張軍賢， 俞萬(wàn)能

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

一種小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真研究

張軍賢， 俞萬(wàn)能

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

針對(duì)以往學(xué)者對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究側(cè)重于推進(jìn)電機(jī)的性能優(yōu)化和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下靜態(tài)性能研究的現(xiàn)狀，該文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備和數(shù)據(jù)，在永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，利用Matlab 中的Simulink模塊庫(kù)搭建一套完整的永磁同步電機(jī)、螺旋槳和船體仿真模型，研究轉(zhuǎn)速給定輸入下電力推進(jìn)系統(tǒng)從起動(dòng)到穩(wěn)定的工作過(guò)程。仿真結(jié)果證實(shí)了該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能和抗擾性能，符合實(shí)際船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的工況，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)，具有實(shí)用價(jià)值。

電力推進(jìn) 矢量控制 永磁同步電機(jī) 螺旋槳 Simulink

1 引言

近年來(lái)，船舶電力推進(jìn)在大功率器件和電力電子控制技術(shù)的日益成熟下取得了飛速發(fā)展，有著許多傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)內(nèi)外各大高校和船舶制造行業(yè)研究的熱點(diǎn)[1～3]。而永磁同步電機(jī)除了具備較好的驅(qū)動(dòng)性能和諸多優(yōu)點(diǎn)外，還符合國(guó)家高效節(jié)能的政策，成為船舶電力推進(jìn)電機(jī)的理想選擇。

目前針對(duì)永磁同步電機(jī)在船舶電力推進(jìn)上的研究已較為普遍，并且由以往艦船上的吊艙式系統(tǒng)逐步趨向于小型船舶應(yīng)用方面發(fā)展，而實(shí)際造出的電力推進(jìn)船舶數(shù)量卻非常有限[4]。電力推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)由推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳和船體三部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，以往學(xué)者的研究偏重于推進(jìn)電機(jī)的性能和控制優(yōu)化方面，忽略了螺旋槳和船體兩部分的匹配，以及不同海況對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響。對(duì)于推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，也通常采用恒轉(zhuǎn)矩輸入予以模擬，從而對(duì)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)下的靜態(tài)性能進(jìn)行分析，造成與實(shí)際電力推進(jìn)系統(tǒng)存在一定偏差，研究范圍狹隘，說(shuō)服力不足，進(jìn)而也就不能對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行全面貼切的仿真。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)電力推進(jìn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和船舶螺旋槳的負(fù)載特性，搭建完整的船機(jī)槳仿真模型，深入研究船舶在各種工況下的推進(jìn)要求，模擬電力推進(jìn)系統(tǒng)從起動(dòng)到穩(wěn)定的工作過(guò)程，分析電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入下的跟隨特性和對(duì)船速的響應(yīng)，研究系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抗擾性能，進(jìn)一步驗(yàn)證模型建立的正確合理性。

2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)組成框圖，它是通過(guò)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)供電給推進(jìn)電機(jī)，再由推進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)的一種方式。現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有利于實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力裝置的最優(yōu)化配置和布局設(shè)計(jì)，具有機(jī)動(dòng)性能好、推進(jìn)效率高、節(jié)能環(huán)保、控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、安全性與經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。

船舶電力推進(jìn)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，主要由變頻器、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳構(gòu)成。電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)由檢測(cè)控制設(shè)備反饋給變頻器，然后通過(guò)對(duì)輸出電壓的頻率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[5,6]。永磁同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)船舶的推進(jìn)和航速的調(diào)整。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)采用低速大轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩，其性能和功率直接影響船速和排水量，因而要求推進(jìn)系統(tǒng)必須效率高，以節(jié)約能源，保證船舶較好的續(xù)航能力[7]。永磁同步電機(jī)在針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)這種負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化和對(duì)空間要求都比較大的場(chǎng)合能夠更好滿足推進(jìn)負(fù)載的要求，具有其他推進(jìn)電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。由文獻(xiàn)[3]永磁同步電機(jī)的物理模型和參數(shù)計(jì)算公式建立如圖2所示的數(shù)學(xué)仿真模型。

