一种长短电缆低压接岸电电压控制装置的制作方法

本发明涉及船舶用电技术领域，特别是涉及一种长短电缆低压接岸电电压控制装置。

背景技术：

船舶岸电技术是指船舶在靠港期间接入码头侧的电网，从岸上电源获得其水泵、通信、通风、照明和其他设施所需的电力，从而关闭自身的柴油发电机。因此船舶接岸电后能够有效地减少废气的排放，具有节能环保的显著优点；同时通过使用船舶接岸电能够消除船舶自备发电机组运行产生的噪音污染，减少噪声扰民，有利于我国水运绿色、低碳及可持续发展。所以，船舶接岸电已成为我国甚至是世界未来发展的趋势，而且我国政府及其交通部门、航运企业、港口企业都大力推行岸电的使用。

由于船舶接入的岸电与船舶电负荷容量、港口所处的环境特征有很大的关系。而我国接岸电大多采用固定的岸电电压向船舶岸电箱供电，但由于海港码头存在潮起和潮落，内河等码头存在涨水季节和枯水季节，如长江沿岸或洞庭湖区的涨水季节和枯水季节岸电电源与船舶泊位的直线距离变化有几百米甚至超过两千米，这样，在涨水季节采用枯水季节同样长度的电缆则会导致大量不必要的线路损耗，且过长的电路移动和连接也不方便。

另外，现有船舶接岸电的电压大多是根据船舶电源容量和最长电缆长度进行估算得到的。然而，这种估算方法没有考虑到船舶靠岸后可能因为负荷变化而引起电压变化，从而致使船舶电气设备很可能在过高或过低的电压下运行，导致船舶电气设备存在严重的安全隐患和影响船舶电气设备的使用寿命，并很可能会影响了岸电使用的实用性和通用性。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种长短电缆低压接岸电电压控制装置，根据涨水或枯水、涨潮或退潮时岸电电源与船舶泊位之间的距离变化选用对应容量和对应长度的电缆，并通过伺服电机对岸电输出电压进行合适的选择，并根据负荷变化自动调节岸电输出电压，从而确保船舶负荷在正常的电压范围内工作，保证船舶电气设备的使用安全和延长电气设备的使用寿命，并有效地减少电缆的功率损耗和电缆接线的工作量，提升岸电使用的积极性、实用性和通用性。

一种长短电缆低压接岸电电压控制装置，包括岸电电源模块、多种不同长度的电缆、电压选择器和伺服电机；

所述岸电电源模块的输入端接入市电电源，滑动触点输出端通过电缆输出电压到外部船舶电气设备；

所述多种不同长度的电缆分别用于船舶与岸电电源在不同距离上的接线；

所述电压选择器根据当前选用的电缆的长度得到岸电电源模块需要输出的当前电压；

所述伺服电机的手动控制输入端与所述电压选择器的输出端电连接，输出轴与所述岸电电源模块的滑动触点输出端上的滑动触点驱动连接；且所述伺服电机由电压选择器根据所述当前电压控制，从而驱动滑动触点移动，实现岸电电源模块的输出电压为所述当前电压。

由此通过上述技术方案，本发明长短电缆低压接岸电电压控制装置能够根据涨水或枯水、涨潮或退潮时岸电电源与船舶泊位之间的距离变化选用对应容量和对应长度的电缆，并通过伺服电机对岸电输出电压进行合适的选择，从而确保船舶负荷在正常的电压范围内工作，保证船舶电气设备的使用安全和延长电气设备的使用寿命，并有效地减少电缆的功率损耗和电缆接线的工作量，提升岸电使用的积极性、实用性和通用性。

优选地，在岸电电源模块输出初始电压前，电压选择器根据当前选用的电缆的长度通过伺服电机控制岸电电源模块的初始输出电压；所述初始输出电压的相电压U与电缆长度l之间的关系满足公式：其中，U_i为岸电电源输入端接入的市电电源所对应的相电压；ρ为当前选用的电缆的电阻率，s为当前选用的电缆的截面积，I为当前选用的电缆的基准电流。由此通过此处限定，实现根据电缆长度计算并选择合适的电压大小，满足实际需要并进一步提高岸电使用的积极性、实用性和通用性。

