基于定子電流的電力推進船舶螺旋槳故障診斷

黃 輝, 褚建新, 沈愛弟

(上海海事大學(xué) 航運技術(shù)與控制工程交通部重點實驗室， 上海 201306)

基于定子電流的電力推進船舶螺旋槳故障診斷

黃 輝, 褚建新, 沈愛弟

(上海海事大學(xué) 航運技術(shù)與控制工程交通部重點實驗室， 上海 201306)

針對電力推進船舶建立船槳模型，研究螺旋槳和推進電機以及螺旋槳轉(zhuǎn)距和推進電機定子電流之間的關(guān)系。通過提取推進電機中定子電流信號以及分析定子電流的頻譜,對螺旋槳的故障進行診斷，仿真實驗證明了該方法的有效性。

船舶工程;電力推進；定子電流；螺旋槳故障；頻譜分析

電力推進船舶的推進系統(tǒng)通常由推進電機和螺旋槳組成，其中螺旋槳是船舶前進的最重要動力源。船舶航行的水域有時十分復(fù)雜，如碼頭附近有漂浮的硬物、航道上有沉船、冰區(qū)有浮冰。船舶在復(fù)雜的水域中航行時，螺旋槳可能會出現(xiàn)碰到水中漂浮物、發(fā)生擱淺、纏到纜繩或錨鏈等狀況，造成卷邊、槳葉變形，嚴重的甚至造成槳葉折斷。因船舶螺旋槳故障而發(fā)生重大海上安全事故的案例屢見不鮮。例如2000年11月，法國“戴高樂”號航空母艦在北大西洋進行首次遠洋試驗時發(fā)生了螺旋槳槳葉折斷事故，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和政治影響。[1]

受工作環(huán)境的限制，對船舶螺旋槳進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷十分困難。為保證船舶安全運行，通常會對其螺旋槳進行定期檢查，但針對性和準確性不高，而且不能在船舶航行過程中實時發(fā)現(xiàn)問題，以便及時采取措施。因此，可采取間接檢測的方式對螺旋槳的狀態(tài)進行判斷，即通過檢測與螺旋槳相關(guān)的機械的或電的變化判斷螺旋槳的狀態(tài)。這種間接方式具有實時、準確等優(yōu)點，是研究的重點。文獻[2]對螺旋槳軸油液的常規(guī)理化性能檢驗、油液光譜分析和鐵譜分析等油液檢測技術(shù)進行了研究，通過分析螺旋槳軸油液，對螺旋槳軸進行故障分析。文獻[3]通過提取導(dǎo)管內(nèi)壁的壓力脈動數(shù)據(jù)，建立了基于CFD的導(dǎo)管螺旋槳故障診斷系統(tǒng)；通過研究螺旋槳不同故障工況下的水動力性能和流場特點，提出螺旋槳故障監(jiān)測與診斷的方法，取得了良好效果。文獻[4]將非線性滑模觀測器引到水下航行體螺旋槳的故障診斷中，從設(shè)計的非線性觀測器中提取故障診斷信息，利用模糊診斷原理分析殘差信號，通過分析殘差序列水下螺旋槳進行故障診斷。對于電力推進船舶，其推進電機定子電流與螺旋槳負載的變化息息相關(guān)，對推進電機電子電流進行分析可間接得出螺旋槳狀態(tài)的變化，電機定子電流的分析也已成為很多場合故障診斷的依據(jù)[5-7]。

基于推進電機定子電流的電力推進船舶螺旋槳故障診斷方法，即當(dāng)電力推進船舶的螺旋槳發(fā)生卷邊、變形、斷裂等故障時，其轉(zhuǎn)矩會發(fā)生變化，從而引起推進電機轉(zhuǎn)矩的變化，推進電機定子電流也會發(fā)生相應(yīng)變化。因此，通過分析推進電機定子電流的異常，對電力推進船舶的螺旋槳進行故障診斷。

1 螺旋槳與推進電機的數(shù)學(xué)模型

在內(nèi)河船舶電力推進系統(tǒng)中，推進電機一般選用4極異步變頻電動機。在較大容量的電力推進系統(tǒng)中，推進電機直接連接螺旋槳，中間不配置減速齒輪箱，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由船-槳系統(tǒng)的特點及其基本理論可知，槳的推力和轉(zhuǎn)矩隨進速系數(shù)的不同而變化。由于槳的轉(zhuǎn)速可測、船速可由船-槳模型求得，因此可建立如下船-槳模型[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

