李俊科，俞萬能，嚴(yán) 華

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

小型船舶綜合全電力推進(jìn)實驗平臺的研制

李俊科，俞萬能，嚴(yán) 華

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

介紹了小型船舶綜合電力推進(jìn)實驗平臺的機(jī)械和電氣設(shè)計方案及相應(yīng)的系統(tǒng)控制模型．平臺主要由推進(jìn)、模擬負(fù)載和測量三個子系統(tǒng)組成．推進(jìn)系統(tǒng)主要由變頻驅(qū)動裝置、操作監(jiān)控臺、推進(jìn)電機(jī)構(gòu)成;模擬負(fù)載系統(tǒng)由交流電動機(jī)、四象限變頻驅(qū)動裝置、監(jiān)控系統(tǒng)及負(fù)載模型軟件組成;測量系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器以及PLC組成．

船舶;電力推進(jìn);實驗平臺

0 引言

目前，船舶推進(jìn)形式以柴油機(jī)推進(jìn)裝置為主，但是伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)開始崛起，因為其在經(jīng)濟(jì)性、操作性、機(jī)動性、安全性、節(jié)能減排等方面居有明顯優(yōu)勢，能提高船舶推進(jìn)性能，因此，它將是今后船舶動力的發(fā)展方向．綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種電力推進(jìn)的方式，它將船舶發(fā)電供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和用電系統(tǒng)綜合到一個系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)發(fā)電、配電、與電力推進(jìn)用電和船上其他設(shè)備用電的統(tǒng)一調(diào)度和集中管理．

文獻(xiàn) ［1－3］主要介紹對電機(jī)的速度控制，沒有擴(kuò)展到整個電力推進(jìn)系統(tǒng)．文獻(xiàn) ［4］開展了對電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真研究，為綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)做了必要的準(zhǔn)備工作．文獻(xiàn)［5］對柴油發(fā)電機(jī)組和負(fù)載系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，但缺乏動態(tài)負(fù)載模型的研究．文獻(xiàn) ［6］對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究．以上所述文獻(xiàn)幾乎都只是停留在對原理的仿真上，而沒有對其功能的實現(xiàn)做更深入地研究，尤其是沒有通過對螺旋槳負(fù)載的物理模擬來研究電力推進(jìn)系統(tǒng)．文獻(xiàn)［7］研究了推進(jìn)電機(jī)的控制，但沒有從螺旋槳負(fù)載特性上來分析．文獻(xiàn)［8］較全面地介紹了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的控制，并設(shè)計了以PLC控制為核心的電力推進(jìn)系統(tǒng)，且進(jìn)行了實驗驗證．筆者從船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)出發(fā)，重點研究系統(tǒng)集成技術(shù)、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳負(fù)載數(shù)學(xué)模型．

1 小型船舶綜合電力推進(jìn)實驗系統(tǒng)組成

小型船舶綜合電力推進(jìn)實驗平臺由推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)、螺旋槳負(fù)載模擬子系統(tǒng)組成．綜合電力推進(jìn)實驗平臺實圖和框圖分別如圖1、圖2和圖3所示．

推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)由三相交流異步電機(jī)、變頻器、PLC、推進(jìn)上位機(jī)以及推進(jìn)操縱控制臺組成，用來模擬船舶的電力推進(jìn)裝置;螺旋槳負(fù)載模擬子系統(tǒng)由三相交流異步電機(jī)、四象限變頻器、負(fù)載上位機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器等組成，用來模擬螺旋槳在水中運行時所受到的阻轉(zhuǎn)矩．兩子系統(tǒng)的通信由Ethernet和Profibus－DP總線雙層網(wǎng)絡(luò)組成，工控機(jī) (上位機(jī))與PLC(下位機(jī))之間通過Ethernet實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，PLC(下位機(jī))與變頻器和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器之間通過Profibus－DP總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信．

