船舶螺旋槳負(fù)載模擬裝置設(shè)計(jì)

吳 雁

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

艦船電力推進(jìn)是指以柴油發(fā)電機(jī)組或其它多種靈活的方式獲得電能，以電機(jī)直接推動推進(jìn)器的艦船推進(jìn)方式。與傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)方式最大的區(qū)別是用交流或直流電動機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳，易于獲得理想的拖動特性，提高艦船的操控性、機(jī)動性等優(yōu)點(diǎn)，是今后船舶推進(jìn)的發(fā)展趨勢[1]。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載特性與船、水、航速和轉(zhuǎn)速都有關(guān)系。

傳統(tǒng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備多使用水力測功器作為模擬負(fù)載，水力測功器的體積龐大，安裝麻煩，成本高，負(fù)載調(diào)節(jié)不精確（特別是電機(jī)低速段），數(shù)據(jù)采集不便，難以進(jìn)行負(fù)載特性試驗(yàn)，更重要的是試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的能量以熱的形式散失掉，能源浪費(fèi)巨大。

所以，研制螺旋槳模擬負(fù)載裝置對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制研究有著重要作用。

1 船舶螺旋槳負(fù)載模擬裝置硬件設(shè)計(jì)

船舶螺旋槳負(fù)載模擬裝置不僅能夠模擬船舶在不同航行狀態(tài)下相對應(yīng)的螺旋槳機(jī)械負(fù)載特性，而且可以作為一種通用控制裝置，完成各種具備典型機(jī)械負(fù)載特性的負(fù)荷加載[2]。

螺旋槳負(fù)載裝置的硬件系統(tǒng)組成如圖 1所示，該系統(tǒng)主要由直流發(fā)電機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、主控電路、信號傳感器和變送器、冷卻系統(tǒng)和控制裝置等組成。

1) 直流發(fā)電機(jī)

功率200 kW，電壓400 V。

2) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、A/D、D/A、I/O和計(jì)數(shù)脈沖量測量板等組成。

3) 主控電路

具有斷相、過載、欠壓等保護(hù)，并與計(jì)算機(jī)控制和推進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)行連鎖保護(hù)。

4) 信號傳感器及變送器

被測信號通過0～5 V電壓或4～20 mA電流信號，脈沖信號進(jìn)行整形，開關(guān)量進(jìn)行濾波，便于實(shí)時采集。

5) 冷卻系統(tǒng)

冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷。

6) 控制裝置

采用全數(shù)字控制器。

圖1 螺旋槳負(fù)載模擬裝置硬件系統(tǒng)組成

2 螺旋槳負(fù)載模擬裝置軟件設(shè)計(jì)

螺旋槳負(fù)載模擬裝置軟件主要包括螺旋槳特性計(jì)算程序相關(guān)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

2.1 螺旋槳負(fù)載模型建立

船舶電力推進(jìn)通過控制推進(jìn)電動機(jī)拖動螺旋槳負(fù)載推進(jìn)船舶運(yùn)動。推進(jìn)電動機(jī)及其控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)要與螺旋槳負(fù)載相匹配才能夠更好的發(fā)揮電力拖動的優(yōu)點(diǎn)。

螺旋槳是安裝在船尾，它的工作受船體運(yùn)動的影響，同時由于螺旋槳的存在和工作，船體的流場也發(fā)生變化，從而使船體的航行阻力也發(fā)生了變化。在綜合考慮船體和螺旋槳之間的相互作用來建立螺旋槳負(fù)載模型，并結(jié)合三次樣條插值方法確定螺旋槳模型中阻力、推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)和某條船舶的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立如下的數(shù)學(xué)模型[3]。

船體運(yùn)動的運(yùn)動方程為

式中：m為船體質(zhì)量；k為附連水系數(shù)；阻力Ff由Ff- us獲得；t由圖譜t-us獲得。

螺旋槳對船體產(chǎn)生的推力為

螺旋槳作用在推進(jìn)電機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩為

建立了船槳的運(yùn)動模型就可以方便地利用計(jì)算機(jī)來求解。當(dāng)初始船速已知，可以獲得船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[4，5]。

圖2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框圖

螺旋槳特性計(jì)算程序依據(jù)以上所述船舶螺旋槳負(fù)載模型編制。

2.2 控制軟件

控制軟件要求能夠?qū)崿F(xiàn)顯示、控制、負(fù)載選擇、數(shù)據(jù)存儲等功能。

設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺旋槳負(fù)載模擬裝置監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

3 船舶螺旋槳負(fù)載模擬裝置試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。包括六相雙Y繞組電勵磁同步電動機(jī)、同步電動機(jī)控制器和螺旋槳負(fù)載模擬裝置三部分。其中，同步電動機(jī)控制器采用兩組三相逆變器為同步電動機(jī)的兩套Y繞組供電。

3.2 螺旋槳負(fù)載模擬試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速從 400 rpm經(jīng)過不同過渡時間調(diào)節(jié)到-400 rpm所對應(yīng)的螺旋槳負(fù)載模擬試驗(yàn)曲線如圖5～圖8所示。圖中，淺色曲線為給定的負(fù)載特性，深色曲線為負(fù)載模擬裝置產(chǎn)生的模擬負(fù)載。

試驗(yàn)驗(yàn)證該負(fù)載模擬裝置具備很好的保護(hù)功能。

圖4 電力推進(jìn)模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 過渡時間為4 min的模擬試驗(yàn)曲線

圖6 過渡時間為2 min的模擬試驗(yàn)曲線

圖7 過渡時間為1 min的模擬試驗(yàn)曲線

圖8 過渡時間為0.5 min的模擬試驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語

通過文中的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性。

電力推進(jìn)擁有很好的發(fā)展前景，作為一系列配套的電力推進(jìn)船舶陸用聯(lián)調(diào)試驗(yàn)配套設(shè)備，螺旋槳負(fù)載模擬裝置具備廣泛的應(yīng)用空間。

考慮到大噸位船舶推進(jìn)系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，螺旋槳負(fù)載模擬裝置的研制有必要向更大功率的方向發(fā)展。

[1]顧繩谷. 電機(jī)及拖動基礎(chǔ)（下冊）[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[2]李殿璞編著.船舶運(yùn)動與建模. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1999： 255-265.

[3]Oyvind Notland Smogeli. Control of marine propellers from normal to extreme conditions[D]. Norwegian University of Science and Technology, 2006.

[4]劉勇, 從望. 螺旋槳負(fù)載特性動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的研究.船電技術(shù), 2002： 22-25.

[5]陳實(shí)如, 王軍等. 船用螺旋槳負(fù)載動態(tài)試驗(yàn)仿真裝置研究. 船電技術(shù), 2001.