吳團結(jié)，蔡曉琴，肖 清

(1.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064;2.武昌船舶重工有限責任公司，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導體開關技術(shù)、交流電機變頻調(diào)速技術(shù)日漸成熟，船舶電力推進技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)了多種電力推進方式，如吊艙式電力推進(POD)、泵噴電力推進、一體化電力推進器(IMP)等。電力電子技術(shù)不僅徹底改變了艦船能量變換的面貌，而且使原先船舶電力推進存在的一些缺點發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)點和長處得到進一步發(fā)揚［1-2］。

本文研制的一種新型一體化推進裝置用于船舶輔助和應急推進的設想，是當今模塊化設計概念的產(chǎn)物，可以說是一種革命性的創(chuàng)新。它結(jié)合了吊艙式電力推進特點，就是推進用電機直接與推進螺旋槳相連，制成1 個獨立的推進模塊，并吊掛在船體底部。該推進模塊可以360°旋轉(zhuǎn)，推進的方位角可以人為地進行控制和調(diào)節(jié);而且還具有像飛機起落架一樣自動收放功能，能完全滿足主推進系統(tǒng)無法完成的補充功能，如船舶的離、靠碼頭功能、應急推進功能、側(cè)推功能等。該裝置非常適用于無人潛器、輕型/重型魚雷和潛艇等水下工作平臺推進，必將為水下推進帶來一次革命［3-8］。

1 新型一體化推進裝置的工作原理及特點

1.1 工作原理

新型一體化推進裝置主要由一體化推進器(integrated motor propulsor，IMP)及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 新型一體化推進裝置組成框圖Fig.1 The composition block diagram of novel IMP

新型一體化推進器是將電機與推進器集成為一體的一種新型電力推進器，含永磁電機、螺旋槳、導管等;收放裝置包括收放機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)及防波板啟閉機構(gòu)等，收放機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)由控制系統(tǒng)中的液壓系統(tǒng)驅(qū)動;整個裝置由基于CAN總線的控制系統(tǒng)進行控制和監(jiān)測。

1.2 裝置的特點

該一體化推進裝置具備輔助推進、自行離靠碼頭等功能，可大幅提高船舶操縱和緊急機動的能力。在船舶設計、總體性能、制造及維護等方面帶來諸多優(yōu)點，歸納如下:

1)控制靈活。該一體化推進裝置與傳統(tǒng)的推進方式不同，電機與螺旋槳同軸而不是通過連軸器把電機的軸和螺旋槳連接起來，沒有了嚴格的軸系對準問題，電機和螺旋槳的軸向可以根據(jù)需要改變，可在水平面360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)，減小了船舶的回轉(zhuǎn)半徑，可倒車，極大地提高了船舶的靈活性。

2)功率密度高。該一體化推進裝置浸泡在水中，電機的散熱效果小，電機的熱負荷設計可以提高，提高了電機功率密度;電機不再是位于艙內(nèi)而是與螺旋槳同軸，節(jié)約了軸向空間，這可提高推進器的功率密度。

3)效率高。該一體化推進裝置安裝固定方式非常靈活，不再是單純地固定在船尾，也就是說螺旋槳的進水口是完全敞開的，螺旋槳的流體特性得到了改進，提高了螺旋槳的效率;電機直接浸泡在水中，不需要電機的輔助冷卻系統(tǒng)，節(jié)約了冷卻系統(tǒng)的功率，提高了推進效率。

4)體積小、節(jié)省空間。該一體化推進裝置中電機和螺旋槳一體化，電機移至艙外，節(jié)省了寶貴的艙內(nèi)空間，便于全船優(yōu)化布置，更好地提高空間利用率。

5)可靠性高。該一體化推進裝置全部采用靜密封，可靠性高，電機直接浸泡在水中，不需要電機水冷卻套、電機輔助冷卻系統(tǒng)、驅(qū)動軸和連軸器，可靠性得到提高。

