿轮副组成，通过各级齿轮的传动来达到减速的效果。由于柴油机的额定转速为140转/每分，要比电动机的额定转速小得多，而大型柴油机的摩擦扭矩比较大，因此可以使用减速齿轮机作为传动机构，满足电动机拖动大型柴油机的要求。通过减速齿轮机设置合适的减速比，使主机在与车钟手柄位置对应的转速下运行，实现主机的不发火运转。

本发明涉及的负载转矩，即是柴油机各部件的摩擦扭矩和气体压力的扭矩。通过对柴油机曲柄连杆机构的运动力学原理进行分析，推导出活塞的位移、速度等参数，计算出倒拖工况下柴油机气缸内气体力和活塞组件的惯性力。对柴油机内部各摩擦副进行受力分析，计算出各个部件的摩擦扭矩。根据各个缸的相位差进行叠加得出整个柴油机在倒拖工况下的总扭矩。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种电动机倒拖船舶主机的方法，其特征在于，

通过上位机接收车钟发出的对柴油机运转进行控制的第一指令，并计算出与该第一指令相对应的电动机运转信号；

由变频器接收电动机运转信号，来对电动机的运转进行控制；

所述电动机作为动力源来拖动柴油机，并且在电动机与柴油机之间通过减速齿轮机传动，使柴油机实现不发火运转。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

对柴油机运转进行控制的指令，以车钟手柄的电位信号来表示；所述上位机设置有信号采集卡，来采集车钟手柄的电位信号；

所述上位机对采集到的车钟手柄的电位信号进行处理，判断出与车钟手柄的电位信号相对应的控制电动机运转方向和/或速度的第二指令，并将第二指令转换成变频器能够识别的电压信号或者电流信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

车钟手柄在多个位置之间转换，输出与车钟手柄所处位置相对应的电压信号，作为车钟手柄的电位信号；

通过减速齿轮机设置合适的减速比，使柴油机能够在与车钟手柄所处位置相对应的转速下运行。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述上位机进一步设置有分别作为宿主机和目标机的PC机，来对采集到的车钟手柄的电位信号进行处理；

其中，宿主机利用Simulink组件来建立船舶主机的运动模型，并通过MATLAB的RTW工具箱生成能够在目标机环境下执行的代码。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，

所述变频器进一步包含控制器和功率转换器，所述控制器接收上位机发出的电动机运转信号，并接收电动机反馈的电压和电流信号进行处理，形成控制电动机运转的控制信号；所述功率转换器连接交流电源，并根据所述控制信号，形成驱动电动机运转的驱动信号向电动机输出。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述变频器是无速度传感器矢量控制的变频器；

所述电动机是交流异步电动机，所述变频器根据磁场定向原理对该交流异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而对交流异步电动机的转矩进行控制。

7.一种电动机倒拖船舶主机的系统，其特征在于，包含：

车钟，其输出用以对柴油机运转进行控制的第一指令；

上位机，其与车钟连接获取第一指令，并计算出与第一指令相对应的用以控制电动机转速的第二指令；所述上位机进一步包含：与车钟连接的信号采集卡、通过设置的I/O系统与信号采集卡连接的作为宿主机的第一PC机、通过串行通信或者以太网通信与宿主机连接的作为目标机的第二PC机；

变频器，其通过串口通信与所述上位机的目标机连接来获取第二指令，并根据第二指令将与该变频器连接的交流电源进行转换，形成对电动机转速进行控制的驱动信号向与该变频器连接的电动机发送；

减速齿轮机，其连接在电动机与柴油机之间进行传动，使所述电动机作为动力源来拖动柴油机，实现柴油机的不发火运转。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述车钟和上位机位于集控室内，所述电动机、变频器和减速齿轮机位于机舱中。