勇婭詢， 劉維亭， 魏海峰， 陳源(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶電力推進(jìn)感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)仿真研究

勇婭詢， 劉維亭， 魏海峰， 陳源
(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

分析了船舶電力推進(jìn)的特點和感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型，建立了以電壓空間矢量控制理論為核心的感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型，試驗了帶螺旋槳負(fù)載時，矢量控制的調(diào)速性能。仿真結(jié)果表明，感應(yīng)電機矢量控制調(diào)速性能良好，適用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。

電力推進(jìn)；感應(yīng)電機；矢量控制；螺旋槳；調(diào)速性能

0 引 言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)雖有近百年歷史，卻因為各種制約因素，發(fā)展緩慢，大多數(shù)只應(yīng)用在特種船舶上。隨著供電系統(tǒng)、推進(jìn)電機和微電子及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，船舶電力推進(jìn)也得到了大力的發(fā)展。同傳統(tǒng)的機械推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟性、船舶操縱性、降低振動噪聲、靈活空間配置和安全可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢[1]。

推進(jìn)電動機在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計中處于核心位置，推進(jìn)電機按種類可分為直流電機和交流電機，而交流電機又可分為同步電機和異步(感應(yīng))電機。同步電機可以通過勵磁靈活調(diào)節(jié)功率因數(shù)，異步電機的功率因數(shù)不可調(diào)。因為同步電機有勵磁繞組和滑環(huán)，所以需要操作者有較高的水平來控制勵磁，此外，和異步電機的免維護(hù)相比，同步電機維護(hù)工作量較大，而且異步電機可以通過改變輸入交流電的頻率改變電動機轉(zhuǎn)速，所以，作為電動機時，大多選擇異步電機。

電動機的轉(zhuǎn)速控制是由變頻器來實現(xiàn)的。變頻器由結(jié)構(gòu)不同可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器。在交-直-交變頻器中，按中間儲能環(huán)節(jié)所用的是電容還是電感，又分為電壓型和電流型變頻器[2]。由于交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)簡單、且具有頻率調(diào)節(jié)范圍寬、功率因素高、電動機匹配無要求等優(yōu)點，目前，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，普遍采用的是電壓型的交-直-交變頻器。采用的控制方法主要有PWM(脈寬調(diào)制)方式和多電平控制方式[3]。其中，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變壓變頻控制方式在技術(shù)上日益成熟，在各種船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中也得到廣泛應(yīng)用。基于上述內(nèi)容，分析了螺旋槳負(fù)載的工作特性，建立了船舶電力推進(jìn)感應(yīng)電機矢量控制仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了深入研究。

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

船舶電力推進(jìn)就是采用電動機驅(qū)動螺旋槳來推進(jìn)船舶運行的一種推進(jìn)方式。而采用電力推進(jìn)裝置的船舶稱為電力推進(jìn)船舶或電動船。常用船舶電力推進(jìn)裝置一般由以下幾部分組成：(1) 螺旋槳J：船舶推進(jìn)器一般都采用螺旋槳，因為其效率高，尺寸較小。(2) 電動機M：可以采用直流他勵電動機或交流同步電動機、異步電動機、同步異步電動機等。(3) 電動發(fā)電機D：同時具有發(fā)電機和電動機兩種功能，而僅對于發(fā)電機，可以采用直流他勵、差復(fù)勵發(fā)電機或交流同步發(fā)電機。(4) 原動機Y：可以采用柴油機、汽輪機或燃?xì)廨啓C。目前多采用高速或中速柴油機，大功率時多用汽輪機或燃?xì)廨啓C。(5) 控制調(diào)節(jié)設(shè)備K。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 異步電機矢量控制及螺旋槳模型

2.1 異步電機數(shù)學(xué)模型

交流異步電動機是由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成的一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能的電力拖動裝置。

對異步電機的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究時，可以忽略一些微小影響的參數(shù)，假設(shè)把空間諧波、磁路飽和和鐵芯的損耗省略，把各個繞組相互間的互感及自感也認(rèn)為是恒定不變的，而且不考慮頻率以及溫度的變化對繞組阻值的影響[4]。

交流電機的數(shù)學(xué)模型與直流電機的數(shù)學(xué)模型作比較，更為復(fù)雜。如果能把交流電機模型等效變成類似直流電機的形式，就可以簡化對電機的分析及控制，由此得到坐標(biāo)變換，其中不同電機模型的等效需遵守磁動勢在不同坐標(biāo)條件下不變的原則。

