船舶電力推進負載模擬系統研究

何　琪

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

船舶電力推進負載模擬系統研究

何琪

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

摘要：首先對船舶電力推進負載模擬系統的原理進行數學上的理論證明和推導，然后建立電力推進螺旋槳負載模擬系統，最后通過空間矢量脈沖寬度調制SVPWM控制算法，搭建Simulink仿真模型進行仿真。仿真結果證明，模擬系統所采用的模擬原理和方法的合理性。此方法也可應用于其他的電氣傳動模擬系統。

關鍵詞：電力推進;模擬系統;實時仿真

0引言

船舶電力推進跟其他推進方式相比，具有工作噪音極小、效率高、功率密度大、可操作性強、機動性靈活、既環保又節能等優點。這些優點使其成為國內外船舶制造界和高校科研院所的研究熱點。每一個投入到實際當中的系統需要經過嚴格的實驗結構才能轉入到實際當中，因此盡量降低實際環境因素變化所帶來的研制成本，降低實際應用中可能出現各種問題的可能性，才能在實際推進系統能夠多次地在模擬實際環境中只需要適當改變參數就能夠進行驗證。最后，考慮到研發周期、實驗裝置調試、系統性能的改進等因素，在實驗室利用計算機仿真技術建立適當的模擬仿真系統，是一種快速幾乎無成本驗證結果的方式，降低了研發的風險。

軌道電力牽引、軋鋼中電氣傳動系統的推進系統的原理、功率等級和控制算法都與船舶電力推進系統有很許多相似之處。目前，眾多的文獻中都只提及對模擬系統實驗形式、負載模型和控制策略，但缺少對負載模擬原理的推導和結果的詳細分析[1-2]。

本文對船舶電力推進中螺旋槳負載模擬系統的原理進行推導，并采用合適的模擬系統控制策略對系統的動態過程進行分析。最后，利用Simulink仿真功能，對動態調節過程和靜態性能進行仿真和證明。為檢驗模擬原理的正確與否，還在實際的小比例螺旋槳模擬系統中進行仿真實驗。

1模擬系統原理

目前用于船舶推進的電動機絕大多數采用高速的推進電機。為了使其能夠與低速的負載進行匹配，需要在推進電機和螺旋槳間配備減速箱。因此，對帶減速器的推進系統進行研究具有非常重要的實際意義。首先為船舶推進系統中的軸系建立模型，然后利用數學知識推導出模擬系統原理方程。船舶推進系統結構如圖1所示，主要包括螺旋槳、減速器和推進電機等。建立的船舶推進模擬系統如圖2所示，主要由聯軸器、推進電動機、模擬電動機和扭矩傳感器等組成。通過控制模擬電動機的輸出轉矩，使模擬系統與實際推進電機的軸負載轉矩相等，便可模擬實際的負載特性[3]。

圖1　船舶推進系統的結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of the actual system

圖2　船舶推進模擬系統結構示意圖Fig.2　Schematic diagram of the simulation system

對于實際中的船舶電力推進系統軸系結構，在忽略靜止、庫侖摩擦和軸兩端速度動態上差異的情況下，根據牛頓力學中的第二定理，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為船舶推進電動機的轉動慣量；Jp為螺旋槳的轉動慣量；Bm為船舶推進電機的粘滯摩擦系數；ωm為推進電動機的角速度；ωp為螺旋槳的角速度；N1和N2分別為減速器的原端齒數和副端齒數；J1和J2分別為減速器原端轉動慣量和副端轉動慣量；B1和B2分別為減速器原端粘滯摩擦系數和副端粘滯摩擦系數；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、副端轉矩；Tm為推進電機的電磁轉矩；p為微分算子。

定義傳動比i=N2/N1，聯合式(1)～式(4)可得：推進電動機側負載轉動慣量的歸算值為JL′，推進電動機側的負載粘滯摩擦系數的歸算值為BL′，則船舶電力推進系統的負載平衡方程為

(5)

式(5)表明船舶電力推進電機的實際負載轉矩

(6)

