船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真及特性實(shí)驗(yàn)

，，

(1.中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022; 2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

船舶電力推進(jìn)是將船舶推進(jìn)原動(dòng)機(jī)(現(xiàn)一般多采用柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))產(chǎn)生的機(jī)械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⒁噪姍C(jī)驅(qū)動(dòng)船舶螺旋槳的一種推進(jìn)方式。本文對(duì)采用異步電動(dòng)機(jī)作為螺旋槳推進(jìn)電機(jī)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究，在Saber環(huán)境中對(duì)部分情況做了仿真試驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在本系統(tǒng)中采用了變壓器將三相380V/50Hz的交流電變換成兩個(gè)相位相差30°的690V/50Hz的交流電供變頻器使用。變頻器通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)將系統(tǒng)自動(dòng)分成6脈動(dòng)和12脈動(dòng)系統(tǒng)，以便于模擬不同整流系統(tǒng)下整個(gè)系統(tǒng)的諧波因素。變壓過(guò)來(lái)的交流電輸送給變頻器以控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，推進(jìn)負(fù)載由負(fù)載電機(jī)提供，將推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)對(duì)軸連接，原動(dòng)力和負(fù)載均采用1臺(tái)180 kW的電機(jī)，負(fù)載電機(jī)按照螺旋槳特性曲線控制，用于模擬舵槳系統(tǒng)的各工況的負(fù)載特性，同時(shí)為了消耗由船舶速度突變產(chǎn)生的能量對(duì)變頻器中間直流回路的影響，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了一個(gè)制動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

在數(shù)字仿真和能量管理仿真中，對(duì)船舶系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算和為實(shí)際船舶設(shè)定合理的控制策略都是通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并在2臺(tái)PC機(jī)上分別運(yùn)行這2個(gè)仿真系統(tǒng)。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了與實(shí)船的操控系統(tǒng)相似，機(jī)旁、集控和駕控的操作盤(pán)臺(tái)與實(shí)船一樣，具備相應(yīng)的按鈕、指示燈、操縱桿和指示儀表，兩舷分別與實(shí)物和計(jì)算機(jī)相連。由于電力推進(jìn)船舶使用的變壓器不僅要實(shí)現(xiàn)電壓變換，并且在設(shè)計(jì)中還要考慮船用化和系統(tǒng)的諧波抑制等問(wèn)題，所以本系統(tǒng)采用了SIEMENS公司的4GJ三繞組變壓器。

主電路中的變頻器選用了SIEMENS的6SE70系列產(chǎn)品，作為系統(tǒng)保護(hù)，采用了斷路器供電，并用主接觸器實(shí)現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)的連接和斷開(kāi)，其控制由變頻器電子板實(shí)現(xiàn)，再用進(jìn)線電抗器來(lái)抑制電網(wǎng)電壓的突變及電流沖擊，以減小諧波，同時(shí)考慮到對(duì)電磁兼容性的要求，留出了安裝無(wú)線電干擾抑制濾波器的位置。

對(duì)于電機(jī)的控制，由西門(mén)子6SE70系列變頻柜專(zhuān)用的控制流程來(lái)實(shí)現(xiàn)，整流器給直流母線供電，兩臺(tái)逆變器分別控制電動(dòng)機(jī)和負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行。以矢量控制方式為基礎(chǔ)，外加工藝閉環(huán)，確保推進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速、負(fù)載電機(jī)變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。OPlS舒適型操作界面提供了良好的人機(jī)界面，同時(shí)操作者可以利用BICO功能方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)的切換。

