電力推進(jìn)船的螺旋槳負(fù)載特性仿真與模擬試驗

范 輝，賀海濤，湯天浩

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306; 2.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

電力推進(jìn)船的螺旋槳負(fù)載特性仿真與模擬試驗

范 輝1，賀海濤2，湯天浩2

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306; 2.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

針對電力推進(jìn)船舶在風(fēng)浪中航行的各種工況，考慮船舶運(yùn)動和風(fēng)浪作用，建立帶有風(fēng)浪擾動的電推船槳模型。采用永磁同步電動機(jī)對螺旋槳負(fù)載特性進(jìn)行仿真模擬，通過矢量控制使永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性與螺旋槳各種工況的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性一致。在MATLAB/Simulink軟件平臺上進(jìn)行全數(shù)字建模與仿真，并進(jìn)行半實(shí)物的模擬試驗，驗證系統(tǒng)的可行性。

螺旋槳負(fù)載特性；風(fēng)浪干擾模型；永磁同步電機(jī)；半實(shí)物模擬

隨著船舶電力推進(jìn)迅速發(fā)展和被廣泛應(yīng)用，船舶的操控性得到極大改善。電動機(jī)帶動螺旋槳四象限運(yùn)動的負(fù)載特性研究至關(guān)重要，特別是風(fēng)、浪、流干擾下的工作特性分析的重要性日益凸顯。目前，負(fù)載模擬系統(tǒng)可用來模擬船舶在各工況下的航行情況，為船舶設(shè)備的設(shè)計制造提供參考；同時，其還可作為推進(jìn)電機(jī)各種工況下性能檢驗的一種手段。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]在螺旋槳特性四象限的擬合與仿真方面提供有詳細(xì)的數(shù)據(jù)及闡述，但只考慮船舶在靜水中直線航行的情況。文獻(xiàn)[3]從整體上對模擬系統(tǒng)進(jìn)行闡述。已有研究很少考慮風(fēng)浪對螺旋槳特性的影響，并通過電機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)。

對此，研究和建立風(fēng)浪干擾力模型與船槳模型相結(jié)合的螺旋槳模擬系統(tǒng)，采用永磁同步電動機(jī)矢量控制，完成螺旋槳在各種工況下的四象限負(fù)載特性的仿真模擬。

1 系統(tǒng)總體框架

螺旋槳模擬仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。由速度傳感器檢測軸系速度，送到船槳模型中，計算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速和船速下的螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，作為電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩給定。永磁同步電動機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，其電磁轉(zhuǎn)矩為

(1)

式(1)可換算成永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定電流iq，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器及坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成uα和uβ，輸入SVPWM調(diào)制模塊，驅(qū)動負(fù)載變頻器控制負(fù)載電機(jī)，使得轉(zhuǎn)矩的特性與實(shí)際螺旋槳轉(zhuǎn)矩的特性相符合，構(gòu)成螺旋槳負(fù)載特性模擬系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 風(fēng)浪工況下的船槳模型

2.1船槳模型

船槳模型是用數(shù)學(xué)公式描述船在靜水中直線航行、正車、倒車及系纜等工況下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T、推力P、螺旋槳轉(zhuǎn)速n和船速vs之間的關(guān)系，并考慮船與槳之間的相互影響。螺旋槳負(fù)載特性可通過簡化的船槳模型得以體現(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]，得到螺旋槳負(fù)載計算框圖見圖2。為考慮風(fēng)浪干擾的影響，增加虛線部分作為風(fēng)和浪的干擾力。

圖2 螺旋槳負(fù)載計算框圖

直線航行時四象限船槳水動力數(shù)學(xué)模型為

J=vp/(nD)

(2)

KP=f(J)

(3)

KT=f(J)

(4)

P=Kpρn2D4

(5)

T=KTρn2D5

(6)

(7)

(8)

式(2)～式(8)中：P為推力；T為轉(zhuǎn)矩；ρ為海水密度，kg/m3;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,r/s;D為螺旋槳直徑;vp為螺旋槳相對于水的速度，m/s;J為四象限進(jìn)速比;KP和KT分別為螺旋槳推力系數(shù)及轉(zhuǎn)矩系數(shù)；t為推力減額系數(shù)；vs為船速；Cz為船舶總阻力系數(shù)；Pe為有效推力，與推力P的關(guān)系體現(xiàn)推力減額系數(shù)t的作用，Pe=(1-t)P；vp與vs的關(guān)系體現(xiàn)伴流系數(shù)w的作用，vp=(1-w)vs。