同樣，TL為模擬電動機電磁轉矩；J3為電力推進電動機側的歸算負載轉動慣量；B3為電力推進電動機側歸算負載粘滯摩擦系數；JL為模擬電動機的轉動慣量,Jc為連軸器的轉動慣量；BL和Bs分別為模擬電動機和扭矩傳感器的粘滯摩擦系數。因此，負載模擬系統的機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)所列的條件表達式，才能實現負載的模擬。

TL+(J3pωm+B3ωm)=TLP。

(8)

實現式(8)所表示的條件有2種方法：一是模擬直接控制電力推進電機的電磁轉矩的過程；二是模擬控制電動機的負載轉矩，進而控制電磁轉矩的過程。在忽略摩擦的情況下，直接控制推進機電磁轉矩有2種方式：一是加慣性飛輪補償轉動慣量；二是去掉具有慣性的飛輪。前一種方式下，只需使TL=Tp/i就可以實現負載的模擬；后一種方式下，控制模擬推進電機的電磁轉矩補償部分轉的動慣量同樣可以實現對負載的模擬。但這2種方式都需要計算轉動慣量補償的問題。為了讓負載模擬更加地接近實際中的模型和工況，扭矩傳感器也不能省去。考慮到這些因素，加入負載轉矩控制外環后，可以間接地控制模擬推進電機的電磁轉矩，進而實現更加精確的負載模擬[4]。

對于一個幾十千瓦小功率的實際模擬系統，由扭矩傳感器中的摩擦所引起的轉矩損耗可以完全忽略。因此，可以得到船舶推進電機的負載轉矩等于扭矩傳感器測量的轉矩與對接聯軸器的慣性轉矩的相加的總轉矩，即

TLm+JCpωm=Tm-(Jmpωm+Bmωm)=TLP。

(9)

聯立式(8)和式(9)可得

TLm-JCpωm=TL+(JLpωm+BLωm)。

(10)

雖然模擬推進電機與船舶推進電動機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，二者的數學符號不同，這正好代表了這2個電動機的工作狀態，即如果其中一個工作在發動機狀態，則另一個必工作在發電狀態。因此，2個電動機電磁轉矩方向總相反，這個特點使能量能夠正確地流動，同時也保證了船舶電力推進負載模擬系統能夠穩定運行。聯和式(6)和式(9)可得

TLm=TP/i+(JL′-JC)pωm+BL′ωm。

(11)

為了實現負載的模擬，僅需按照式(11)所示的控制模擬系統軸上的負載轉矩即可。式(7)和式(11)所表達的原理可用圖3所示的模擬系統原理圖來示意。

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

一些簡單的負載，如風機中的負載、水泵的負載、傳送帶的負載等可以通過一個多項式來表示一個負載的模型，但對于復雜的負載，如船舶電力推進等特性就要建立特殊的負載模型(如船槳模型等)來獲得TLm*。實際軸負載轉TLm如圖3中的虛線框內所示。它可以根據式(9)進行計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，它不需要知道電動機的實際參數，大大減少了成本，降低了研發的風險。

2船用螺旋槳負載特性

負載模擬裝置模擬的是船舶實際運行時的螺旋槳的推力特性和扭矩特性等負載特性。船槳模型的建立的基礎就是痛推力特性和扭矩特性把船、機、槳三者。此外，其中最顯著的反轉扭矩特性,則多用來檢驗負載模擬系統的性能以及可行性。

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速和航行速度的比值變化關系等都是由船用螺旋槳推力特性來體現。螺旋槳通過推水產生動力，除了其自身需要不停地旋轉外，還要隨船同步進行軸向移動。如果定義Vp為螺旋槳的凈轉速，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;J為螺旋槳的進速比；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如圖4所示。

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

3控制策略

控制軸上的負載轉矩是船舶電力推進負載模擬系統的目的，因此可采用轉矩閉環的方式實現零靜態誤差的轉矩控制。此外，考慮系統的動態響應性能和控制精度等，船舶電力推進模擬系統可采用前饋式間接矢量控制方法。圖5為與轉矩控制閉環相關部分。空間矢量調制(SVM)，用于完成空間矢量脈沖寬度調制(SVPWM)算法。

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

根據圓形磁鏈的二維坐標系下建立船舶電力推進同步電機轉子的模型，可以得到

(12)