6)低特征信號。該一體化推進裝置結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量更輕，沒有主傳動軸，減少了機械和水動力噪聲源，電機在驅(qū)動推進器時消除了傳統(tǒng)推進裝置因為傳動而消耗的效率和噪聲。

7)布置緊湊、靈活、方便。該一體化推進裝置采用模塊化設計，能充分利用船上富余空間，安裝方便，且可后期安裝，從而節(jié)省空間，縮短建造周期，降低成本，而且還具有一定的移植性。

2 新型一體化推進裝置控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)研制

新型一體化推進裝置主要控制內(nèi)容為:推進裝置的解鎖/鎖緊;推進裝置的外放∕收回;推進裝置的旋轉(zhuǎn);一體化推進器的工作(前進、后退及轉(zhuǎn)速控制等)。

該一體化推進裝置控制流程如圖2所示，圖2(a)和圖2(b)分別為推進裝置外放推進和收回艇內(nèi)時的控制流程，虛線箭頭表示該部分功能由哪個系統(tǒng)控制實現(xiàn)。推進裝置的解鎖∕鎖緊、外放∕收回和旋轉(zhuǎn)由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。一體化推進裝置工作由其控制裝置進行監(jiān)測和控制。

該一體化推進裝置控制原理如圖4所示，控制系統(tǒng)分為2 級:現(xiàn)場控制和中央控制。基于CAN 總線的現(xiàn)場控制由下位機(PLC)、IMP 控制單元、逆變部分及傳感器等構(gòu)成，可實現(xiàn)對IMP 推進器的變頻調(diào)速和對裝置的自動控制，現(xiàn)場控制可用于裝置的調(diào)試和維護。下位機可獨立安全工作，通過滿足全船信息化要求的接口與上位機相連，實現(xiàn)中央控制室對該裝置的遙控［9-10］。

圖4 新型推進裝置控制系統(tǒng)原理框圖Fig.4 The control system block diagram of novel IMP

1)上位機。上位機置于遠端集控室或中央控制室，計算機通過采用CAN 總線協(xié)議與下位機(PLC)相連組成監(jiān)控網(wǎng)絡，通信介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。主要作用是提供操作人員友好的人機界面(HMI)，包括舷外推進裝置運行流程、實時狀態(tài)監(jiān)測、報警頁面和重要的運行控制運行參數(shù)修改界面等。

2)下位機。下位機采用PLC 進行控制，裝置中IMP 控制單元(變頻器)只完成調(diào)速功能，系統(tǒng)運算和控制功能由PLC 來完成，PLC 負責各種信號的邏輯關系，從而向IMP 控制單元(變頻器)發(fā)出啟停信號和調(diào)速信號，同時IMP 控制單元也將本身的工作狀態(tài)輸送給PLC 形成雙向通信關系。

3)現(xiàn)場傳感設備和執(zhí)行機構(gòu)?，F(xiàn)場傳感器主要是速度傳感器、位置傳感器等，用以監(jiān)測現(xiàn)場信號，變送輸出相應的物理量，如電壓信號、電流信號、電阻信號等。執(zhí)行機構(gòu)主要是液動執(zhí)行機構(gòu)。

2.2 控制系統(tǒng)研制主要關鍵技術(shù)

1)一體化推進器(IMP)控制單元(逆變器)研制

IMP 控制單元主要完成一體化推進器本地運行控制和電力傳輸，主要是變頻器的研制。變頻器將直流逆變成交流，以實現(xiàn)IMP 變頻調(diào)速和控制。IMP 控制單元分為主回路、控制硬件和控制軟件。主要根據(jù)電機的設計參數(shù)來設計逆變器;通過Saber建模，采用相應的PWM 調(diào)制方式和控制策略進行系統(tǒng)仿真，探索了系統(tǒng)最佳的控制策略，控制參數(shù)等。