2 控制策略

系統(tǒng)控制模型如圖4所示．在模擬過程中，推進(jìn)電機(jī)工作在速度控制模式下，上位機(jī)或操縱駕駛臺發(fā)出轉(zhuǎn)速命令，通過PLC來控制變頻器，變頻器相應(yīng)改變推進(jìn)電機(jī)的頻率，從而改變推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速．負(fù)載電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下，當(dāng)推進(jìn)電機(jī)帶動負(fù)載電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，負(fù)載上位機(jī)接受轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器實時采集的轉(zhuǎn)速信號和轉(zhuǎn)矩信號，由負(fù)載上位機(jī)中的負(fù)載模擬監(jiān)控軟件，取出數(shù)據(jù)庫內(nèi)的螺旋槳圖譜數(shù)據(jù)，應(yīng)用船－槳數(shù)學(xué)模型，計算出船舶航速值，航速值又參與到計算中，然后計算出與當(dāng)前轉(zhuǎn)速和航速相對應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)矩，將計算的轉(zhuǎn)矩值修正后作為負(fù)載電機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩()，并將它與測量的轉(zhuǎn)矩值(Tlm)進(jìn)行比較，其差值信號通過PLC傳到變頻器，變頻器通過矢量控制方式，調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使負(fù)載電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)矩與計算的給定轉(zhuǎn)矩值相等，從而達(dá)到模擬實際螺旋槳負(fù)載的目的．機(jī)械運動平衡方程為:Tm－(Jmpω+Bmω)=Te+(2Jc+Jl)pω+Blω．其中:Tm，Te分別為推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 (N·m);Jm，Jc，Jl分別為推進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 (kg·m2);Bm，Bl分別為推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)粘滯摩擦系數(shù) (N·m/(rad·s－1));p為微分算子;ω為推進(jìn)電機(jī)角速度 (rad/s)．

為了拓展實驗平臺的試驗功能，負(fù)載電機(jī)的控制模型還能仿真模擬如下傳動設(shè)備的負(fù)載特性:1)起重機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性;2)庫侖摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性;3)不同轉(zhuǎn)動慣量的加速負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性;4)角速度積分的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性;5)階躍負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性．

3 實驗分析

1)推進(jìn)系統(tǒng)實驗

推進(jìn)控制系統(tǒng)實驗結(jié)果如圖5和圖6所示．

在圖5和圖6中，橫坐標(biāo)表示實驗時間，縱坐標(biāo)表示電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值，其中曲線①表示電機(jī)給定轉(zhuǎn)速值，曲線②是電機(jī)實際轉(zhuǎn)速值．由圖5知道，當(dāng)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速信號從0值逐步增加到最大值時，電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速能一直跟隨著電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，跟隨速度很快且運行穩(wěn)定，其控制性能滿足要求．由圖6知道，當(dāng)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速信號從0值突然增加到最大值時，電機(jī)在10 s內(nèi)就能從0值增加到全速，而當(dāng)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速信號突然從正轉(zhuǎn)最大值跳到反轉(zhuǎn)最大值時，電機(jī)在18 s內(nèi)就能從全速前進(jìn)轉(zhuǎn)到全速倒退，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制性能良好．

2)負(fù)載系統(tǒng)實驗

負(fù)載電機(jī)的控制模型能仿真螺旋槳負(fù)載特性，而且還能仿真模擬泵、風(fēng)機(jī)、起重機(jī)等常見港航傳動設(shè)備的負(fù)載特性．負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制有3大類控制模型:1)螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性;2)綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性;3)恒定功率轉(zhuǎn)矩特性．負(fù)載控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示．

由圖7可知，當(dāng)采用螺旋槳負(fù)載時，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，負(fù)載電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)矩也隨著增加，一旦轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，負(fù)載電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，但這時船舶航速還在繼續(xù)增加，進(jìn)速比也隨著增加，負(fù)載電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)矩減小，直到船舶航速穩(wěn)定時，負(fù)載電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)矩也就從最大值降到一個穩(wěn)定值上;當(dāng)船舶從正航轉(zhuǎn)倒航時，因為船舶慣性的關(guān)系，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到0值時，船舶航速不會立刻減少到0值，因此，原來是螺旋槳對船舶做功，這個時候恰恰相反，船舶對螺旋槳做功，這時推動螺旋槳轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩方向是反轉(zhuǎn)方向，正如圖7所示，阻轉(zhuǎn)矩方向是正轉(zhuǎn)方向．當(dāng)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到0值前某個時刻，阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到一個峰值，之后因為船速下降，阻轉(zhuǎn)矩也隨之下降．當(dāng)推進(jìn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)并增大轉(zhuǎn)速后，阻轉(zhuǎn)矩開始增加，船舶航速繼續(xù)減小，直到船舶航速降到0值，這時船舶開始倒航．本系統(tǒng)的運行結(jié)果與實際運行時的船舶螺旋槳的工作特性相一致．

