何　琪

(浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

船舶電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)研究

何琪

(浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

摘要：首先對船舶電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)的原理進(jìn)行數(shù)學(xué)上的理論證明和推導(dǎo)，然后建立電力推進(jìn)螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)，最后通過空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM控制算法，搭建Simulink仿真模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果證明，模擬系統(tǒng)所采用的模擬原理和方法的合理性。此方法也可應(yīng)用于其他的電氣傳動(dòng)模擬系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn);模擬系統(tǒng);實(shí)時(shí)仿真

0引言

船舶電力推進(jìn)跟其他推進(jìn)方式相比，具有工作噪音極小、效率高、功率密度大、可操作性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性靈活、既環(huán)保又節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為國內(nèi)外船舶制造界和高?？蒲性核难芯繜狳c(diǎn)。每一個(gè)投入到實(shí)際當(dāng)中的系統(tǒng)需要經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)才能轉(zhuǎn)入到實(shí)際當(dāng)中，因此盡量降低實(shí)際環(huán)境因素變化所帶來的研制成本，降低實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)各種問題的可能性，才能在實(shí)際推進(jìn)系統(tǒng)能夠多次地在模擬實(shí)際環(huán)境中只需要適當(dāng)改變參數(shù)就能夠進(jìn)行驗(yàn)證。最后，考慮到研發(fā)周期、實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試、系統(tǒng)性能的改進(jìn)等因素，在實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立適當(dāng)?shù)哪M仿真系統(tǒng)，是一種快速幾乎無成本驗(yàn)證結(jié)果的方式，降低了研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

軌道電力牽引、軋鋼中電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)的原理、功率等級和控制算法都與船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有很許多相似之處。目前，眾多的文獻(xiàn)中都只提及對模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形式、負(fù)載模型和控制策略，但缺少對負(fù)載模擬原理的推導(dǎo)和結(jié)果的詳細(xì)分析[1-2]。

本文對船舶電力推進(jìn)中螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)的原理進(jìn)行推導(dǎo)，并采用合適的模擬系統(tǒng)控制策略對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析。最后，利用Simulink仿真功能，對動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程和靜態(tài)性能進(jìn)行仿真和證明。為檢驗(yàn)?zāi)M原理的正確與否，還在實(shí)際的小比例螺旋槳模擬系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1模擬系統(tǒng)原理

目前用于船舶推進(jìn)的電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)采用高速的推進(jìn)電機(jī)。為了使其能夠與低速的負(fù)載進(jìn)行匹配，需要在推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳間配備減速箱。因此，對帶減速器的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究具有非常重要的實(shí)際意義。首先為船舶推進(jìn)系統(tǒng)中的軸系建立模型，然后利用數(shù)學(xué)知識推導(dǎo)出模擬系統(tǒng)原理方程。船舶推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括螺旋槳、減速器和推進(jìn)電機(jī)等。建立的船舶推進(jìn)模擬系統(tǒng)如圖2所示，主要由聯(lián)軸器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、模擬電動(dòng)機(jī)和扭矩傳感器等組成。通過控制模擬電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使模擬系統(tǒng)與實(shí)際推進(jìn)電機(jī)的軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，便可模擬實(shí)際的負(fù)載特性[3]。

圖1　船舶推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of the actual system

圖2　船舶推進(jìn)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the simulation system

對于實(shí)際中的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)，在忽略靜止、庫侖摩擦和軸兩端速度動(dòng)態(tài)上差異的情況下，根據(jù)牛頓力學(xué)中的第二定理，可得到

(Jm+J1)pωm+(Bm+B1)ωm+T1=Tm，

(1)

(Jp+J2)pωp+B2ωp+Tp=T2，

(2)

T1=N1T2/N2，

(3)

ωm=N2ωp/N1。

(4)