異步電機在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)下的數(shù)學(xué)模型。

電壓方程：

(1)

式(1)中:Lm為同軸的定子和轉(zhuǎn)子等效繞組之間產(chǎn)生的互感；Ls，

Lr分別為定子及轉(zhuǎn)子等效兩相繞組各自的自感；ωdqr，ωdqs為電機的同步角速度以及轉(zhuǎn)差角速度。

磁鏈方程：

(2)

轉(zhuǎn)矩方程：

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

2.2 電壓空間矢量控制系統(tǒng)

異步電機通過坐標(biāo)變換能夠等效地看作成直流電機，于是，利用直流電機的控制方式方法，獲得直流電機的控制變量，再經(jīng)過坐標(biāo)變換，就能夠控制異步電機。電壓空間矢量控制系統(tǒng)的原理圖[5]，如圖2所示。

圖2 電壓空間矢量控制系統(tǒng)的原理圖

2.3 螺旋槳負(fù)載的工作特性

由于螺旋槳的特殊結(jié)構(gòu)和較高的工作效率，其作為船舶推進(jìn)器已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。在船舶航行過程中,螺旋槳在水中回轉(zhuǎn)會產(chǎn)生推力t，推動船舶運行時，推力與船舶運行方向一致，船舶后退時，就產(chǎn)生負(fù)推力。在水中回轉(zhuǎn)時，螺旋槳還會產(chǎn)生扭矩q，其方向和螺旋槳的回轉(zhuǎn)方向相反[6]。

螺旋槳推力t可以表示為：

t=Ktρn2D4

(4)

螺旋槳扭矩q可以表示為：

q=Kqρn2D5

(5)

式(4)和(5)中Kt，Kq為螺旋槳推力與螺旋槳扭矩系數(shù)，二者都是進(jìn)速比J的函數(shù)；ρ為海水密度，單位kg/m3；n為螺旋槳的速度，單位r/s；D為螺旋槳的直徑，單位m。

在現(xiàn)實應(yīng)用中螺旋槳是與船體相連接的，船舶在水中運行時，船舶對螺旋槳產(chǎn)生的伴流通常有三種：摩擦，位差以及波浪伴流。

令伴流速度為：

u=V-Vp

(6)

伴流系數(shù)為：

ω=u/V=1-Vp/V

(7)

相對于水螺旋槳的速度為：

VP=V(1-ω)

(8)

螺旋槳的進(jìn)速比為：

(9)

螺旋槳的實際有效推力就可表示為：

PE=P(1-t)

(10)

式(6)到(10)中V為流過螺旋槳水的速度，Vp為螺旋槳向前的速度。

在實際船舶航行中，除了需要考慮船體和螺旋槳間的相互作用外，還要考慮船舶的阻力特性，通過阻力曲線隨著船航速的變化，可以得出水對船體的阻力與船航速的平方成正比[7],即：

R=KRV2

(11)

式(11)中R為水對船體的阻力，KR阻力系數(shù)。

3 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 坐標(biāo)變換模型

坐標(biāo)變換包括3/2變換、2s/2r變換及2r/2s變換，變換結(jié)構(gòu)模型如圖3～5所示[8]。

圖3 3/2變換模型

圖4 2s/2r變換模型

圖5 2r/2s變換模型

3.2 PI調(diào)節(jié)器模型

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈PI調(diào)節(jié)器的模型結(jié)構(gòu)基本相似，不同點在于設(shè)置的參數(shù),其模型結(jié)構(gòu)主要包括比例部分、限幅環(huán)節(jié)和積分部分，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的模型如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器模型

3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型

磁鏈觀測模型如圖7所示，由于矢量控制過程中存在坐標(biāo)變換，所以必須要獲得靜止與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)間的夾角[9]。

圖7 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器模型

圖8 SVPWM總仿真模型

3.4 SVPWM模型

SVPWM總仿真模型如圖8所示，由扇區(qū)判斷模型，電壓矢量的作用時間模型，逆變器開關(guān)時間模型，PWM波形的生成模型這幾部分組成。

3.5 電壓空間矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

把矢量控制系統(tǒng)模型與螺旋槳模型結(jié)合起來，組成船舶電力推進(jìn)電壓空間矢量控制系統(tǒng)仿真模型，其中選擇一臺37 kW異步電機作為電機，其參數(shù)如下：轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.050 3 Ω；定子電阻Rs=0.082 33 Ω；互感Lm=0.027 11 H；電壓UN=400 V；頻率f=50 Hz；轉(zhuǎn)動慣量J=0.37 kg·m2；極對數(shù)pn=2。給定轉(zhuǎn)速為175 r/min，仿真結(jié)果如下：