优选地，在岸电电源模块输出电压到外部船舶电气设备的过程中，电压选择器还根据电缆在实际工作中的有效电流通过伺服电机控制岸电电源模块的当前工作输出电压对应的相电压；所述当前工作输出电压的相电压U'与电缆长度l及电缆的有效电流I'之间的关系满足公式：其中，U_i为岸电电源输入端接入的市电电源所对应的相电压；ρ为当前选用的电缆的电阻率，s为当前选用的电缆的截面积。由此通过此处限定，有利于在供电过程中及时应对由于船舶电荷量变化而产生的当前电压对船舶来说过高或过低的现象，通过实时检测流经电缆的电流实现对供电过程中的岸电电源模块输出电压的合理调整，进一步保证了船舶电气设备能够在合适的电压下运行，并进一步保证船舶电气设备的使用寿命和提高岸电通用性和实用性。

优选地，本发明长短电缆低压接岸电电压控制装置还包括电流检测模块和控制器；

所述电流检测模块的输入端与所述岸电电源模块的输出端电连接，输出端与所述控制器的输入端电连接，并将检测得到的流经电缆的瞬时电流值传输至所述控制器；

所述控制器的输出端与所述伺服电机的自动控制输入端电连接，并根据所述瞬时电流值处理得到相应的控制信号，并通过该控制信号控制所述伺服电机的运转状态，实现通过伺服电机带动岸电电源模块的滑动输出端上的滑动触点滑动，调整岸电电源模块的输出电压。

由此通过此处限定，结合自动控制和手动控制对伺服电机的运行状态进行控制，能够进一步根据船舶电负荷变化自动调节岸电电源模块的输出电压，提高电压的回复效率和调整精度，进一步确保船舶负荷在正常的电压范围内工作，进一步保证船舶电气设备的使用安全，并有利于进一步延长船舶电气设备的使用寿命。

优选地，所述控制器处理根据瞬时电流值处理得到瞬时电流值的有效值与电缆的基准电流值的差值及当前瞬时电流值与上一瞬时电流值的差值并根据差值和进行比例、微分和积分处理，得到所述控制信号β，其中，K₁为比例系数，K₂为微分环节控制系数，K₃为积分环节控制系数。通过此处限定，有利于通过比例控制、微分控制和积分控制实现当负荷急剧变化，负载电压可能超过船舶负荷允许的电压变化范围时，控制器能够在较短的时间内将负荷电压恢复到允许的电压变化范围内，实现电压的快速恢复；同时，能够修正由于温度、控制器本身、负荷变化小而控制器不能动作时产生的控制电压出现的偏差。由此进一步有效地保证了船舶电气设备的使用安全和进一步延长电气设备的使用寿命，并进一步提高岸电使用的积极性、实用性和通用性。

优选地，所述岸电电源模块为三相稳压调压变压器，其滑动触点三相输出端可调电压的最小值等于输入电压，且其滑动触点三相输出端可调电压的最大值等于输入电压的1.2～1.3倍；及所述电流检测模块包括3个电流互感器；所述3个电流互感器分别与所述三相稳压调压变压器的三相输出端连接；及所述多种不同长度的电缆中，每种长度规格的电缆具有至少3根。通过此处限定，有利于提高本装置的控制稳定性和简化本装置的结构，并避免不必要的电源损耗。

优选地，所述控制信号β的绝对值越大，所述岸电电源模块输出的电压变化越大；且，β的正值和负值分别对应于所述岸电电源模块输出电压的增大和减小。由此能够进一步保证控制器对伺服控制器控制的准确度和易操作性。

优选地，只有在β＞2V或β＞5V时，伺服电机才对岸电电源模块的输出电压进行调整。通过此处限定，有效地根据船舶电气设备的电荷变化对电压要求的稳定精度高低及伺服电机自身的最小动作调整船舶负荷的电压差最小调整值，也即，当船舶电气设备的电负荷变化对电压的要求稳定精度高时，经过多次试验，此时将船舶负荷的电压差最小调整值(也即伺服电机的最小动作电压)设定为2V时，在β＞2V时再对输出电压进行调整，对电压的调整和对伺服电机的控制为最优的；而当船舶电气设备的电负荷变化对电压的要求稳定精度低时，经过多次试验，此时将船舶负荷的电压差最小调整值设定为5V时，在β＞5V时再对输出电压进行调整，对电压的调整和对伺服电机的控制为最优的。

