汪金波 許順孝

（集美大學(xué) 廈門(mén) 361021）

1 螺旋槳仿真的概念及其應(yīng)用背景

船舶電力推進(jìn)是船舶推進(jìn)方式中的一種，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是指由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳推動(dòng)船舶行進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)[1]。在現(xiàn)代化的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求，必須對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行帶槳考核，受實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件的限制，考核工作不能在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行[2]。這樣，一個(gè)高效實(shí)用地負(fù)載模擬系統(tǒng)變得不可或缺。

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

1）水力測(cè)功器優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，維護(hù)方便；主要缺點(diǎn)是能量直接被消耗掉，且很難實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)給定和控制。

2）電渦流測(cè)功器

電渦流測(cè)功器（電渦流測(cè)功機(jī)）的負(fù)載主要是通過(guò)改變勵(lì)磁線圈的電流大小來(lái)改變的。電流的大小容易控制，因此可方便地穩(wěn)定負(fù)載，控制性能好?？呻p向測(cè)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(shí)20升。

3) 電力測(cè)功機(jī)

電力測(cè)功機(jī)以工作在發(fā)電運(yùn)行方式下的電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載。同時(shí)，通過(guò)采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩，調(diào)節(jié)負(fù)載的大小。由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于發(fā)電運(yùn)行方式，一般在變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中都加上能量回饋裝置，將測(cè)試過(guò)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(guó)外，挪威科技大學(xué)、ABB、SIEMENS、ALSTON等單位開(kāi)展了船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)的項(xiàng)目研究。挪威科技大學(xué)一直在研究船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)[3]，尤其在螺旋槳從正常到極端工況的負(fù)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(jì)算船速、槳的機(jī)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(jìn)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(guò)控制模擬電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)際推進(jìn)電機(jī)的軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩一致，從而達(dá)到模擬的目的。

在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域中，ABB運(yùn)用Saber軟件進(jìn)行建模與仿真分析，指導(dǎo)系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，取得了成功。ABB在其開(kāi)發(fā)新型ACS1000標(biāo)準(zhǔn)交流傳動(dòng)裝置的過(guò)程中，只制造了少量樣機(jī)，然后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并同時(shí)采用仿真技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其他種類(lèi)則借助于虛擬樣機(jī)的仿真和型式試驗(yàn)來(lái)確定尺寸并進(jìn)行驗(yàn)證[5]。根據(jù)查閱到的相關(guān)資料，ABB在整套船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也進(jìn)行諧波分析、逆功率計(jì)算、電站穩(wěn)態(tài)分析、PWM 制動(dòng)電阻整定值設(shè)計(jì)、大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)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(jì)。

在國(guó)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室[6]，另外七院下屬的704、711、712所也有電力推進(jìn)研究項(xiàng)目。

要使負(fù)載電機(jī)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(shí)時(shí)性要求極高。這就要求船機(jī)槳特性仿真器具有高速運(yùn)算和處理能力，它一方面不斷地檢測(cè)仿真推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)復(fù)雜的船機(jī)槳特性數(shù)學(xué)模型運(yùn)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(cè)負(fù)載電機(jī)的實(shí)際扭矩，然后通過(guò)負(fù)載電機(jī)扭矩閉環(huán)自動(dòng)控制，由負(fù)載變頻器控制負(fù)載電機(jī)的輸出扭矩，以便反過(guò)來(lái)影響仿真推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化又再一次影響負(fù)載電機(jī)的輸出扭矩，依次不斷循環(huán)，直至進(jìn)入一平衡狀態(tài)[7]?？梢?jiàn)，要實(shí)現(xiàn)真正意義上的螺旋槳?jiǎng)討B(tài)特性仿真，一方面需依靠建立精確的船機(jī)槳數(shù)學(xué)模型，另一方面需依賴(lài)于能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算的仿真器和高指標(biāo)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(jī)工程學(xué)院螺旋槳仿真系統(tǒng)平臺(tái)的總體方案。負(fù)載系統(tǒng)主要包括負(fù)載電動(dòng)機(jī)，負(fù)載變頻器及其控制系統(tǒng)。負(fù)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(dòng)力特性以及港航領(lǐng)域常見(jiàn)拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)載特性，向推進(jìn)電動(dòng)機(jī)加載特定要求的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。根據(jù)感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的特點(diǎn)，需要檢測(cè)的電量有直流母線電壓和電機(jī)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(cè)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(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)、隔離后送給逆變模塊的驅(qū)動(dòng)端，使逆變模塊工作，如果逆變模塊出現(xiàn)異常，如過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)壓等，則輸出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)給DSP，DSP立即封鎖PWM輸出，保護(hù)逆變模塊。DSP通過(guò) CAN總線與上位機(jī)通信，由上位機(jī)處理鍵盤(pán)操作、參數(shù)修改及顯示等功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)在獲取負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)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(duì)應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)矩，作為電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的給定值，有電機(jī)控制系統(tǒng)輸出滿(mǎn)足仿真要求的軸轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真過(guò)程。

