紀 鋒 付立軍 葉志浩 吳世君 王 剛 馬海鑫

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室1） 武漢 430033）

（海軍92337部隊艦艇質(zhì)量驗收部2） 大連 116023）

艦船電力系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)陸地電力系統(tǒng)，屬于獨立發(fā)電供電系統(tǒng)，是艦船正常航行與工作的基礎保證，具有單機容量大，負載功率與裝機功率可比，負載相對集中，運行工況復雜，故障傳播速度快、范圍大等特點，而采用電力推進的綜合電力系統(tǒng)更包含了高功率密度電機和多種功率等級電力電子裝置及其集成技術，智能化高，代表了當今艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.由于針對艦船電力系統(tǒng)的物理試驗具有一定風險和不可重復性，有必要通過計算機仿真手段對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運行情況進行分析.文獻［1－3］探討了SVPWM 的簡化控制算法并給出等效調(diào)制函數(shù)，文獻［4－5］分析并模擬了艦船螺旋槳機械特性，本文在此基礎上構建基于矢量控制的電力推進系統(tǒng)仿真模型并搭建試驗平臺，通過仿真和試驗兩種方法對比研究電力推進系統(tǒng)中電機運行規(guī)律，對比結(jié)果證明仿真模型正確，控制方法可行.

1 感應電機矢量控制

在異步電機矢量控制中，定子電流的磁場分量ids設為定值即恒磁通，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量

式中：Lr為定子自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；pn為極對數(shù)；ψdr＝ψr＝｜Ψr｜，Ψr為電機轉(zhuǎn)子磁鏈，且有

其中：Tr＝Lr／Rr為轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)；p為微分算子.

轉(zhuǎn)差頻率

由此可得同步旋轉(zhuǎn)坐標系與靜止坐標系之間的相位角

式中：ωe為同步轉(zhuǎn)速；ωr為轉(zhuǎn)子角速度.綜合式（1）～（4）可得矢量控制原理［6］如圖1所示.

圖1中SVPWM模塊即空間矢量脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)［7］，為避免頻繁判斷空間矢量的扇區(qū)并簡化控制，采用等效調(diào)制函數(shù)法，其A相電壓調(diào)制函數(shù)為

圖1 矢量控制原理框圖

B相和C相電壓有同樣結(jié)論，只是在結(jié)果上相對A相相位分別延遲2π／3和4π／3.

2 系統(tǒng)仿真

基于矢量控制的系統(tǒng)仿真模型按比例模擬船用電力推進系統(tǒng)，包括電源、移相變壓、變頻、負載和控制五部分.

2.1 系統(tǒng)組成

電源部分包括3臺同型號同步發(fā)電機，額定功率40kW，額定線電壓390V，額定線電流74 A，額定頻率50Hz.發(fā)電機各經(jīng)相同長度的電纜連接至母線，由于有功率均分裝置，各發(fā)電機的相位角一致，潮流相等.

移相變壓部分包括2組4個三相變壓器，其中一組2個變壓器分別產(chǎn)生－7.5°和22.5°移相，另一組2個變壓器分別產(chǎn)生7.5°和－22.5°移相，組內(nèi)變壓器相差30°，消除5次和7次諧波，組間變壓器相差15°，對稱運行時消除11次和13次諧波.兩個移相變壓器一次側(cè)額定電壓均為390V，二次側(cè)額定電壓亦為390V，根據(jù)電壓矢量圖（見圖2），由正弦定理可得，產(chǎn)生7.5°移相變壓器副邊兩個繞組額定電壓分別為412.0V和67.4V；產(chǎn)生22.5°移相變壓器副邊兩個繞組額定電壓分別為316.1V和198.2V.

圖2 變壓器矢量圖

負載包括2臺異步電動機及其所帶負荷，模擬艦船推進電機.每臺電動機額定功率22kW，額定線電壓380V，額定線電流42.5A，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速1 480r／min，實驗室模擬電動機J＝0.4s.采用前文所述的矢量控制，電機轉(zhuǎn)速和三相電流作為反饋變量送到控制模塊，經(jīng)過圖1所示矢量控制環(huán)節(jié)得到三相參考電壓，送至逆變器，再經(jīng)過SVPWM得到三相輸出電壓并對推進電機進行供電.