應(yīng)注意，螺旋槳在船舶航速保持為零時(如船舶停泊時)正向航行或反向航行的機(jī)械特性曲線相對原點(diǎn)對稱(見圖3中的實(shí)線)。當(dāng)航速為某定值、螺旋槳反向減速時，情況相對復(fù)雜(見圖3中的虛線)，整個正反轉(zhuǎn)過程可分為以下3個階段：

1) 螺旋槳轉(zhuǎn)速n降低，船速vs開始下降，轉(zhuǎn)矩T下降(T>0)；

2) 轉(zhuǎn)速n和船速vs仍為正(n>0)，但出現(xiàn)負(fù)的轉(zhuǎn)矩T(T<0)，并會出現(xiàn)最大負(fù)轉(zhuǎn)矩，此時船舶繼續(xù)向前航行，而螺旋槳將在水壓的作用下盡力維持原來的旋轉(zhuǎn)方向；

3) 螺旋槳開始反轉(zhuǎn)(n<0，T<0)，但船速vs不會立即變負(fù)，而是在一段時間之后才變負(fù)。

圖3 螺旋槳負(fù)載特性曲線

2.2風(fēng)浪干擾模型

在船舶運(yùn)動控制系統(tǒng)中，通常用慣性坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系來描述船舶的狀態(tài)，其中：慣性坐標(biāo)系固定在地球表面，作為基準(zhǔn)參考系統(tǒng)；附體坐標(biāo)系隨船舶一起運(yùn)動，原點(diǎn)O取船舶中心或重心，x軸指向船首，y軸指向右舷，z軸指向龍骨。船舶運(yùn)動有6個自由度，分別為沿x軸的縱蕩運(yùn)動、沿y軸的橫蕩運(yùn)動、沿z軸的垂蕩運(yùn)動、繞x軸的橫搖運(yùn)動、繞y軸的縱搖運(yùn)動和繞z軸的艏搖運(yùn)動。

若只考慮船舶在平面內(nèi)的運(yùn)動，則可只考慮縱蕩運(yùn)動、橫蕩運(yùn)動和艏搖運(yùn)動。將附體坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在船舶重心處，則三自由度運(yùn)動方程為

(9)

(10)

式(10)中：推力PeX和阻力RX如式(8)所示，其中下標(biāo)X強(qiáng)調(diào)力作用在船舶縱向運(yùn)動上(如圖2中的虛線框所示)。

2.2.1風(fēng)的干擾力

圖4 風(fēng)干擾力計算框圖

平均風(fēng)壓力為

(11)

式(11)中：ρa(bǔ)為空氣密度；Af為船舶水線以上的正投影面積；As為船舶水線以上的側(cè)投影面積；uR為船與風(fēng)的相對速度；αR為船與風(fēng)的相對風(fēng)向角，規(guī)定風(fēng)從左舷吹來時>0，反之<0，取值范圍為[-180°,180°]；CwX(αR)為X軸方向的風(fēng)壓力系數(shù)，這里采用文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[7]中總結(jié)的回歸公式。

(15)

式(12)～式(15)中：Loa為船體長度；B為船體寬度；Af和As分別為船舶水線以上的正投影面積及側(cè)投影面積；Hc為側(cè)投影面積中心到水平面的高度；HBR為上層建筑頂部到水平面的高度；AOD為甲板以上部分的側(cè)投影面積；C為側(cè)投影面積中心到船中剖面的水平坐標(biāo)；β,δ,ε為船舶試驗系數(shù)(見表1)。

表1 CwX(αR)計算系數(shù)表

(16)

a)CwX隨αR的變化曲線b)F-windX隨αR的變化曲線

隨相對風(fēng)向角αR的變化曲線

a)F～wind隨αR的變化曲線b)Fwind隨αR的變化曲線

2.2.2波浪的干擾力

波浪的干擾力較為復(fù)雜，這里只根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算仿真。波浪干擾力分為一次干擾力和二次干擾力，其中：一次干擾力為高頻、微幅波，作用在船上主要引起縱搖和垂蕩運(yùn)動，這里可忽略；二次干擾力則會改變船舶航行的航向和航跡等，因此主要計算二次干擾力。

圖7 波浪干擾力計算框圖

規(guī)則干擾力為

(17)