在研究過程中，著重關注兩點:其一，如何抑制主回路所產(chǎn)生的諧波和電磁發(fā)射;其二，如何降低控制回路的敏感度，避免控制系統(tǒng)本身受干擾而誤動作或停止工作。通過仿真和模擬試驗，在電路板設計和結(jié)構(gòu)設計中采取了大量行之有效的措施，如隔離開關電源作為驅(qū)動電源，軟硬件濾波措施來減少系統(tǒng)干擾，為了降低輸入端傳導干擾設計了低頻濾波電路和高頻濾波電路等。

2)強弱電耦合導電滑環(huán)研制

推進裝置中需要對一體化推進器進行收放和水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，由于空間狹小且轉(zhuǎn)動角度大，一體化推進器所連電纜無法自行扭轉(zhuǎn)，需采用導電滑環(huán)過渡連接。該導電滑環(huán)能同時傳輸強弱電，保證了信號不相互干擾，滿足電力和信號的傳輸。

3)低速大扭矩液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)研制

一體化推進器收放及其在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)所表現(xiàn)的負載特性為低速大扭矩，集成了減速機和液壓馬達的液壓回轉(zhuǎn)機構(gòu)(包括收放機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu))是實現(xiàn)這種驅(qū)動功能的較理想方式。該機構(gòu)采用擺線馬達和蝸輪蝸桿減速器的組合方式，實現(xiàn)了低速大扭矩的液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動，并可進行自鎖，滿足驅(qū)動要求。

3 結(jié) 語

新型一體化推進裝置采用模塊化設計理念，突破了永磁電機與螺旋槳集成技術(shù)，永磁電機的電磁設計、結(jié)構(gòu)設計按照導流管的特性來設計，既保證了電機的效率和結(jié)構(gòu)強度，又符合流體設計，可使總體性能最優(yōu)。作為一種新的技術(shù)和發(fā)展方向，以及適應未來應用的環(huán)境情況，該裝置還需要進行大量的研究、試驗和驗證工作，如材料研究、密封技術(shù)研究、防沙技術(shù)研究以及相關的性能試驗和驗證等工作。

［1］劉波，張大有.一種新型的電力推進系統(tǒng)［J］.武漢理工大學學報，2004(5):748-751.

LIU Bo，ZHANG Da-you.A new electric propulsion system［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2004(5):748-751.

［2］冀路明，王慶周.二十一世紀的Azipod 吊艙式電力推進系統(tǒng)［J］.船舶工程，2002(2):61-64.

JI Lu-min，WANG Qing-zhou.Azipod electric underwater pod propulsion system for Century 21［J］.Ship Engineering，2002(2):61-64.

［3］聶鵬瑜，張維竟，劉卓.吊艙式電力推進的現(xiàn)狀及應用前景［J］.造船技術(shù)，2003(2):3-5.

［4］李錫群，王志華.電機/推進器一體化裝置(IMP)介紹［J］，船電技術(shù)，2003(2):5-6.

LI Xi-qun，WANG Zhi-hua.Introduction to integrated motor/propulsor(IMP)［J］.Marine Electric ＆ Electric Technology，2003(2):5-6.

［5］SSP 推進器——一項獨特的設計［J］.國際船艇，2000(4).

［6］SIEMENS A G.The SSP Propulsor:An Ingenious Podded Drive System［Z］.2001.

［7］BACKLUND A，KUUSKOSKI J.The contra rotating propeller(CRP)concept with a podded drive［C］.Motor Ship Conference，Amsterdam，2000(3):28-29.

［8］ABB Azipod Oy.System Description，2002-02-22.

［9］吳團結(jié).基于CAN 總線技術(shù)的艦船動力系統(tǒng)綜合控制［J］.中國艦船研究，2006(2):70-74.

WU Tuan-jie.CAN-bus-based integrated control of ship power system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2006(2):70-74.

［10］SIEMENS 公司.STMATIC S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊［M］，2002.