优选地，所述多种不同长度的电缆的长度规格范围为30m～2000m。通过此处限定，结合季节及环境的因素对电缆的长度规格范围进行限定，以满足实际应用，并合理选取电缆以避免一律使用较长的电缆引起的电能损耗，有利于进一步节省能源。

优选地，所述伺服电机的输出轴通过滚珠丝杆实现驱动所述岸电电源模块输出端上的滑动触点进行直线运动，并由所述电压选择器和所述控制器进行控制改变滑动触点的位置，实现岸电电源模块的输出电压可调。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明长短电缆低压接岸电电压控制装置的结构示意图；

图2为本发明长短电缆低压接岸电电压控制装置与外部船舶电气设备电连接后的示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，本发明提供了一种长短电缆低压接岸电电压控制装置，其包括岸电电源模块1、多种不同长度的电缆、电压选择器3、伺服电机4、电流检测模块5和控制器6。

所述岸电电源模块1的输入端接入市电电源，滑动触点输出端通过电缆输出电压到外部船舶电气设备。在本实施例中，为了适于实际应用，优选地，所述岸电电源模块1(在图中未示出其稳压器部分)为三相稳压调压变压器，由稳压器和调压变压器组成，其三相输入端接入市电电源，其滑动触点三相输出端可调电压的最小值等于输入电压，且其滑动触点三相输出端可调电压的最大值等于输入电压的1.2～1.3倍。在本实施例中，当岸电电源模块1的三相输入端接入400V的市电(在岸电电源模块1容量大时还可以接更高的高压电)，此时岸电电源模块1的滑动触点三相输出端可通过滑动触点的移动获得400～500V的交流电压。在本实施例中，所述三相稳压调压变压器自身具有稳压功能，即滑动触点不移动时变压器的稳压功能体现在输出的电压的变化范围在船舶负荷要求的电压变化范围内，该三相稳压调压变压器接入的市电电源先通过稳压器稳压后再输入到调压变压器。在本实施例中，由于稳压器和调压变压器分别与现有稳压器和调压变压器的结构相同，故在此不再赘述。

具体地，所述多种不同长度的电缆分别用于船舶与岸电电源在不同距离上的接线，且每种长度规格的电缆具有至少3根。在本实施例中，由于岸电电源模块1为三相稳压调压变压器，具有三相输出端，则相应地，每种长度规格的电缆具有3根。

进一步，在本实施例中，所述多种不用长度的电缆的长度规格为30m～2000m。其中，本实施例中必须存在30m和2000m这两种规格的电缆，并在这两种长度规格的范围内选取一种或多种长度的电缆。

具体地，所述电压选择器3根据当前选用的电缆的长度得到岸电电源模块1需要输出的当前电压。为得到合理的岸电电源输出电压，在本实施例中，优选地，在岸电电源模块1输出初始电压前，电压选择器3根据当前选用的电缆的长度通过伺服电机控制岸电电源模块1的初始输出电压；所述初始输出电压的相电压U与电缆长度l之间的关系满足公式：其中，U_i为岸电电源输入端接入的市电电源所对应的相电压；ρ为当前选用的电缆的电阻率；s为当前选用的电缆的截面积；I为当前选用的电缆的基准电流，由采用的电缆的截面积确定，可从电缆与其基准电流相关的手册中查到。以及，在岸电电源模块1输出电压到外部船舶电气设备的过程中，电压选择器3还根据电缆在实际工作中的有效电流通过伺服电机控制岸电电源模块1的当前工作输出电压对应的相电压；所述当前工作输出电压的相电压U'与电缆长度l及电缆的有效电流I'之间的关系满足公式：其中，U_i为岸电电源输入端接入的市电电源所对应的相电压；ρ为当前选用的电缆的电阻率，s为当前选用的电缆的截面积，I'可通过所述电流检测模块5检测得到的电流瞬时值计算得到。