式(17)中：ρ為海水密度；Loa為船長；a=h/2為波幅；h為波高；χ為船與浪的遭遇角，逆時針為正，變動范圍為[0,2π]；λ為波長；CwX(λ)為試驗系數(shù)。

CwX(λ)=0.05-0.2(λ/Loa)+0.75(λ/Loa)2-0.51(λ/Loa)3

(18)

不規(guī)則干擾力為

(19)

Δw=(wmax-wmin)/30

(20)

wi=(i+1)Δw-randn(1)Δw

(21)

(22)

(23)

試驗系數(shù)CwX(λ)隨λ/Loa的變化曲線見圖8。

圖8 CwX(λ)隨λ/Loa的變化曲線

a)F-waveX隨χ的變化曲線b)F～waveX隨χ的變化曲線c)FwaveX隨χ的變化曲線

3 各種工況下螺旋槳特性仿真

PMSM電機(jī)模型及其SVPWM調(diào)制方法在很多文獻(xiàn)[9-11]中都有闡述，這里不再贅述。將船槳模型和PMSM控制系統(tǒng)連接起來進(jìn)行整體的仿真。船槳模型以實(shí)船參數(shù)為參照，是一個大的慣性系統(tǒng)，加速和減速都很緩慢，轉(zhuǎn)矩也很大。若要在小系統(tǒng)內(nèi)做實(shí)物仿真，必然需合理地縮小系統(tǒng)?，F(xiàn)假設(shè)轉(zhuǎn)矩縮小為1/5 000，船體質(zhì)量縮小為1/10 000，時間軸也相應(yīng)縮小。Simulink模型見圖10。

圖10 Simulink模型

3.1直接緩慢啟動，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(工況1)

該工況下的轉(zhuǎn)速-船速曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線見圖11。

a)轉(zhuǎn)速-船速曲線b)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖11 工況1下各參數(shù)的變化曲線

3.2分級啟動(工況2)

該工況下的轉(zhuǎn)速-船速曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線見圖12。

a)轉(zhuǎn)速-船速曲線b)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖12 工況2下各參數(shù)的變化曲線

3.30速倒車，穩(wěn)定后正車至額定轉(zhuǎn)速(工況3)

該工況下的轉(zhuǎn)速-船速曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線見圖13。

a)轉(zhuǎn)速-船速曲線b)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖13 工況3下各參數(shù)的變化曲線

3.4在風(fēng)浪工況下從0速啟動

在船舶三自由度運(yùn)動模型中，風(fēng)速和風(fēng)向通常是穩(wěn)定的，船舶進(jìn)行10°左右的Z字型航行或左右35°的回旋運(yùn)動，此時考慮風(fēng)、浪的作用力對船舶運(yùn)動的影響。

考慮到模型船為直線航行，若考慮風(fēng)浪的作用力對船的干擾，則可采取變換風(fēng)向的方式來進(jìn)行。無論風(fēng)向和航向如何變化，最終的效果都是相對風(fēng)向角αR和遭遇角χ發(fā)生變化。

現(xiàn)假設(shè)海面以上10 m高處的風(fēng)速為15 m/s，風(fēng)向角隨時間在[-180°,180°]內(nèi)變化(見圖14)。

圖14 相對風(fēng)向角αR隨時間變化曲線

3.5船舶從0速開始加速(工況4)

該工況下的轉(zhuǎn)速-船速曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線見圖15。

a)轉(zhuǎn)速-船速曲線b)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖15 工況4下各參數(shù)的變化曲線

3.6在風(fēng)浪工況下0速倒車，穩(wěn)定后正車至額定轉(zhuǎn)速(工況5)

該工況下的轉(zhuǎn)速-船速曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線見圖16。

a)轉(zhuǎn)速-船速曲線b)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖16 工況5下各參數(shù)的變化曲線

由上述分析可知，船速在風(fēng)的干擾力FwindX和浪的干擾力FwaveX的作用下有一定的起伏；同樣，轉(zhuǎn)矩在航行過程中也有一定的起伏。

4 半實(shí)物模擬試驗

由以上分析可知，實(shí)現(xiàn)螺旋槳負(fù)載特性模擬的核心是控制永磁同步電機(jī)電流的轉(zhuǎn)矩分量iq跟隨系統(tǒng)的給定參考量iq-ref變化，并考慮到模擬系統(tǒng)中負(fù)載電機(jī)在大多數(shù)工況下是作為發(fā)電機(jī)工作的。在該前提下，可在試驗設(shè)備不足的情況下適當(dāng)?shù)卦O(shè)計替代方案。改變試驗方案后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖17，可用調(diào)壓器從電網(wǎng)中接出三相電壓，模擬永磁電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)，三相橋工作在整流狀態(tài)下，在模擬試驗方案中只要控制有功電流跟隨船槳模型計算出的給定參考量變化，即可達(dá)到模擬的效果。