式中：Jm為船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jp為螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm為船舶推進(jìn)電機(jī)的粘滯摩擦系數(shù)；ωm為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角速度；ωp為螺旋槳的角速度；N1和N2分別為減速器的原端齒數(shù)和副端齒數(shù)；J1和J2分別為減速器原端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和副端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B1和B2分別為減速器原端粘滯摩擦系數(shù)和副端粘滯摩擦系數(shù)；ω1和ω2分別為減速器原端角速度和副端角速度；T1和T2分別為減速器原、副端轉(zhuǎn)矩；Tm為推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；p為微分算子。

定義傳動(dòng)比i=N2/N1，聯(lián)合式(1)～式(4)可得：推進(jìn)電動(dòng)機(jī)側(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的歸算值為JL′，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)側(cè)的負(fù)載粘滯摩擦系數(shù)的歸算值為BL′，則船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)載平衡方程為

(5)

式(5)表明船舶電力推進(jìn)電機(jī)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩

(6)

同樣，TL為模擬電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；J3為電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)側(cè)的歸算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B3為電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)側(cè)歸算負(fù)載粘滯摩擦系數(shù)；JL為模擬電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Jc為連軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；BL和Bs分別為模擬電動(dòng)機(jī)和扭矩傳感器的粘滯摩擦系數(shù)。因此，負(fù)載模擬系統(tǒng)的機(jī)械平衡方程可表示為

Tm-(Jmpωm+Bmωm)=TL+(J3pωm+B3ωm)。

(7)

對比式(5)和式(7)可得到：需要具備式(8)所列的條件表達(dá)式，才能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的模擬。

TL+(J3pωm+B3ωm)=TLP。

(8)

實(shí)現(xiàn)式(8)所表示的條件有2種方法：一是模擬直接控制電力推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的過程；二是模擬控制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制電磁轉(zhuǎn)矩的過程。在忽略摩擦的情況下，直接控制推進(jìn)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩有2種方式：一是加慣性飛輪補(bǔ)償轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；二是去掉具有慣性的飛輪。前一種方式下，只需使TL=Tp/i就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的模擬；后一種方式下，控制模擬推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償部分轉(zhuǎn)的動(dòng)慣量同樣可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的模擬。但這2種方式都需要計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償?shù)膯栴}。為了讓負(fù)載模擬更加地接近實(shí)際中的模型和工況，扭矩傳感器也不能省去?？紤]到這些因素，加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制外環(huán)后，可以間接地控制模擬推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加精確的負(fù)載模擬[4]。

對于一個(gè)幾十千瓦小功率的實(shí)際模擬系統(tǒng)，由扭矩傳感器中的摩擦所引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗可以完全忽略。因此，可以得到船舶推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于扭矩傳感器測量的轉(zhuǎn)矩與對接聯(lián)軸器的慣性轉(zhuǎn)矩的相加的總轉(zhuǎn)矩，即

TLm+JCpωm=Tm-(Jmpωm+Bmωm)=TLP。

(9)

聯(lián)立式(8)和式(9)可得

TLm-JCpωm=TL+(JLpωm+BLωm)。

(10)

雖然模擬推進(jìn)電機(jī)與船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)對稱地分布在扭矩傳感器的兩邊，但從式(9)與式(10)中可以看出，二者的數(shù)學(xué)符號不同，這正好代表了這2個(gè)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，即如果其中一個(gè)工作在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，則另一個(gè)必工作在發(fā)電狀態(tài)。因此，2個(gè)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向總相反，這個(gè)特點(diǎn)使能量能夠正確地流動(dòng)，同時(shí)也保證了船舶電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。聯(lián)和式(6)和式(9)可得

TLm=TP/i+(JL′-JC)pωm+BL′ωm。

(11)

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載的模擬，僅需按照式(11)所示的控制模擬系統(tǒng)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩即可。式(7)和式(11)所表達(dá)的原理可用圖3所示的模擬系統(tǒng)原理圖來示意。

