汪金波 許順孝

（集美大學(xué) 廈門 361021）

1 螺旋槳仿真的概念及其應(yīng)用背景

船舶電力推進是船舶推進方式中的一種，船舶電力推進系統(tǒng)是指由電動機驅(qū)動螺旋槳推動船舶行進的推進系統(tǒng)[1]。在現(xiàn)代化的船舶電力推進系統(tǒng)的研究和設(shè)計過程中，為了滿足性能指標的要求，必須對電力推進系統(tǒng)進行帶槳考核，受實驗室實際條件的限制，考核工作不能在實際環(huán)境中進行[2]。這樣，一個高效實用地負載模擬系統(tǒng)變得不可或缺。

傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)模擬負載主要是測功器，其主要類型有水力式、電力式和電渦流式。水力測功器是利用水作為工作介質(zhì)，調(diào)節(jié)制動力矩。電力測功器是利用改變定子磁場的激磁電壓產(chǎn)生制動力矩。電渦流測功器是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦電流形成制動作用。

1）水力測功器優(yōu)點是價格低，維護方便；主要缺點是能量直接被消耗掉，且很難實現(xiàn)負載的自動給定和控制。

2）電渦流測功器

電渦流測功器（電渦流測功機）的負載主要是通過改變勵磁線圈的電流大小來改變的。電流的大小容易控制，因此可方便地穩(wěn)定負載，控制性能好?？呻p向測試，轉(zhuǎn)速范圍寬。響應(yīng)迅疾，控制方便。但其渦流產(chǎn)生的熱量主要靠冷卻水帶走，一般使用軟化水，流量為每千瓦小時20升。

3) 電力測功機

電力測功機以工作在發(fā)電運行方式下的電動機作為負載。同時，通過采用變頻器調(diào)節(jié)電機的扭矩，調(diào)節(jié)負載的大小。由于電動機長期處于發(fā)電運行方式，一般在變頻器驅(qū)動系統(tǒng)中都加上能量回饋裝置，將測試過程中產(chǎn)生的能量返回電網(wǎng)。

圖1 螺旋槳敞水特性曲線

2 螺旋槳仿真原理與發(fā)展概況

螺旋槳的建模與仿真十分復(fù)雜。在國外，挪威科技大學(xué)、ABB、SIEMENS、ALSTON等單位開展了船舶電力推進仿真系統(tǒng)的項目研究。挪威科技大學(xué)一直在研究船舶電力推進仿真系統(tǒng)[3]，尤其在螺旋槳從正常到極端工況的負載特性方面有重大突破[4]。螺旋槳的主要特性有敞水特性曲線，螺旋槳扭矩特性曲線以及船槳模型。螺旋槳扭矩特性指的是螺旋槳的扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線；船槳模型是根據(jù)船跟槳、水之間的關(guān)系得到的由槳速計算船速、槳的機械特性等的數(shù)學(xué)模型。如圖1所示是螺旋槳的敞水特性曲線，其中J為進速比，KT為推力系數(shù)，KQ為扭矩系數(shù)。模擬系統(tǒng)的基本原理，就是通過控制模擬電機的輸出轉(zhuǎn)矩與實際推進電機的軸負載轉(zhuǎn)矩一致，從而達到模擬的目的。

在船舶電力推進領(lǐng)域中，ABB運用Saber軟件進行建模與仿真分析，指導(dǎo)系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計，取得了成功。ABB在其開發(fā)新型ACS1000標準交流傳動裝置的過程中，只制造了少量樣機，然后對樣機進行實驗，并同時采用仿真技術(shù)進行仿真驗證。其他種類則借助于虛擬樣機的仿真和型式試驗來確定尺寸并進行驗證[5]。根據(jù)查閱到的相關(guān)資料，ABB在整套船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計中也進行諧波分析、逆功率計算、電站穩(wěn)態(tài)分析、PWM 制動電阻整定值設(shè)計、大負載啟動時的暫態(tài)分析及短路等故障工況的分析，其分析結(jié)果可直接指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計。

在國內(nèi)，哈爾濱工程大學(xué)，武漢理工大學(xué)，集美大學(xué)等相關(guān)院校建有電力推進實驗室[6]，另外七院下屬的704、711、712所也有電力推進研究項目。