由此，通过电压选择器3在上述两种不同的情况下得到当前合适的电压大小，并输入相应的控制到伺服电机4中，实现通过伺服电机4驱动岸电电源模块1的三相滑动输出端上的滑动触点移动，适当地改变当前输出电压，从而保证船舶电气设备在正常的电压范围内工作。

具体地，所述伺服电机4的手动控制输入端与所述电压选择器3的输出端电连接，自动控制输入端与所述控制器6的输出端电连接，输出轴与所述岸电电源模块1的滑动触点输出端上的滑动触点驱动连接；且所述伺服电机4由电压选择器3根据所述当前电压(在确定岸电电源模块1初始输出电压时，所述当前电压为初始输出电压的相电压U；在岸电电源模块1输出电压的过程中，所述当前电压为工作输出电压的相电压U')控制，从而驱动滑动触点移动，实现岸电电源模块的输出电压为所述当前电压。

在本实施例中，所述伺服电机4为实现将其输出轴的转动运动转化为带动滑动触点上下移动或左右移动的直线运动，优选地，所述伺服电机4的输出轴41通过滚珠丝杆实现驱动所述岸电电源模块1输出端上的滑动触点进行直线运动，并由所述电压选择器3和所述控制器6进行控制改变滑动触点的位置，实现岸电电源模块1的输出电压可调。在本实施例中，所述伺服电机只有一部，且其输出轴通过滚珠丝杆同时与所述三相稳压调压变压器的三相输出端上的滑动触点驱动连接，实现同步驱动滑动触点进行直线运动。另外，在其它变形实施例中，所述伺服电机可以有3部，每部伺服电机的输出轴分别通过滚珠丝杆与所述三相稳压调压变压器的三相输出端上的滑动触点驱动连接，且所有伺服电机的运行是同步的，运行的位移和方向均相同。

具体地，所述电流检测模块5的输入端与所述岸电电源模块1的输出端电连接，输出端与所述控制器6的输入端电连接，并将检测得到的流经电缆的瞬时电流值传输至所述控制器6。为优化控制和提高控制精度，优选地，所述电流检测模块5包括3个电流互感器；所述3个电流互感器分别与所述三相稳压调压变压器的三相输出端连接。

具体地，所述控制器6根据所述瞬时电流值处理得到相应的控制信号，并通过该控制信号控制所述伺服电机4的运转状态，实现通过伺服电机4带动岸电电源模块1的滑动输出端上的滑动触点滑动，调整岸电电源模块的输出电压。为进一步提高岸电使用的积极性、实用性和通用性，本实施例中，优选地，所述控制器6为比例微分积分控制器6，且其根据瞬时电流值处理得到瞬时电流值的有效值与电缆的基准电流值的差值及当前瞬时电流值与上一瞬时电流值的差值并根据差值和进行比例、微分和积分处理，得到所述控制信号β，其中，K₁为比例系数，K₂为微分环节控制系数，K₃为积分环节控制系数。

进一步，电缆的有效电流I'可由控制器6根据瞬时电流值处理得到，在本实施例中，如果输入的市电电源线电压为380V，则对应的相电压为220V，也即，此时比例系数而微分环节控制系数K₂和积分环节控制系数K₃则根据实际船舶对电压调整精度的要求进行相应的数学建模，例如，当船舶对电压调整精度和调整速度要求高时，则微分环节控制系数K₂和积分环节控制系数K₃则取一适应的中间值，微分环节控制系数K₂和积分环节控制系数K₃的取值都不能过高；当船舶对电压调整精度要求高且对调整速度要求低时，则适应地提高积分环节控制系数K₃的值且适应地降低微分环节控制系数K₂的值；当船舶对电压调整精度要求低且对调整速度要求高时，则适应地降低积分环节控制系数K₃的值且适应地提高微分环节控制系数K₂的值。以下，通过例子说明微分环节控制系数K₂和积分环节控制系数K₃的获取原理：