1) 主電路：在試驗平臺中選用Myway公司MWINV-9R144型號整流器，調(diào)壓器原邊、副邊星形連接，交流側(cè)電感5，直流側(cè)負(fù)載60，電容1500。由于整流器集成有采樣電路及保護(hù)電路，因此只需將采樣信號引入到控制器中，由控制器完成采樣信號恢復(fù)、鎖相、控制算法處理及產(chǎn)生PWM控制信號。

2) 控制器：dSPACE/DS1104 是德國的一家高新科技公司開發(fā)的dSAPCE平臺，適用于快速控制原型(RCP)和硬件在回路仿真(HILS)。

圖17 模擬試驗方案硬件部分控制結(jié)構(gòu)圖

使用DS1104進(jìn)行風(fēng)浪干擾螺旋槳負(fù)載特性模擬系統(tǒng)的半實(shí)物模擬。螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)包含RTI接口的Simulink模型。

對工況1進(jìn)行模擬。模擬試驗方案是用調(diào)壓器從電網(wǎng)中接出三相電壓來代替永磁同步電動機(jī),鎖相環(huán)代替PMSM的編碼器。整流系統(tǒng)的有功電流對應(yīng)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流，轉(zhuǎn)矩方程為

(24)

則模擬試驗方案的整流系統(tǒng)給定參考量為

(25)

同時控制模擬整流方案的無功電流，則可通過坐標(biāo)變換計算出電網(wǎng)側(cè)三相電流(iq=0)為

(26)

(27)

(28)

式(26)～式(28)中：pn和ψf均為常數(shù)，可看出螺旋槳負(fù)載特性的轉(zhuǎn)矩值可由電網(wǎng)側(cè)三相電流的外廓線表示出來。

將工況1的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Torque.mat文件，并加載到dSPACE中，作為控制系統(tǒng)的給定參考量，得出螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)的模擬試驗結(jié)果見圖18。

圖18 網(wǎng)側(cè)電流外廓線表示負(fù)載特性轉(zhuǎn)矩

將試驗結(jié)果與圖10b相對照，證明了螺旋槳負(fù)載特性模擬試驗的正確性。

5 結(jié)束語

根據(jù)風(fēng)、浪各自的特性建立風(fēng)浪干擾模塊，進(jìn)而建立船舶在風(fēng)浪工況下的船槳模型，進(jìn)行螺旋槳特性仿真，給出各工況條件下螺旋槳負(fù)載特性曲線，并分析風(fēng)浪干擾的影響。在此基礎(chǔ)上，搭建螺旋槳負(fù)載特性模擬系統(tǒng)的半實(shí)物平臺，采用dSPACE/DS1104控制永磁同步電機(jī)模擬實(shí)際的螺旋槳負(fù)載。同時，針對靜水中直接啟動工況的螺旋槳負(fù)載特性進(jìn)行半實(shí)物模擬試驗，證明了系統(tǒng)的可行性。

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SimulationandTestofLoadCharacteristicsofPropellerinElectricPropulsionShips

FANHui1,HEHaitao2,TANGTianhao2

(1.School of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China;2.Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

According to the operating condition of electric propulsion ships in the wind and waves,taking the motion characteristics of ships acted by the force of wind and waves into account,a model of propeller in electric ships with wind and waves disturbing is built.A Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) based on vector control method is used to simulate the propeller’s load characteristics under various working conditions.Some simulation and testing using MATLAB/Simulink and a semi-physical simulation are carried out to verify the feasibility of the system.

load characteristics of propeller; model of wind/wave disturbance; PMSM; semi-physical simulation

U664.3

A

2017-02-11

國家自然科學(xué)基金(61503242)

范 輝(1973—)，男，上海人，高級工程師，碩士，研究方向為電機(jī)與設(shè)計。E-mail:fanhui@sdju.edu.cn

1000-4653(2017)02-0019-06