圖3　模擬系統(tǒng)原理框圖Fig.3　Block diagram of the simulation system

一些簡單的負(fù)載，如風(fēng)機(jī)中的負(fù)載、水泵的負(fù)載、傳送帶的負(fù)載等可以通過一個(gè)多項(xiàng)式來表示一個(gè)負(fù)載的模型，但對于復(fù)雜的負(fù)載，如船舶電力推進(jìn)等特性就要建立特殊的負(fù)載模型(如船槳模型等)來獲得TLm*。實(shí)際軸負(fù)載轉(zhuǎn)TLm如圖3中的虛線框內(nèi)所示。它可以根據(jù)式(9)進(jìn)行計(jì)算或通過觀測的方式，也可以由扭矩傳感器直接測得。同樣地，它不需要知道電動(dòng)機(jī)的實(shí)際參數(shù)，大大減少了成本，降低了研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

2船用螺旋槳負(fù)載特性

負(fù)載模擬裝置模擬的是船舶實(shí)際運(yùn)行時(shí)的螺旋槳的推力特性和扭矩特性等負(fù)載特性。船槳模型的建立的基礎(chǔ)就是痛推力特性和扭矩特性把船、機(jī)、槳三者。此外，其中最顯著的反轉(zhuǎn)扭矩特性,則多用來檢驗(yàn)負(fù)載模擬系統(tǒng)的性能以及可行性。

螺旋槳的推力Fp和扭矩Tp以及槳的敞水效率等隨著船舶的螺旋槳的轉(zhuǎn)速和航行速度的比值變化關(guān)系等都是由船用螺旋槳推力特性來體現(xiàn)。螺旋槳通過推水產(chǎn)生動(dòng)力，除了其自身需要不停地旋轉(zhuǎn)外，還要隨船同步進(jìn)行軸向移動(dòng)。如果定義Vp為螺旋槳的凈轉(zhuǎn)速，那么螺旋槳的推力Fp和扭矩Tp可表示為

FP=KFρD4n2，

TP=KTρD5n2，

J=hp/D=vp/(nD)，

η0=FPvp/(2πTPn)=JKF/2πKT，

PP=πTPn/30。

式中:ρ為海水密度；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑；KT和KF分別為螺旋槳的推力和扭矩系數(shù);J為螺旋槳的進(jìn)速比；ηo為螺旋槳的扭矩效率；Pp為螺旋槳所需的功率。

敞水狀況下，KF-J和KT-J所顯示的螺旋槳敞水性質(zhì)如圖4所示。

圖4　螺旋槳的敞水性質(zhì)Fig.4　Propeller open water characteristic curve

3控制策略

控制軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是船舶電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)的目的，因此可采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)零靜態(tài)誤差的轉(zhuǎn)矩控制。此外，考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和控制精度等，船舶電力推進(jìn)模擬系統(tǒng)可采用前饋式間接矢量控制方法。圖5為與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)相關(guān)部分。空間矢量調(diào)制(SVM)，用于完成空間矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)算法。

圖5　控制策略示意圖Fig.5　Schematic diagram of the control strategy

根據(jù)圓形磁鏈的二維坐標(biāo)系下建立船舶電力推進(jìn)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的模型，可以得到

(12)

(13)

式中：ωsl為預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)差角頻率；iqs為定子電流的q軸分量；ψr為轉(zhuǎn)子磁通有效值；Lm為勵(lì)磁電感和轉(zhuǎn)子電感；Rr為轉(zhuǎn)子電阻。

聯(lián)立式(12)和式(13)可得

(14)

式(14)表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通不變時(shí)，與轉(zhuǎn)差頻率控制類似，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差成正比。穩(wěn)態(tài)性能方面，二者電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差都表現(xiàn)出比較良好的靜態(tài)性能；動(dòng)態(tài)性能方面，轉(zhuǎn)差頻率控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能比間接磁場定向控制要差很多。

