船用雙電樞直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

張明武，梁星星，張鵬

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船用雙電樞直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

張明武，梁星星，張鵬

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為了解決船用雙電樞直流推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，本文首先介紹一型具體的船舶直流電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析，并確定系統(tǒng)的最佳控制器模式。在計(jì)算仿真的基礎(chǔ)上，確定控制器的具體參數(shù)，通過仿真及系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制器參數(shù)的合理性。

雙電樞 直流電力推進(jìn)系統(tǒng) 穩(wěn)定性

0 引言

在某些大功率船用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中，由于冗余設(shè)計(jì)與功率匹配的需要，把推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)成共軸結(jié)構(gòu)，即把兩臺(tái)參數(shù)基本相同的電機(jī)的電樞設(shè)計(jì)在同一根驅(qū)動(dòng)軸上。這種共軸雙電樞結(jié)構(gòu)的直流電力推進(jìn)系統(tǒng)具有功率大、生命力強(qiáng)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[1]，應(yīng)用于某些重要船舶中。

在某些船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，為了獲得較寬范圍的調(diào)速性能，往往采用多種調(diào)速方式的共同作用：一是通過電源配電開關(guān)與電樞開關(guān)的切換，達(dá)到成倍地改變電樞電壓來進(jìn)行在不同的速區(qū)內(nèi)的速度調(diào)節(jié)。某型船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)速區(qū)組合結(jié)構(gòu)如圖1；二是通過電力電子斬波裝置連續(xù)地改變電樞電壓來進(jìn)行速度調(diào)節(jié)；三是通過改變電機(jī)的勵(lì)磁電流（磁通）來進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。同時(shí)，為了提高船舶的生存能力及獲得較寬范圍的調(diào)速性能，推進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)電樞可單獨(dú)運(yùn)行、串聯(lián)運(yùn)行，也可并聯(lián)運(yùn)行。電力推進(jìn)系統(tǒng)在如此復(fù)雜的工作模式下，如何保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性就是一個(gè)關(guān)鍵問題。

另外，在實(shí)際的系統(tǒng)中，雖然推進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)電樞的基本結(jié)構(gòu)是一致的，但是由于電機(jī)本身制造的原因?qū)е码姍C(jī)的氣隙尺寸、繞組型式、端接尺寸、漏磁通路徑等不可能完全一致，兩個(gè)電樞在部分特性上存在差異，這種差異致使雙電樞串聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)行時(shí)都存在兩個(gè)電樞負(fù)荷分配不均問題。嚴(yán)重時(shí)，使推進(jìn)電機(jī)效率降低，運(yùn)行不穩(wěn)定，這也是一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

對于如何解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，文獻(xiàn)[1]側(cè)重于保證雙電樞本身的一致性，并且僅從雙電樞并聯(lián)運(yùn)行時(shí)對勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足穩(wěn)定性要求這一點(diǎn)進(jìn)行說明。而文獻(xiàn)[2]僅從如何使雙電樞負(fù)載均衡方面來進(jìn)行說明，認(rèn)為穩(wěn)定性的首要問題是保證雙電樞的負(fù)載均衡，理想的辦法也是通過對勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)來保證負(fù)載均衡，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)踐證明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題要更復(fù)雜一些，復(fù)雜性主要表現(xiàn)為：調(diào)速模式的復(fù)雜性、負(fù)載特性（螺旋漿特性）的復(fù)雜性等。在實(shí)際的船舶大功率雙電樞電力推進(jìn)系統(tǒng)中，解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題主要辦法是對雙電樞的勵(lì)磁電流進(jìn)行綜合的協(xié)調(diào)控制，以保證在不同的調(diào)速模式及復(fù)雜的負(fù)載工況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文側(cè)重于勵(lì)磁電流的控制器本身參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過對控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)雙電樞、雙閉環(huán)的控制模型，雙電樞為共軸的前電樞、后電樞結(jié)構(gòu)，雙環(huán)為速度環(huán)（外環(huán)）、電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）結(jié)構(gòu)。對模型的要求：可以在任意單、雙電樞及系統(tǒng)電源組合下，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作于雙環(huán)（速度環(huán)+電流環(huán)）或單環(huán)（電流環(huán)）狀態(tài)。

圖1 速區(qū)組合結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖2。

系統(tǒng)模型中，雙電樞的電流環(huán)是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，可以在沒有速度環(huán)參與下單獨(dú)工作，前、后樞電流環(huán)可以單獨(dú)工作，也可以并聯(lián)工作。

在設(shè)計(jì)時(shí)，我們選定一個(gè)典型工況進(jìn)行控制器參數(shù)整定。同時(shí)為了分析計(jì)算的方便，我們選擇已有的某型船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行具體的數(shù)值計(jì)算，以驗(yàn)證分析研究的可行性。