2.2 螺旋槳負載特性

艦船航行時推進電機的工況由螺旋槳工況決定.由于水的阻尼和艦船自身的慣性都較大，推進電機的調(diào)速相對艦船調(diào)速而言獨立進行，從而在不同工況下調(diào)速特性不盡相同，負載轉(zhuǎn)矩也因此而有所不同.在自由航行工況，轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性近似為二次曲線

式中：My為負載轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；Ky為常系數(shù).側(cè)推電機和正常工況下的主推電機均符合該特性.

在艦船倒車時，螺旋槳進入反轉(zhuǎn)特性，在開始倒車階段，螺旋槳已經(jīng)調(diào)速至反轉(zhuǎn)，但艦船因慣性作用仍保持正速行使，制動轉(zhuǎn)矩為負值，螺旋槳在水壓作用下保持原轉(zhuǎn)向，如圖3所示.

圖3 螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲線

由于倒車過程中船速不斷下降，轉(zhuǎn)矩將隨著船速的降低而不斷從圖3下方曲線過渡到上方曲線.在較短時間內(nèi)認為船速不變，根據(jù)實際工況參數(shù)得到近似反轉(zhuǎn)特性曲線表達式為

2.3 仿真結(jié)果

1）工況一 單機啟動 2臺發(fā)電機并聯(lián)運行，1臺主推電機帶100%負載，另1臺電動機起動.發(fā)電機電流、功角波形如圖4所示.

圖4 工況一仿真結(jié)果波形

由于諧波影響，功角有脈動，其基波擺動很小，約為10°，經(jīng)過約2°的超調(diào)穩(wěn)定在22°左右，超調(diào)量9%.系統(tǒng)有較大功角穩(wěn)定裕量，在起動結(jié)束后隨即進入穩(wěn)態(tài).

2）工況二 電動機反轉(zhuǎn)

3臺發(fā)電機工作，2臺主推電機滿載，船速為0.8pu，第6s時同時調(diào)節(jié)2臺推進電機的速度使其反轉(zhuǎn)至－0.35pu，推進電機與螺旋槳的慣性時間常數(shù)為15s.

推進電機的機械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速對照曲線、推進電機相電流如圖5所示.

圖5 工況二仿真結(jié)果波形

仿真結(jié)果符合螺旋槳反轉(zhuǎn)特性，反轉(zhuǎn)過程中電機電流經(jīng)歷頻率先降后升過程，與轉(zhuǎn)速變化規(guī)律一致.

3 試驗比較

實驗室模擬實際系統(tǒng)的結(jié)構及其各部分參數(shù)與仿真模型一致，對工況一進行驗證.

調(diào)速時推進電機相電流如圖6所示.調(diào)速結(jié)束后電流幅頻趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行.

圖6 調(diào)速時推進電機相電流波形

起動初期，電流幅值和頻率都較小，隨著轉(zhuǎn)速上升，幅頻均增大，如圖7～8所示.

圖7 調(diào)速初期推進電機相電流波形

圖8 調(diào)速末期推進電機相電流波形

對比可見，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果能夠較好地吻合，誤差不超過5%，從而驗證了系統(tǒng)模型及計算方法的正確性，其數(shù)學模型及數(shù)值計算方法可以用來對艦船電力系統(tǒng)進行仿真.

4 結(jié)束語

電力推進系統(tǒng)包含大功率電機和電力電子裝置，遠比常規(guī)艦船電力系統(tǒng)復雜，并且需要考慮螺旋槳負載特性.采用矢量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)同直流電機一樣的勵磁和轉(zhuǎn)矩解耦控制［8－10］，擁有良好的控制特性和動態(tài)性能，并可借由SVPWM等效調(diào)制函數(shù)的引入進一步簡化控制算法.

由文中分析可知，仿真效果良好，與實際結(jié)果相符合，因此該矢量控制方法可以在實際工程項目中進行運用.

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