4系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在Simulink中搭建負(fù)載模擬系統(tǒng)模型框圖，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的波形如圖6和圖7所示。當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)速度給定ωm*升高時(shí)，推進(jìn)電磁轉(zhuǎn)矩Tm先升高然后恢復(fù)原狀態(tài)；當(dāng)模擬推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)設(shè)TL*猛增時(shí)，為了維持轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)急劇增大以抵抗此變化。其中間過程會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，過后恢復(fù)到與電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)設(shè)值幾乎相等。這些結(jié)果正好證明了以上分析的正確性。

圖6　模擬電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形Fig.6　Analog motors and electromagnetic propulsion　motor torque waveform

圖7　Dynamic response waveformFig.7　Dynamic simulation waveform adjustment

圖8　模擬推進(jìn)電機(jī)由正轉(zhuǎn)進(jìn)入到反轉(zhuǎn)的過程曲線Fig.8　Curves of simulation propulsion motor from forward　into reverse

通過對螺旋槳的四象限工況進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果的詳細(xì)分析如下：圖8是實(shí)際的船舶電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)中模擬推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)系。其中OP段顯示船舶從零速正向起動(dòng)航行的過程；ON段表示反向起動(dòng)運(yùn)行的過程；ABCDE段表示正向反轉(zhuǎn)時(shí)對應(yīng)的螺旋槳運(yùn)行狀況。圖8中，電機(jī)處于推進(jìn)電機(jī)狀況時(shí)，船舶的航行速度vs由0開始正向旋轉(zhuǎn)或者反向旋轉(zhuǎn)，而此時(shí)螺旋槳模擬電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，工作在二四象限，特性曲線表現(xiàn)為原點(diǎn)對稱。螺旋槳反轉(zhuǎn)時(shí)的情況比較復(fù)雜，全過程可以分為3個(gè)階段，即AB，BCD和DE。AB段模擬的過程是螺旋槳速度降低、船舶的航行速度開始下降，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，工作在第二象限；BCD段模擬推進(jìn)電機(jī)往第一象限推進(jìn)電機(jī)的逼近過程。此時(shí)，模擬船舶處于水輪機(jī)工作狀態(tài)繼續(xù)前行，而螺旋槳由于受到阻力會(huì)維持之前的旋轉(zhuǎn)方向；DE段模擬推進(jìn)電機(jī)在第四象限的工作情況，此時(shí)，雖然螺旋槳開始逆向旋轉(zhuǎn)，船舶的航行速度會(huì)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后才逐漸變負(fù)[7]。

5結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)建立的過程，并分析和實(shí)現(xiàn)了各種典型工況(比如變速、突然加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩方向自由改變等)下螺旋槳的工況模擬，仿真結(jié)果顯示了良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和調(diào)節(jié)過程，證明了船舶電力推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)的可行性，同時(shí)也說明以上的數(shù)學(xué)分析是正確的。最后，電力推進(jìn)的負(fù)載模擬原理和方法也可以推廣應(yīng)用到其他電氣傳動(dòng)模擬系統(tǒng)上，給其他領(lǐng)域的科研工作者提供一些參考。

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Research of load simulation system for marine electric propulsion

HE Qi

(Zhejiang International Maritime College,Zhoushan 316021,China)

Abstract：This paper firstly, deduce the principle of ship electric propulsion system load simulation, then build electric propulsion propeller load simulation system. Finally, use the space vector pulse width modulation SVPWM control algorithm and build Simulink simulation model for simulation. The simulation results prove the rationality of the simulation system used by the simulation principles and methods, and has some promotional. This method can be applied to other reference analog electric drive systems.

Key words：electric propulsion;simulation system;real-time simulation

作者簡介：何琪( 1980 - ) ，男，講師，主要研究方向?yàn)榇白詣?dòng)化。

收稿日期：2014-10-19； 修回日期： 2014-11-10

文章編號：1672-7649(2015)02-0128-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.027

中圖分類號：U664.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A