要使負載電機的轉(zhuǎn)矩控制能再現(xiàn)螺旋槳的特性，其控制極為復(fù)雜，而且實時性要求極高。這就要求船機槳特性仿真器具有高速運算和處理能力，它一方面不斷地檢測仿真推進電機的轉(zhuǎn)速，并通過復(fù)雜的船機槳特性數(shù)學(xué)模型運算，推算出模擬船舶的航速和仿真螺旋槳的扭矩，另一方面不斷地檢測負載電機的實際扭矩，然后通過負載電機扭矩閉環(huán)自動控制，由負載變頻器控制負載電機的輸出扭矩，以便反過來影響仿真推進電機的運轉(zhuǎn)。仿真推進電機的運轉(zhuǎn)工況變化又再一次影響負載電機的輸出扭矩，依次不斷循環(huán)，直至進入一平衡狀態(tài)[7]?？梢?，要實現(xiàn)真正意義上的螺旋槳動態(tài)特性仿真，一方面需依靠建立精確的船機槳數(shù)學(xué)模型，另一方面需依賴于能實現(xiàn)高速運算的仿真器和高指標的扭矩控制系統(tǒng)。

3 螺旋槳仿真的系統(tǒng)方案與關(guān)鍵技術(shù)

圖2 是集美大學(xué)輪機工程學(xué)院螺旋槳仿真系統(tǒng)平臺的總體方案。負載系統(tǒng)主要包括負載電動機，負載變頻器及其控制系統(tǒng)。負載系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制模式，模擬螺旋槳水動力特性以及港航領(lǐng)域常見拖動設(shè)備的負載特性，向推進電動機加載特定要求的負載轉(zhuǎn)矩。

電機控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。根據(jù)感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制算法的特點，需要檢測的電量有直流母線電壓和電機交流側(cè)電流。直流母線電壓以及交流側(cè)兩相電流經(jīng)霍爾效應(yīng)傳感器測得，并經(jīng)低通濾波后送到DSP的ADC模塊，DSP輸出脈寬調(diào)制信號經(jīng)驅(qū)動、隔離后送給逆變模塊的驅(qū)動端，使逆變模塊工作，如果逆變模塊出現(xiàn)異常，如過流、過熱、過壓等，則輸出一個錯誤信號給DSP，DSP立即封鎖PWM輸出，保護逆變模塊。DSP通過 CAN總線與上位機通信，由上位機處理鍵盤操作、參數(shù)修改及顯示等功能，可實現(xiàn)遠程操作。

圖2 螺旋槳仿真系統(tǒng)的總體方案圖

圖4是基于直接轉(zhuǎn)矩控制的軟件實現(xiàn)方案。系統(tǒng)在獲取負載電機轉(zhuǎn)速信號后，換算成相應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速，輸入給船槳模型。船槳模型輸出對應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)矩，作為電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的給定值，有電機控制系統(tǒng)輸出滿足仿真要求的軸轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)整個仿真過程。

變頻器選擇

船舶電力推進系統(tǒng)中，采用變頻器對推進電機進行轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩控制是極為重要的環(huán)節(jié)。目前，變頻控制技術(shù)主要有恒壓/頻比控制、SPWM 控制、矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）四種[8]。從船舶電力推進控制方法上看，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是當前得到廣泛應(yīng)用的兩種控制方案。以 SIEMENS和 ABB為代表，SIEMENS采用IGBT(絕緣門極雙極型晶體管)器件進行矢量控制，ABB采用 IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制強調(diào)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，實行連續(xù)控制，調(diào)速范圍寬，但易受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了控制系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制則控制定子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈的砰-砰控制避開了旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡化了控制結(jié)構(gòu)，動態(tài)響應(yīng)快，但卻引起了電流和轉(zhuǎn)矩的脈動，低速性能差，調(diào)速范圍受到限制。

直接轉(zhuǎn)矩控制方式方案簡單、物理概念明確，在現(xiàn)代交流電氣傳動中占有越來越重要的地位。用直流電機、繞線式電機做螺旋槳仿真負載電機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且轉(zhuǎn)速范圍低鼠籠式異步電機轉(zhuǎn)子輕、結(jié)構(gòu)簡單、能形成四象限運行[9]。所以，基于直接轉(zhuǎn)矩控制的鼠籠式異步仿真負載電機是一種較理想的解決方案。在直接轉(zhuǎn)矩控制方式下，加在被測裝置的制動轉(zhuǎn)矩可直接給定，顯得非常直觀。通常的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制是通過控制定子電壓空間矢量來控制定子磁鏈，進一步控制轉(zhuǎn)矩。而雙饋電機的直接轉(zhuǎn)矩控制可以通過轉(zhuǎn)子電壓空間矢量，控制轉(zhuǎn)子的磁鏈旋轉(zhuǎn)速度，繼而控制轉(zhuǎn)矩。