KQ=KQ(J)

(5)

KT=KT(J)

(6)

(7)

式(1)～式(7)中：λ為附加質(zhì)量系數(shù)；m為船體質(zhì)量；vs為船舶相對于水域速度；t為推力減額系數(shù)；P為螺旋槳推力；TQ為螺旋槳轉(zhuǎn)矩；Rf為船舶所受的阻力；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；DP為螺旋槳直徑；ρ為水的密度；ξ為船舶總阻力系數(shù)；w為伴流系數(shù)；KT為推力系數(shù)；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J為進速系數(shù)。其中，式(5)和式(6)的曲線值可由螺旋槳的敞水特性獲得。

推進電機驅(qū)動螺旋槳，水中轉(zhuǎn)動的螺旋槳產(chǎn)生推力并作用于船體，使船舶發(fā)生運動。可見，船-槳系統(tǒng)中存在2個慣性子系統(tǒng)：螺旋槳旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和船舶平動子系統(tǒng),兩者之間有推力和轉(zhuǎn)矩的傳遞。圖2給出了船舶運動的船-槳模型框圖[9]。

船舶直線航行時,輸入的是螺旋槳轉(zhuǎn)速，輸出的是船舶航行的航速和螺旋槳轉(zhuǎn)矩。船舶與螺旋槳之間的運動是相互影響的，船體對螺旋槳的作用稱為伴流系數(shù)，螺旋槳對船體的作用稱為推力減額系數(shù)。轉(zhuǎn)矩受伴流系數(shù)的影響，而航速由螺旋槳推力(受推力減額系數(shù)的影響)產(chǎn)生。

圖2 船-槳模型框圖

2 推進電機定子電流與螺旋槳轉(zhuǎn)距關(guān)系

為分析轉(zhuǎn)矩與定子某一相電流的關(guān)系，通過M-T同步旋轉(zhuǎn)坐標變換建立推進電機的數(shù)學(xué)模型，分析其定子電流。經(jīng)過M-T坐標變換后，把定子電流分離成了轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量2個獨立變量。[10]

圖3 推進電機M-T軸系動態(tài)等效電路

令M軸與定子磁通鏈的方向Ψs一致，M軸和T軸相互垂直。由于Ψs方向與M軸一致，因此Ψs在T方向上的分量ΨsT為0。isT是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te的有效(轉(zhuǎn)矩)電流分量，isM是產(chǎn)生有效磁勢、磁通的勵磁電流分量。

在同步旋轉(zhuǎn)M-T坐標變換中，坐標軸與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，T軸和M軸相互垂直，M軸與定子旋轉(zhuǎn)磁通方向一致，可把A,B,C三相電流在T軸和M軸上分解為

(8)

當(dāng)異步電機同步旋轉(zhuǎn)M-T坐標變換M軸與定子旋轉(zhuǎn)磁通方向一致時，其狀態(tài)方程為

(9)

由此可得

(10)

轉(zhuǎn)子回路方程可表示為

(11)

電磁轉(zhuǎn)距為

(12)

(13)

(14)

式(13)～式(14)中:ωs為轉(zhuǎn)差角速度，ωs=ω-ωr。ω,ωr分別為旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。

在實際的電力推進系統(tǒng)船舶中，推進系統(tǒng)的傳動軸較短，若忽略其轉(zhuǎn)動慣量，機械運動平衡方程為

Te-Bmωm-Jmpωm=TQ

(15)

式(15)中：Te為推進電機電磁轉(zhuǎn)矩；ωm為推進電機機械角速度；JP為螺旋槳轉(zhuǎn)動慣量；Bm為推進電機黏滯摩擦系數(shù)；p為微分算子；TQ為螺旋槳轉(zhuǎn)矩。

由式(13)～式(15)建立螺旋槳轉(zhuǎn)矩與推進電機定子電流間的關(guān)系。將式(8)展開，可得到由isM，isT表示的A，B，C三相電流，例如A相電流為

isA(t)=i0sin(2πft+φ0)