圖2 系統(tǒng)模型

2.1 電流環(huán)數(shù)學(xué)模型

前樞電流數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）：

其中：

2()為電流環(huán)節(jié)的校正器，在這里設(shè)計(jì)成PI結(jié)構(gòu)；

后樞電流數(shù)學(xué)模型與前樞電流數(shù)學(xué)模型是基本相同的，唯一不同的是為了考慮到負(fù)載均衡問題而在后樞模型的輸入端加入了前后樞的電流差值模型，其作用是保證雙電樞同時(shí)工作時(shí)的負(fù)載均衡。

2.2 速度環(huán)數(shù)學(xué)模型

圖3 速度環(huán)數(shù)學(xué)模型

2.3 系統(tǒng)模型的其他考慮

前面已經(jīng)說明，為了保證雙電樞的負(fù)載均衡，在后電樞的勵(lì)磁電流環(huán)中加入了電樞電流的差值模型ID。同時(shí)為了抑制在某些不正常的工況下出現(xiàn)過大的電樞電流，在系統(tǒng)模型的前后勵(lì)磁電流環(huán)中加入了電樞電流的截止模型ID1和ID2。

3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電流環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

根據(jù)前面敘述，電流環(huán)對象模型為：

電流環(huán)校正環(huán)節(jié)2()選擇為PI控制器，使基于電流環(huán)的單位反饋系統(tǒng)（開環(huán)系統(tǒng)）校正為一個(gè)II型系統(tǒng)，使階躍給定信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)誤差（靜差）為0。令PI控制器為：

按三階工程最佳設(shè)計(jì)方法[4]設(shè)計(jì)電流PI控制器的參數(shù)：

電流環(huán)開環(huán)模型，為II型系統(tǒng)：

等效單位反饋下的電流環(huán)節(jié)的閉環(huán)模型：

即把電流環(huán)節(jié)（開環(huán)模型）校正成典型二階環(huán)節(jié)，對閉環(huán)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，其相角裕量為70.9°，顯然，單閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

為了系統(tǒng)綜合方便，把電流環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)作降階處理，近似等效為一慣性環(huán)節(jié)[3]：

因此，電流環(huán)節(jié)的閉環(huán)模型：

3.2 速度環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

按三階工程最佳設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)速度PI控制器的參數(shù)：

系統(tǒng)的速度閉環(huán)傳函為：

對上式的特征方程進(jìn)行求根，所有根均具有負(fù)實(shí)部。對速度閉環(huán)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖4，其相角裕量為49.1°，因而速度閉環(huán)系統(tǒng)是較好穩(wěn)定的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

上述控制器參數(shù)是在典型工況下整定的，在其它工況下對參數(shù)進(jìn)行了核算，核算的結(jié)果表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。以上述分析計(jì)算的參數(shù)作為參考，對勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)的控制器進(jìn)行了整定，該系統(tǒng)已在某型船舶上進(jìn)行了應(yīng)用，在不同試驗(yàn)條件下，如陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)、實(shí)際的航行試驗(yàn)等不同工況下進(jìn)行了嚴(yán)格的試驗(yàn)考核，試驗(yàn)結(jié)果證明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖5是陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)的低速、中速、高速啟動(dòng)與運(yùn)行的轉(zhuǎn)速波形。

圖5 陸上聯(lián)調(diào)工況下的轉(zhuǎn)速波形

5 結(jié)束語

在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)理論中，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)是理論及應(yīng)用上比較成熟的系統(tǒng)，但是大功率雙電樞直流電力推進(jìn)系統(tǒng)由于其應(yīng)用的特殊性，在實(shí)踐中還是遇到穩(wěn)定性等問題。本文主要通過對系統(tǒng)模型的分析，把問題的解決方法集中到勵(lì)磁電流控制器的設(shè)計(jì)上，通過理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明此方法是可行的。

[1] 董國保, 王宗亮. 推進(jìn)電機(jī)雙電樞負(fù)荷均衡方法研究. 電機(jī)技術(shù), 2009（2）.

[2] 胡國葆. 雙電樞他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)兩電樞回路并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行的理論分析. 船電技術(shù), 2001（4）.

[3] 熊健, 張凱, 陳堅(jiān). PWM 整流器的控制器工程化設(shè)計(jì)方法. 電工電能新技術(shù), 2002（7）.

[4] 胡壽松.自動(dòng)控制原理. 北京: 科學(xué)出版社（第五版）, 2007.

Research of the Steadiness of Ship Double Armatures DC Electric Propulsion System

Zhang Mingwu, Liang Xingxing, Zhang Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273U664.14

A

1003-4862（2014）10-0025-04

2014-03-03

張明武(1967-)，男，高級工程師。研究方向：電力電子應(yīng)用技術(shù)。