計算機仿真工具的選擇

在仿真平臺的選擇上，美國海軍在進行模擬系統(tǒng)建模仿真時，使用ACSL、WAVEIM、MATLAB等軟件開發(fā)了系統(tǒng)級的通用仿真程序；英國海軍則借助MATLAB建立模型輔助研究；國外主要的民用電力推進廠商如ABB、ALSTOM、SIEMENS分別使用Saber、ACSL、MATLAB及獨立開發(fā)的專用軟件仿真工具[10]。在國內(nèi)，用的比較多的軟件有Saber、PSPICE、MATLAB等：借助PSPICE、Saber、MATLAB等功能強大的計算機仿真工具，可以對電力電子系統(tǒng)進行分析、設(shè)計，確定系統(tǒng)的控制方案。PSPICE和Saber通過調(diào)用元器件庫模型來對電力電子系統(tǒng)建模，模型中含指數(shù)函數(shù)，當系統(tǒng)比較復(fù)雜時，仿真運行時間長，數(shù)據(jù)處理量大，收斂困難，因此PSPICE、Saber仿真只適用于電路級的分析設(shè)計，如主電路、緩沖電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、附加電路的設(shè)計等等。MATLAB一般用狀態(tài)方程描述電力變換電路，可以非常方便地在 MATLAB/Simulink環(huán)境下用各種功能模塊完成系統(tǒng)建模以及實現(xiàn)不同的控制算法，而不用考慮各種元器件的實際模型；另外，MATLAB在系統(tǒng)庫、界面友好性、代碼兼容性等方面都具有獨特的優(yōu)勢，尤其適合系統(tǒng)的建模仿真，所以，MATLAB是電力電子系統(tǒng)級建模仿真的首選。

4 結(jié)束語

隨著電力電子器件和技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，IGBT及 IGCT高壓大容量方面技術(shù)的突破和成本的下降，以及矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的成熟與推廣，具有降低成本、縮短研發(fā)周期、減小風(fēng)險等優(yōu)勢的模擬系統(tǒng)在研發(fā)初期及系統(tǒng)考核中起著重要的作用。

圖3 電機控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖4 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)原理圖

對于我國船舶電力推進系統(tǒng)技術(shù)及其仿真技術(shù)而言，我們既有發(fā)展的機遇，也面對著技術(shù)挑戰(zhàn)。十二五規(guī)劃出臺后，國家加強了對高端裝備制造業(yè)的扶持力度。ABB 已經(jīng)決定在上海新增一條 Azipod 生產(chǎn)線以滿足中國市場的需求。由于涉及商業(yè)或軍事機密，國外的船舶電力推進技術(shù)成果大多無法取到，只能依靠自己研究掌握。開展船舶電力推進仿真研究勢在必行。

目前，我們應(yīng)當充分利用外來的、現(xiàn)有的技術(shù)與裝備，全面開展系統(tǒng)論證工作，研究和設(shè)計并確定適合我國國情的平臺體系，電力標準以及集成的設(shè)備模塊，建立先進的螺旋槳仿真科研平臺，以降低船舶電力推進平臺技術(shù)設(shè)計過程中的風(fēng)險和工程應(yīng)用問題，積累船舶電力推進系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計與建造經(jīng)驗。

[1]周平, 王志華. 世界艦船電力推進技術(shù)發(fā)展綜述.船電技術(shù), 2004年, 增刊.

[2]高海波, 陳輝, 武福愿, 趙文科. 船舶電力推進系統(tǒng)仿真及特性實驗[DB/OL].中國科技論文在線,2008(1)： 1-6

[3]Damir Radan. Integrated Control of Marine Electrical Power Systems [D]： [Doctoral dissertation].Norwegian University of Science and Technology,2008

[4]Vind Notland Smogeli. Control of Marine Propellers from Normal to Extreme Conditions [D]： [ Doctoral dissertation]. Norwegian University of Science and Technology，2006

[5]Methven RN L t P.Modelling of a full electric propulsion system using matlab-simulink & power system blockset[D]. Ph. D. dissertation,Dept.Mech.Eng., Univ. College London, 1998.

[6]羅耀華, 葉瑰的, 劉勇. 艦船全電力推進系統(tǒng)模擬研究[J].船舶工程, 2002(4)：59-61.

[7]樊印海. 雙螺旋槳電力推進系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與數(shù)字模擬的研究[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報, 1995, 11：29-31.

[8]趙爭鳴, 袁立強, 孟朔, 李崇堅. 通用變頻器矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制特性比較[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2004, 19(4)： 81 一 84.

[9]趙宏革, 李玉濤. 船舶電力推進系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的仿真[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報, 2003(4)： 4546

[10]趙 震, 劉志剛, 刁利軍. 基于 Matlab的船用螺旋槳計算機實時仿真及 GUI設(shè)計. 計算機應(yīng)用與軟,2008.