随着世界经济的快速发展,能源问题变得越来越突出,丰富的海洋资源成了各国、各界热衷的追寻目标,且不断由浅水海域向深水海域发展,借助锚泊系统实现的海上船舶定位已不能满足深海作业的需要,船舶动力定位系统随之产生,它不受海水深度和海况的影响、定位准确快速,能使深海作业船舶或钻井平台利用自身的动力实现在深海领域的稳定定位。
船舶动力定位系统是一种船舶位置闭环控制系统,在不借助锚泊系统的情况下,利用船舶自身的动力抵抗外界干扰(风、浪、流),动态控制船舶停在某确定位置或沿着一定的预定航迹行驶的技术。它一般由测量部分、控制部分、执行部分三部分构成。测量部分测量船舶的位置及船舶艏向、运动状态和外界环境状态;控制部分根据测量数据与期望值的偏差,计算出抗拒环境干扰力(风、流、浪)使船舶恢复到期望位置所需的推力;执行部分根据控制指令,产生推力和力矩,以平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩。
带有动力定位系统的深海作业船舶或钻井平台的定位能力及定位精度的实现,主要由执行部分根据控制指令,对各推力器的推力进行分配,各推力器产生的推力使船(平台)在风、浪、流的干扰下保持设定的航向和船位。辅助推力装置能产生横向推力,或根据方向产生任意方向的推力。型式主要有隧道式侧向推力器和全回转推力器,全回转推力器能在360°范围内任意方向产生推力,且与同功率的侧向推进器相比较,船舶前进时推力下降小,同时可大大减少对水下测量设备工作的影响。从螺旋浆的水动力性能、水动力噪音、操纵机动性、机械结构、可靠性、维修性、设备成本等方面考虑,采用固定螺距全回转推力装置,通过改变螺旋浆的转速改变推力,因此必须采用变频装置向交流电动机供电,实现交流电动机调速,再驱动推力器。
现在的变频装置多采用脉宽调制技术(PWM),即通过高速半导体开关来产生具有一定宽度和极性的高速电压脉冲控制信号,可获得很大的调速范围,很好的调速平滑性和足够的刚度和机械特性。所以变频装置的有效使用,满足了动力定位系统对推力器的控制要求,能有效执行控制器的指令,合理分配各推力器的转速,从而使船舶有效对抗外界风力、波浪、海域等扰动力,保持其目标船位和艏向。具体控制过程如下:
推力器控制是一个闭环控制系统,由推力器控制系统、功率和转速控制单元、扭矩控制单元组成。推力器控制系统接收控制部分的转速信号,处理后传送到功率和转速控制单元;功率和转速控制单元将转速信号转变为电流(扭矩)信号,并传送到扭矩控制单元;扭矩控制单元则根据收到的电流信号反馈给变频装置,使变频装置输出电源的频率发生变化,从而控制推力器电动机的转速,推力器转速改变后,再将转速反馈给控制部分,实现推力器转速闭环控制。
变频装置的选用,要满足控制的要求,需内置PID及RS485通信控制功能,支持Modbus协议、流量,温度等被控量可任意设定、控制精度高,具有任意V/F,恒转矩/变转矩控制、16段速及自动程序运转功能,具有多路模拟量输入信号、、模拟量输出信号(0~10Vdc/4~20mA)。通过变频装置功能的有效设定,可实现全回转推力器起动加速性好、过渡过程延时短、制动快正反车速度切换快的要求,并可发挥出最佳的使用技术性能。
但是变频装置在工作时,由于电路中电压与电流的脉冲和高频振荡的谐波分量造成电磁干扰,使变频装置成了一个强电磁干扰源,它可通过辐射和传导的方式对电子电气设备产生严重干扰,影响动力定位系统甚至船上整个控制系统的运行,严重时会造成船电设备的损坏。如:船舶电网线路短,负荷密度大,电磁干扰会对船舶电网造成严重污染,使继电保护装置因受干扰失去作用;同时高次谐波电流在线路阻抗上形成谐波压降,导致线路过压击穿电缆、导线的绝缘,引起设备烧毁,发生火灾事故;另外,变频器产生的电磁干扰会使船舶控制系统中的变流装置的控制信号、幅度发生畸变,使控制角产生位移,从而引起自动测量、控制系统产生误差或误动作,严重时使变流装置失灵。
动力定位系统工作过程中,不能影响船舶电力系统的正常供电,也不能影响船舶控制系统的正常、有效运行,所以必须采取措施消除和避免电磁干扰造成的危害,提高动力定位系统的稳定性、可靠性。抑制变频装置的电磁干扰所应采取的技术措施有:
(1)对变频装置进行良好的屏蔽有效的屏蔽措施可防止系统向外辐射电磁波。变频装置采用屏蔽机箱,材料选择上采用良导体,且由于海洋环境的特殊性,要从电化学腐蚀角度选用材料;制作上要采用整板或一次铸造成型的整体机箱,尽量避免接缝,以避免缝隙向外辐射造成屏蔽不良。
(2)在变频装置的输入端、输出端加接电抗器在输入端加电抗器可有效阻遏浪涌电压,削弱三相电压不平衡对变频装置的不良影响,同时还可削弱输入电流的高谐波分量,提高功率因素,减少变频装置对电网的污染;输出端加接电抗器,可削弱变频输出的高次谐波,并减少电机的转矩脉动和温升,有效防止电机因长期受PWM斩波浪涌电压的冲击而使绝缘层等级下降。
(3)对设备进行合理电气布局,提高设备的抗干扰能力为减少设备对电磁干扰的感受能力,并避免由此产生新的干扰,在电路中把电气特性相同或相近的电路或信号集中,特性不同的隔开,即将强电与弱电信号、模拟电路与数字电路、高速元件与低速元件分开布局。
(4)对设备进行正确接地接地会给高频信号形成低阻通路,从而能抑制高频信号干扰。但是,电路在抗电磁干扰接地时,需要很低的高频阻抗和搭接可靠性,接地导线要采用扁平铜线,并尽量减少接地距离。
船舶动力定位系统作为高新技术,是多领域、多技术的融合,随着深海开发的深入,将有越来越大的应用,对其运用的稳定性、可靠性也将提出更高要求。但是随着船舶动力定位系统及船舶整体自动化程度的日益提高,电磁干扰也将会日益严重,所以变频装置作为该系统的重要一环,在合理选用、有效运用的基础上,要采取相应的技术措施,消除或减少随之产生的电磁干扰对设备、系统的影响、危害,实现船舶动力定位系统的稳定、可靠运行。