(16)

isM及isT不能直接測量，利用坐標變換可得到由isM及isT表示的A，B，C三相電流，其中式(16)為正常狀態(tài)下定子電流的表達式，故障時電流中包含了電網(wǎng)頻率和螺旋槳故障振動的故障頻率，可通過分析定子電流檢測出螺旋槳故障。

3 仿真實驗

假設(shè)船舶正處于正常航行狀態(tài)，式(1)的附加質(zhì)量系數(shù)λ取1.1，船舶正車航行時推力減額系數(shù)t取0.145 5，伴流系數(shù)w取0.157，阻力系數(shù)取10[11]，仿真中螺旋槳與推進電機直接相連，電機轉(zhuǎn)速取600 r/min。根據(jù)對螺旋槳水動力性能的分析, 可在MATLAB中仿真出螺旋槳故障診斷模擬系統(tǒng)(見圖4)。

圖5為螺旋槳故障前和故障后仿真所得的定子電流時域信號，可看出，當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)損壞時，推進電機定子電流時域信號并未出現(xiàn)較大歧變，根據(jù)電流的時域波形判斷不出螺旋槳故障，其時域反應(yīng)并不明顯。圖6為螺旋槳故障前和故障后的定子電流的頻域信號，其中60 Hz為提供推進電機運轉(zhuǎn)的交流電頻率，故障前頻譜中只存在這一頻率。產(chǎn)生故障后，頻譜中產(chǎn)生了間隔為10 Hz的邊頻帶，這與仿真前設(shè)置的螺旋槳轉(zhuǎn)速頻率一致，故可判斷螺旋槳出現(xiàn)了故障。

圖4 螺旋槳故障檢測示意圖

(a) 故障前

(b) 故障后

綜上所述，推進電機定子電流對由轉(zhuǎn)矩引起的波動十分敏感，當(dāng)故障電流信號在時域表現(xiàn)不明顯時，可對其進行頻譜分析，在頻域中觀察頻譜變化、判斷運行狀態(tài)。

通過分析推進電機定子電流，對螺旋槳進行監(jiān)測。螺旋槳故障種類有很多，最直接的表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩的變化導(dǎo)致定子電流頻譜的變化。如果需要更詳細地檢測螺旋槳損壞程度(如卷邊程度、斷裂程度等)，需通過大量試驗提取故障數(shù)據(jù)以及更深入的分析手段，通過分析故障數(shù)據(jù)掌握螺旋槳各種故障從輕微到嚴重時定子電流的變化規(guī)律，掌握故障早期的信號特征，以便及時采取措施。

對于推進系統(tǒng)的其他故障,也可通過分析推進電機定子電流得出，每種故障對應(yīng)一種信號，比如，若齒輪出現(xiàn)點蝕磨損，定子電流中會出現(xiàn)與齒輪齒數(shù)及轉(zhuǎn)軸頻率乘積對應(yīng)的故障頻率，由此可進行故障的判斷。如需確切知道故障的程度，同樣需要進行大量的試驗與分析。

(a) 故障前

(b) 故障后

4 結(jié) 語

鑒于螺旋槳工作環(huán)境的特殊性，直接對螺旋槳進行故障診斷比較困難，這方面研究也較少。本文采用間接檢測推進電機定子電流的方法對螺旋槳進行故障診斷，仿真實驗結(jié)果證明了該方法的有效性，可為進一步進行螺旋槳的故障診斷工作提供幫助。

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DiagnosisofPropellerFaultofElectricPropulsionShipBasedonStatorCurrent

HUANGHui,CHUJianxin,SHENAidi

(Key Laboratory of Marine Technology amp; Control Engineering Ministry Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The ship-propeller math model of the electric propulsion ship is established, and the relation between the propeller torque and the motor stator current is studied. The spectrum analysis of the motor stator current is performed to diagnose the fault of the propeller of the electric propulsion ship. The method is proved effective by simulation test.

ship engineering; electric propulsion； stator current； propeller fault； spectrum analysis

2014-05-12

科技部2012年度國際科技合作與交流專項(2012DFG71850)；上海市科委地方院校能力建設(shè)專項(11170501700)

黃 輝 (1982—), 男, 安徽滁州人，博士生，從事電力推進系統(tǒng)建模仿真與故障診斷研究。E-mail: huihui3000@163.com

1000-4653(2014)03-0028-04

U664.33

A