3.2 推進(jìn)電機(jī)PMSM矢量控制策略

矢量控制是在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使其互相垂直，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終通過(guò)控制定子電流改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能。這種控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制[8]。id=0的矢量控制方式最為簡(jiǎn)單，適合基速以下的速度控制系統(tǒng),是目前交流永磁同步電機(jī)控制中主要的控制方式。矢量控制用到的主要變換有以下兩個(gè)：

圖2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在id=0的控制方式下，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為

由此可知，電磁轉(zhuǎn)矩輸出與定子電流成正比，控制時(shí)只要準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的空間位置，控制逆變器使定子的合成電流位于q軸上，那么就能通過(guò)控制定子電流的幅值對(duì)永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)很好地控制。圖2為永磁同步電機(jī)的矢量控制框圖，主要包括坐標(biāo)變化模塊、電流PI控制模塊、SVPWM模塊、PWM波形生成模塊、速度PI控制模塊和PMSM電機(jī)模塊[9]。

圖3 永磁同步電機(jī)矢量控制框圖

3.3 船槳數(shù)學(xué)模型

通過(guò)分析螺旋槳與船體間的相互作用，并根據(jù)螺旋槳的工作特性可以得到圖3所示的船槳數(shù)學(xué)模型。輸入量是螺旋槳轉(zhuǎn)速和船進(jìn)速，輸出量是補(bǔ)償修正后的螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩和船速[10]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的某電力推進(jìn)船數(shù)據(jù)，其船槳主要參數(shù)為：螺旋槳直徑D=0.9m,伴流系數(shù)ω=0.157，水體密度ρ=1 000kg/m3,推力減額系數(shù)t=0.145,阻力系數(shù)Kr=694.2，船舶排水量默認(rèn)為92T，槳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為584r/min。

在開(kāi)展小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)的過(guò)程中，合適的教學(xué)情境能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，同時(shí)也能夠?qū)W(xué)生引入課文中，喚醒學(xué)生的真實(shí)感受，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。相較于其他階段的學(xué)生來(lái)說(shuō)，小學(xué)生的自我控制能力以及價(jià)值觀還沒(méi)有完全形成，其自身的興趣發(fā)展也會(huì)因外界的變化而受到影響。因此，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師就需要為學(xué)生創(chuàng)建合適的教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)展，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)質(zhì)量的同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生價(jià)值觀的形成。在此過(guò)程中，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源能夠有效地幫助教師提升教學(xué)質(zhì)量。

4 電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真

4.1 船機(jī)槳模型的構(gòu)建

綜合以上對(duì)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型、船槳數(shù)學(xué)模型以及矢量控制技術(shù)的分析，建立圖4所示的仿真模型，其中永磁同步電機(jī)的參數(shù)如下：額定電壓380V；電機(jī)功率P=2kW；電子繞組Rs=2.875Ω；d相電感繞組Ld=8.5e-3；q相電感繞組=8.5e-3；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.8e-3kg·m2；轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁通Ψf=0.175Wb；磁通密度B=0；磁極對(duì)數(shù)Pn=4；仿真時(shí)間100s。推進(jìn)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速為600rad/s，其經(jīng)過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變、單位轉(zhuǎn)換和傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換后與螺旋槳的設(shè)定轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。另外，由于模型庫(kù)中的永磁同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算出的螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩存在較大量綱差，為了實(shí)現(xiàn)船機(jī)槳的同步仿真，二者通過(guò)一個(gè)比例縮小環(huán)節(jié)進(jìn)行連接，同時(shí)在70s和90s時(shí)分別給推進(jìn)電機(jī)加入一個(gè)正負(fù)擾動(dòng)來(lái)模擬不同海況對(duì)系統(tǒng)的影響。圖5為永磁同步電機(jī)-螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型。

圖4 船槳數(shù)學(xué)模型

圖5 永磁同步電機(jī)-螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型

4.2 系統(tǒng)仿真波形分析

圖6 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖7 永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖8 永磁同步電機(jī)三相電流響應(yīng)曲線