變頻器選擇

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，采用變頻器對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(jìn)控制方法上看，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是當(dāng)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(mén)極雙極型晶體管)器件進(jìn)行矢量控制，ABB采用 IGCT(集成門(mén)極換流晶閘管)器件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，實(shí)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(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但卻引起了電流和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，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(jiǎn)單、物理概念明確，在現(xiàn)代交流電氣傳動(dòng)中占有越來(lái)越重要的地位。用直流電機(jī)、繞線式電機(jī)做螺旋槳仿真負(fù)載電機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且轉(zhuǎn)速范圍低鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能形成四象限運(yùn)行[9]。所以，基于直接轉(zhuǎn)矩控制的鼠籠式異步仿真負(fù)載電機(jī)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(cè)裝置的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可直接給定，顯得非常直觀。通常的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制是通過(guò)控制定子電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈，進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)矩。而雙饋電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制可以通過(guò)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(jì)算機(jī)仿真工具的選擇

在仿真平臺(tái)的選擇上，美國(guó)海軍在進(jìn)行模擬系統(tǒng)建模仿真時(shí)，使用ACSL、WAVEIM、MATLAB等軟件開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)級(jí)的通用仿真程序；英國(guó)海軍則借助MATLAB建立模型輔助研究；國(guó)外主要的民用電力推進(jìn)廠商如ABB、ALSTOM、SIEMENS分別使用Saber、ACSL、MATLAB及獨(dú)立開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用軟件仿真工具[10]。在國(guó)內(nèi)，用的比較多的軟件有Saber、PSPICE、MATLAB等：借助PSPICE、Saber、MATLAB等功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真工具，可以對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)的控制方案。PSPICE和Saber通過(guò)調(diào)用元器件庫(kù)模型來(lái)對(duì)電力電子系統(tǒng)建模，模型中含指數(shù)函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，仿真運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，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(jí)的分析設(shè)計(jì)，如主電路、緩沖電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、附加電路的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不同的控制算法，而不用考慮各種元器件的實(shí)際模型；另外，MATLAB在系統(tǒng)庫(kù)、界面友好性、代碼兼容性等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其適合系統(tǒng)的建模仿真，所以，MATLAB是電力電子系統(tǒng)級(jí)建模仿真的首選。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)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(jī)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(duì)于我國(guó)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)及其仿真技術(shù)而言，我們既有發(fā)展的機(jī)遇，也面對(duì)著技術(shù)挑戰(zhàn)。十二五規(guī)劃出臺(tái)后，國(guó)家加強(qiáng)了對(duì)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(mǎn)足中國(guó)市場(chǎng)的需求。由于涉及商業(yè)或軍事機(jī)密，國(guó)外的船舶電力推進(jìn)技術(shù)成果大多無(wú)法取到，只能依靠自己研究掌握。開(kāi)展船舶電力推進(jìn)仿真研究勢(shì)在必行。

目前，我們應(yīng)當(dāng)充分利用外來(lái)的、現(xiàn)有的技術(shù)與裝備，全面開(kāi)展系統(tǒng)論證工作，研究和設(shè)計(jì)并確定適合我國(guó)國(guó)情的平臺(tái)體系，電力標(biāo)準(zhǔn)以及集成的設(shè)備模塊，建立先進(jìn)的螺旋槳仿真科研平臺(tái)，以降低船舶電力推進(jìn)平臺(tái)技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和工程應(yīng)用問(wèn)題，積累船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)與建造經(jīng)驗(yàn)。

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