1)当对电压调整速度要求高且对电压调整精度无要求时，通过建模，将岸电电源模块1当前输出的电压大小分别骤增和骤减60％后，功率因数小于0.4时，当前电压恢复到要求值的15％以内时对应的系数为K₂，也即，时，此时建立的模型对应的微分环节控制系数即为K₂；而积分环节控制系数K₃则可根据K₂取得一合适的值即可。

2)当对电压调整速度无要求且对电压调整精度要求高时，通过建模，当静态电压差＜2.5％时的模型对应的积分环节控制系数即为K₃，也即，时，此时建立的模型对应的积分环节控制系数即为K₃，而微分环节控制系数K₂则可根据K₃取得一合适的值即可。

3)当对电压调整速度要求较高且对电压调整精度要求较高时，结合上述1)和2)中的方法建立一适当的模型，得出合适的微分环节控制系数K₂和积分环节控制系数K₃。

进一步，当所述控制信号β的绝对值越大，表示所述岸电电源模块1输出的电压变化越大；且，所述控制信号β的正值和负值分别对应于所述岸电电源模块1输出电压的增大和减小。进一步，伺服电机4是否需要开始调整电压的动作，取决于其最小动作对应的电压，该最小动作电压为船舶负荷的电压差最小调整值，设其对应的最小调整值为β_min。优选地，该最小调整值β_min在船舶电气设备的电负荷变化对电压的要求稳定精度高且伺服电机4的动作精度高时，取值为2V；该最小调整值β_min在船舶电气设备的电负荷变化对电压的要求稳定精度低或伺服电机4的动作精度低时，取值为5V。则，只有在β＞2V或β＞5V时，伺服电机4才对岸电电源模块1的输出电压进行调整。

以下，简单说明一下本发明对三相稳压调压变压器的调节电压的原理：

1)电缆长度选择：

根据海船潮/起潮落或内河湖泊船舶涨水/枯水季节时岸电电源与船舶泊位的直线距离，选取不同长度的没有中间接头的电缆，在船舶和岸电电源之间进行连接，且船舶靠泊时的最大电源容量＜电缆电源容量＜岸电电源容量。

2)岸电电源模块1的稳压调压：

岸电电源模块1采用三相稳压调压变压器，其一次侧(即输入端)接市电400V(容量大时可接高压电)，二次侧(即输出端)通过滑动触点的移动可获得400～500V的电压，而三相稳压调压变压器自身具有稳压功能，即滑动触点不移动时变压器的稳压在船舶负荷要求的电压变化范围内。

3)在岸电电源模块1输出初始电压前，通过电压选择器3的电压选择即伺服电机4的手动控制输入端的电压选择)确定岸电电源模块1所需的初始输出电压：

在本实施例中，给岸电电源模块1输入端的市电电源为400V，则对应的相电压U_i为230V，故估算电缆电压其次，估算滑动触点端口相电压U(U在230～280V之间，对应线电压400～500V)，即，如果电缆为铜电缆，则ρ为0.0175；s(单位：平方毫米)根据船舶额定电负荷选择合适的截面积的电缆，可从相关的手册中查到；l(单位：米)为电缆长度，根据船舶泊位与岸电的距离选择；I当前选用的电缆的基准电流，由采用的电缆的截面积确定，可从电缆与其基准电流相关的手册中查到。则可根据计算得到岸电电源模块1当前需要输出的电压，并通过电压选择器3手动控制伺服电机4的工作，由伺服电机4驱动滑动触点移动控制岸电电源模块1的初始输出电压。

4-1)在岸电电源模块1的供电过程中，进一步通过比例微分积分控制器6对伺服电机4的自动控制：

A、电流检测：利用电流互感器检测三相电流，向比例微分积分控制器6提供瞬时电流值。

B、通过反相比例运放电路计算得到比例控制信号β₁，实现比例控制。

C、通过微分运放电路计算得到微分控制信号β₂，实现微分控制。由此当负荷急剧变化时，负载电压可能超过船舶负荷允许电压变化范围，比例微分积分控制器6能够通过微分控制实现在较短的时间内将负荷电压恢复在允许电压变化范围内，故通过微分控制环节能够实现快速恢复电压。