圖9 螺旋槳進(jìn)速比響應(yīng)曲線

圖10 螺旋槳推力輸出曲線

根據(jù)上述的船機(jī)槳模型得出主要參數(shù)的仿真波形如圖6～圖13所示。

圖11 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出曲線

該仿真過(guò)程可以分為起動(dòng)、穩(wěn)定和抗擾三個(gè)工作階段。

起動(dòng)階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.02s即達(dá)到給定值并穩(wěn)定下來(lái)，且超調(diào)較小，無(wú)偏差。由于船速初始狀態(tài)輸出為0，在慣性狀態(tài)下變化緩慢，所以經(jīng)船速和槳轉(zhuǎn)速計(jì)算出的進(jìn)速比較小，而螺旋槳推力和負(fù)載轉(zhuǎn)矩則隨著轉(zhuǎn)速的上升先達(dá)到最大值；同時(shí)推進(jìn)電機(jī)為了跟隨負(fù)載的變化，轉(zhuǎn)矩和電流在穩(wěn)定下來(lái)后也隨之達(dá)到最大。在此階段中，永磁電機(jī)起動(dòng)速度和對(duì)負(fù)載的響應(yīng)速度均較快，表現(xiàn)出良好的起動(dòng)性能。

穩(wěn)定階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速不再變化，船速則在推力作用下逐漸上升，螺旋槳進(jìn)速比和船舶阻力也隨著船速逐漸增加。由于螺旋槳推力和負(fù)載轉(zhuǎn)矩與進(jìn)速比成反比，故二者呈現(xiàn)出一種緩慢下降的趨勢(shì)，同時(shí)永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電流幅值也做出相應(yīng)變化。當(dāng)螺旋槳推力和船舶阻力達(dá)到平衡后，船速穩(wěn)定輸出，其它參數(shù)均進(jìn)入穩(wěn)定輸出狀態(tài)。該階段是個(gè)緩慢變化的過(guò)程，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

抗擾階段：在第70s和90s時(shí)，分別給推進(jìn)電機(jī)外加一個(gè)正30%和負(fù)50%的擾動(dòng)，從仿真波形圖可以看出，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電流能夠迅速跟隨負(fù)載擾動(dòng)的變化，克服擾動(dòng)帶來(lái)的影響使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，而螺旋槳和船速的輸出幾乎不受影響。這表明當(dāng)船舶遇到不同的海況時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)具有很好的抑制作用。

在此仿真過(guò)程中，永磁同步電機(jī)、螺旋槳和船體存在緊密配合關(guān)系，三者之間相互影響。仿真中系統(tǒng)所表現(xiàn)的特性與實(shí)際船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的工況相符。

5 結(jié)論

本文根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶負(fù)載特性，在前人對(duì)永磁同步電機(jī)和螺旋槳負(fù)載研究的基礎(chǔ)上，采用矢量控制方式，建立了PMSM-螺旋槳船體仿真模型。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)具有較好的機(jī)槳匹配性能、快速起動(dòng)性能、抗干擾性能和較為理想的動(dòng)靜態(tài)性能，符合實(shí)船上電力推進(jìn)控制系統(tǒng)的工況性能。該機(jī)-槳模型的搭建也為進(jìn)一步研究永磁同步電機(jī)的優(yōu)化控制、機(jī)速與船速的數(shù)學(xué)關(guān)系、電機(jī)功率和系統(tǒng)節(jié)能、電機(jī)與螺旋槳的匹配及相互影響等課題建立了參考應(yīng)用平臺(tái)，奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖12 船舶阻力曲線

圖13 船速輸出響應(yīng)曲線

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Simulation Research on Electric Propulsion System of a Small Ship

ZHANG Jun-xian， YU Wan-neng

( Marine Engineering Institute， Jimei University， Xiamen Fujian 361021， China)

Aim at the status quo that most past studies for ship electric propulsion system has focus on optimizing the performance of propulsion motor and researching the static performance under constant torque load, in order to study the working process of electric propulsion system from start to steady within the given speed input, this article combines with the existing equipments and data in the laboratory, on the basis of technology development of vector control for permanent magnet synchronous motor, and utilizes the Simulink module library in Matlab to build a complete set of simulation models, which include permanent magnet synchronous motor, propeller and ship hull. The simulation results prove that the system has good static and dynamic performance, as well as anti-disturbance, and conforms to actual conditions of marine electric propulsion system. The research lays a foundation for sequential studies and has the practical value.

Electric propulsion Vector control PMSM Propeller Simulink

福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2012D035，2013H34)；廈門市科技項(xiàng)目(3502Z20123023)。

張軍賢(1989-)，男，碩士研究生。

U665

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