(13)

式中：ωsl為預設的轉差角頻率；iqs為定子電流的q軸分量；ψr為轉子磁通有效值；Lm為勵磁電感和轉子電感；Rr為轉子電阻。

聯立式(12)和式(13)可得

(14)

式(14)表明，當轉子磁通不變時，與轉差頻率控制類似，電磁轉矩與轉差成正比。穩態性能方面，二者電磁轉矩和轉差都表現出比較良好的靜態性能；動態性能方面，轉差頻率控制的動態響應性能比間接磁場定向控制要差很多。

4系統仿真實驗及結果

在Simulink中搭建負載模擬系統模型框圖，其動態響應的波形如圖6和圖7所示。當推進系統速度給定ωm*升高時，推進電磁轉矩Tm先升高然后恢復原狀態；當模擬推進電機的電磁轉矩預設TL*猛增時，為了維持轉速，電磁轉矩會急劇增大以抵抗此變化。其中間過程會出現超調，過后恢復到與電磁轉矩預設值幾乎相等。這些結果正好證明了以上分析的正確性。

圖6　模擬電機和推進電機電磁轉矩波形Fig.6　Analog motors and electromagnetic propulsion　motor torque waveform

圖7　Dynamic response waveformFig.7　Dynamic simulation waveform adjustment

圖8　模擬推進電機由正轉進入到反轉的過程曲線Fig.8　Curves of simulation propulsion motor from forward　into reverse

通過對螺旋槳的四象限工況進行模擬，仿真結果的詳細分析如下：圖8是實際的船舶電力推進負載模擬系統中模擬推進電機的轉速和扭矩的關系。其中OP段顯示船舶從零速正向起動航行的過程；ON段表示反向起動運行的過程；ABCDE段表示正向反轉時對應的螺旋槳運行狀況。圖8中，電機處于推進電機狀況時，船舶的航行速度vs由0開始正向旋轉或者反向旋轉，而此時螺旋槳模擬電動機處于發電狀態，工作在二四象限，特性曲線表現為原點對稱。螺旋槳反轉時的情況比較復雜，全過程可以分為3個階段，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，此時電機處于發電狀態，工作在第二象限；BCD段模擬推進電機往第一象限推進電機的逼近過程。此時，模擬船舶處于水輪機工作狀態繼續前行，而螺旋槳由于受到阻力會維持之前的旋轉方向；DE段模擬推進電機在第四象限的工作情況，此時，雖然螺旋槳開始逆向旋轉，船舶的航行速度會繼續運行一段時間后才逐漸變負[7]。

5結語

本文詳細介紹了電力推進負載模擬系統建立的過程，并分析和實現了各種典型工況(比如變速、突然加入負載轉矩、轉矩方向自由改變等)下螺旋槳的工況模擬，仿真結果顯示了良好的動態響應和調節過程，證明了船舶電力推進負載模擬系統的可行性，同時也說明以上的數學分析是正確的。最后，電力推進的負載模擬原理和方法也可以推廣應用到其他電氣傳動模擬系統上，給其他領域的科研工作者提供一些參考。

參考文獻：

[1]張叢.船舶電力推進螺旋槳負載模擬系統的研究[J].船舶工程,2011,33(4):25-27.

ZHANG Cong.Research on propeller load simulation system for marine electrical propulsion[J].Ship Engineering,2011,33(4):25-27.

[2]黃從武,沈建清.雙饋電機在船舶電力推進負載模擬中的應用與仿真[J].微特電機,2007,35(4):14-15.

[3]張利軍,孟杰,蘭海.計及螺旋槳負載的船舶電力系統協調控制設計[J].控制理論與應用,2011,28(4):531-537.

ZHANG Li-jun,MENG Jie,LAN Hai.Coordinate control design for system of marine diesel engine generator with propeller loads[J].Control Theory&App;ications,2011,28(4):531-537.

[4]劉敏,劉德志,沈建清,等.直接轉矩控制的雙饋電機負載模擬系統仿真研究[J].電機與控制應用,2006,32(9):26-30.

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，主要研究方向為船舶自動化。

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

文獻標識碼：A