D、通过积分运放电路计算得到积分控制信号β₃，实现积分控制。由此可以避免由于温度、比例微分积分控制器6本身、及负荷变化小等原因而引起的比例微分积分控制器6不能动作导致的电压控制出现偏差，即通过该积分控制环节能够修正控制偏差。

E、得出控制伺服电机4动作的控制信号β，

4-2)在岸电电源模块1的供电过程中，当船舶电压变化过大而仅通过控制信号β无法实现岸电电源模块1输出电压的快速调整时，还进一步通过电压选择器3对伺服电机4进行手动控制：

根据公式计算得到岸电电源模块1当前所需输出的电压，并在电压选择器3中输入与该电压对应的标号，从而通过电压选择器3输入到相应的控制信号至伺服电机4，由伺服电机4驱动滑动触点移动对岸电电源模块1的输出电压进行调整。

通过4-1)和4-2)的控制，能够实现船舶电气设备时刻并快速在一正常的电压范围内工作，进一步保证了用电安全和设备安全。且在上述两种控制中，只要伺服电机4的手动控制输入端无控制信号输入，比例微分积分控制器6就会通过自动控制输入端实现对伺服电机4的控制。

5)伺服电机4的动作：

首先，伺服电机4先通过3)中电压选择器3确定的电压进行手动控制，实现岸电电源模块1输出相应的初始输出电压。然后，在岸电电源模块1供电的过程中，船舶电压变化不大时通过4-1)中的比例微分积分控制进行自动控制，并在船舶电压变化过大时通过4-2)中的电压选择器3进行手动控制。然后，伺服电机4在获取控制信号后，通过转轴的转动经滚珠丝杆转化为直线运动而带动滑动触点上下移动或者左右移动，使滑动触点端口获得400～500V范围的可控三相电压，并通过伺服电机4正转或反转可以控制电压的升高或降低，由此伺服电机4获取信号和转动输出信号能够3秒内完成，以保证船舶负载的电压稳定时间，不影响设备的正常运行和安全性。

则使用本装置时，需要先根据船舶实际停靠的泊位确定需要选用的电缆的长度，然后将选取的3根电缆的同一端分别与所述三相输出端上的滑动触点电连接。随后，根据公式于电压选择器3中选择当前岸电电源模块1需要输出初始电压大小，并通过伺服电机4的手动控制输入端输入到伺服电机4，控制伺服电机4带动滑动触点运动以控制岸电电源模块1输出相应的初始输出电压。随后，再通过比例微分积分控制器6或电压选择器4在供电过程中的得到的控制信号控制伺服电机4动作并带动滑动触点移动，实现伺服电机4根据外部船舶的负荷变化自动调节岸电电源模块1的输出电压。

另外，本发明还具有其它变形实施例，例如：

将电流检测模块5和控制器6去除，仅通过电压选择器3控制伺服电机4实现对岸电电源模块1初始输出电压的输出，并通过电压选择器3控制伺服电机4在岸电电源模块1的供电过程中调整岸电电源模块1的输出电压。其中，在岸电电源模块1的供电过程中，电缆的有效电流I'可借助外部电流检测模块获得。

相对于现有技术，本发明长短电缆低压接岸电电压控制装置能够根据涨水或枯水、涨潮或退潮时岸电电源与船舶泊位之间的距离变化选用对应容量和对应长度的电缆，并通过伺服电机对岸电输出电压进行合适的选择，并根据负荷变化自动调节岸电输出电压，从而确保船舶负荷在正常的电压范围内工作，保证船舶电气设备的使用安全和延长电气设备的使用寿命，并有效地减少电缆的功率损耗和电缆接线的工作量，提升岸电使用的积极性、实用性和通用性。并且，根据负荷电流通过比例微分积分控制伺服电机，伺服电机再控制滑动触点，改变岸电电源模块输出电压，使船舶负荷电压稳定，微分环节和积分环节具有控制速度快、控制精度高的特点。这样，一方面可使船舶电气工作在安全的电压范围内，可以有效地延长电气使用寿命。另一方面船舶在泊位时，由于具有安全放心的电压，增加船员接岸电的信心，从而增加接岸电的船舶数量，实现更大范围的节能环保。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。