由圖8可知，當(dāng)采用位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向，不隨轉(zhuǎn)速大小和方向而改變．

由圖9可知，當(dāng)采用恒定功率負(fù)載時，在試驗過程中按照設(shè)定的功率和起始轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速的增加，自動降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩，維持負(fù)載的輸出功率不變．

4 結(jié)論

介紹了電力推進(jìn)實驗平臺的結(jié)構(gòu)，分析了電力推進(jìn)平臺中的推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳模擬負(fù)載的控制技術(shù)．該平臺能夠完成模擬船舶電力推進(jìn)運行的實驗，另外還能進(jìn)行恒功率或恒轉(zhuǎn)矩等負(fù)載模擬實驗，拓寬了該平臺的使用范圍．該平臺還加入了必要的故障保護(hù)措施，如負(fù)載電機(jī)的高溫和超速保護(hù)等．負(fù)載電機(jī)基本處于發(fā)電制動狀態(tài)，有源前端 (AFE)四象限負(fù)載變頻器應(yīng)用電能回饋技術(shù)，可以將整個試驗系統(tǒng)的大部分機(jī)械能量回饋給電網(wǎng)，因此可以大幅度減小試驗系統(tǒng)的運行費用，降低實驗室電源系統(tǒng)的容量，消除實驗室熱污染．

［1］周德佳，王善銘，柴建云．基于Matlab－Simulink的艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真 ［J］．清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，46(4):460－464．

［2］趙紅，郭晨，吳志良．船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真 ［J］．中國造船，2006，47(4):51－55．

［3］羅延明，金鴻章，羅耀華，等．基于直接轉(zhuǎn)矩控制的船舶主推進(jìn)電機(jī)控制仿真研究 ［J］．船舶工程，2006，28(3):22－25．

［4］郭燚，鄭華耀，黃學(xué)武．船舶電力推進(jìn)混合仿真系統(tǒng)設(shè)計 ［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(1):57－61．

［5］劉雨，郭晨．船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的動態(tài)仿真 ［J］．中國航海，2010，33(1):24－29．

［6］王淼等．全電力推進(jìn)的船舶電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真 ［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(4):62－67．

［7］段征，劉賀，陳亞杰．電力推進(jìn)控制與監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．上海造船，2009(3):38－41．

［8］李帆，鮑曙光，吳明．PLC在船用電力推進(jìn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］．船電技術(shù)，2009，29(2):47－50．

(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

Development of Experimental Platform for the Small Marine Integrated Electric Propulsion System

LI Jun-ke，YU Wan-neng，YAN Hua
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

The mechanical and electrical design proposal and the corresponding system control madel of a small experiment platform for the marine integrated electric propulsion system were introduced in this paper．The platform was mainly composed of three subsystems including propulsion system，simulated load system and measuringe system．The propulsion system was composed mainly of a variable－frequency driving device，an operating and monitor console and a propulsion motor;The simulated load system was mainly composed of an AC motor，a four quadrant variable－frequency driving device，a monitoring system and a load model software;The measuring system was composed of a speed sensor，a torque sensor and PLC controllers．The successful development of the experimental platform will provide a good tool for teaching and research of the integrated electric propulsion system．

ship;electric propulsion;experiment platform

TM 712

A

1007－7405(2012)04－0269－06

2011－12－13

2012－04－15

福建省科技重點項目 (2012D035);廈門市科技項目 (3502Z20103021)

李俊科 (1982—)男，研究生，從事船舶電力推進(jìn)及其控制研究．通訊作者:俞萬能 (1970—)，男，副教授，博士，從事船舶電氣自動化研究．