圖9是電壓空間矢量控制感應(yīng)電機的相電流仿真波形，電流基本保持正弦波，在剛啟動時，電機電流峰值大約達(dá)到420 A，電流脈動較大，經(jīng)過0.3 s后基本穩(wěn)定在100 A，所以當(dāng)電機達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流幅值和頻率都可以保持穩(wěn)定，電流對電網(wǎng)也不存在較大的沖擊。

圖9 電機相電流

圖10是電壓空間矢量控制感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速仿真波形，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，電機轉(zhuǎn)速從0上升到給定值175 r/min所花的時間約為0.18 s，之后轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，上升曲線較為平滑。

圖10 電機轉(zhuǎn)速

圖11是電壓空間矢量控制感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)矩仿真波形，因為帶有負(fù)載，電機在剛啟動時，最大扭矩接近245 N·m，隨著系統(tǒng)運行，轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，約為225 N·m。電機轉(zhuǎn)矩在啟動到穩(wěn)定間跳變幅度較小。

圖11 電機轉(zhuǎn)矩

圖12是電壓空間矢量控制感應(yīng)電機的負(fù)載，螺旋槳的扭矩仿真波形，當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，螺旋槳的扭矩也達(dá)到穩(wěn)定，結(jié)合圖11和圖12可得，穩(wěn)定狀態(tài)時電機轉(zhuǎn)矩值和螺旋槳的扭矩值接近相等。

圖12 螺旋槳扭矩

4 結(jié)束語

在分析電力推進(jìn)的基礎(chǔ)上，采用感應(yīng)電機矢量控制來作為電力推進(jìn)的驅(qū)動裝置，并對船舶螺旋槳負(fù)載進(jìn)行了研究，最后用MATLAB對其進(jìn)行了仿真，分析了電壓空間矢量控制系統(tǒng)在帶螺旋槳負(fù)載后的電流，速度和轉(zhuǎn)矩特性。仿真結(jié)果表明電壓空間矢量控制感應(yīng)電機的電力推進(jìn)系統(tǒng)性能良好，運行穩(wěn)定，可以滿足船舶對電力推進(jìn)的需求。

[1] 云峻峰，黃仁和，趙建華.現(xiàn)代艦船電力推進(jìn)設(shè)計走向[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2003,25(1):3-8.

[2] 聶延生，黃鵬程，李偉光，等．船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)控制方法[J]．航海技術(shù),2002,24(6):38-39.

[3] 李楠．現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展[J]．中國水運,2009,9(1):1-2.[4] 尚敬.基于MATLAB/Simulink的異步電動機仿真模型分析[J].電機技術(shù)，2002,23(2):17-19.

[5] 余秋實.異步電機SVPWM的矢量控制系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2010.

[6] A L ORILLE, G M A SOWILAM. Application of neural network for direct torque control[J]. computers and Industrial Engineering, 1999,37(5):391-394.

[7] J RODRIGUEZ, J PONTT, C A SILVA, et al.Predictive current control of a voltage source inverter. [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2007,54(7):495-503.

[8] 邵杰．基于MATLAB/Simulink異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用. 2009, 28(3):73-76.

[9] 洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

A Simulation Study on the Vector Control System of Marine Electric Propulsion Induction Motors

YONG Ya-xun, LIU Wei-ting, WEI Hai-feng, CHEN Yuan
(College of Electric Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

This paper analyzes the characteristics of marine electric propulsion and the mathematical model of the induction motor, establishes a simulation model for the induction motor vector control system based on the voltage space vector control theory, and tests the speed control performance of vector control under propeller load. Simulation results show that the induction motor vector control has a good speed control performance and is suitable for marine electric propulsion systems.

electric propulsion; induction motor; vector control; propeller;speed control performance

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項目(“船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)工程化技術(shù)研究”)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.004

TM343

A

1000-3886(2015)05-0010-03

勇婭詢(1991-)，女，江蘇宜興人，碩士生，研究方向：船舶電氣控制。 劉維亭(1966-)，男，黑龍江牡丹江人，博士，教授，研究方向：船舶電氣控制。

定稿日期: 2014-08-14