在監(jiān)控上為了體現(xiàn)系統(tǒng)反映的快速性、準(zhǔn)確性，采用了SIEMENS的S7-300的PLC，CPU為314C-2DP，通過(guò)PROFIBUS總線來(lái)和PC機(jī)及變頻器通訊，十分方便的控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2 數(shù)字仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)物仿真推進(jìn)裝置和數(shù)字仿真推進(jìn)裝置均由盤(pán)臺(tái)控制，運(yùn)行結(jié)果也均在盤(pán)臺(tái)上的儀表和指示燈顯示。兩側(cè)推進(jìn)裝置共用統(tǒng)一的電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理仿真系統(tǒng)。數(shù)字仿真要求以推進(jìn)桿和按鈕作為輸入，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算得出各個(gè)需要監(jiān)控的參數(shù)值，同時(shí)操作盤(pán)臺(tái)上的儀表、指示燈均能受仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，這樣可以直觀的比較實(shí)際系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的差別和改善仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

對(duì)于各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)采用在推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控PC上運(yùn)行WinCC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 仿真系統(tǒng)PC上以美國(guó)Synopsys公司開(kāi)發(fā)的Saber軟件作為仿真工具，通過(guò)運(yùn)行曲線擬合、 數(shù)值計(jì)算得到系統(tǒng)的一系列數(shù)學(xué)模型，經(jīng)FORTRUN語(yǔ)言編程后，利用仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。能量管理PC也是通過(guò)FORTRUN語(yǔ)言編制，運(yùn)行建立好的能量管理數(shù)學(xué)模型以計(jì)算出精確的理想運(yùn)行參數(shù)，并利用仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，然后將各個(gè)系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)的形式組合在一起，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 模擬螺旋槳突然受阻試驗(yàn)

船舶航行中螺旋槳可能會(huì)遇到漂浮的雜物或大型的魚(yú)類(lèi)，造成很大的沖擊，形成突加負(fù)載，導(dǎo)致電機(jī)電流急劇升高，電機(jī)發(fā)熱等現(xiàn)象[3]。因此模擬了自由航行時(shí)突加負(fù)載的情況，監(jiān)測(cè)的速度參數(shù)曲線,見(jiàn)圖2。

圖2 突加負(fù)載試

從圖中可以看出系統(tǒng)在自由航行穩(wěn)定運(yùn)行下突加負(fù)載，電機(jī)的實(shí)際速度有個(gè)很小的下降后馬上達(dá)到給定的值，并一直穩(wěn)定運(yùn)行。這是因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)設(shè)定為速度環(huán)控制，能對(duì)速度的反饋有很好的跟蹤調(diào)節(jié)作用，只要負(fù)載在額定的范圍內(nèi)變化其速度都會(huì)穩(wěn)定在給的值，只是電流會(huì)隨著增加或減小。

3.2 模擬螺旋槳出水特性試驗(yàn)

當(dāng)船舶在暴風(fēng)雨天氣航行時(shí)，船舶阻力會(huì)在很大范圍內(nèi)變化，有時(shí)螺旋槳還可能脫落、損壞、出水等，螺旋槳甚至可能產(chǎn)生“飛車(chē)”現(xiàn)象。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)面臨這一狀況的特性，模擬了螺旋槳露出水面的情況，即在模擬系統(tǒng)自由航行時(shí)將負(fù)載電機(jī)停止。測(cè)得的電壓參數(shù)曲線,見(jiàn)圖3。

從圖中可以看出在負(fù)載突降低到零時(shí)，原動(dòng)機(jī)的速度并沒(méi)有變化，也不會(huì)出現(xiàn)所謂的“飛車(chē)”現(xiàn)象。這和上面分析的突加負(fù)載的原理一樣，因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)設(shè)定為速度環(huán)控制。因此該系統(tǒng)針對(duì)海上運(yùn)行的特點(diǎn)，能很好的滿(mǎn)足要求。

圖3 螺旋槳出水特性試驗(yàn)曲線

3.3 模擬系統(tǒng)緊急停車(chē)特性

船舶運(yùn)行有時(shí)需要緊急停車(chē)，這就要求系統(tǒng)的停車(chē)時(shí)間快、響應(yīng)迅速。為此測(cè)試了系統(tǒng)的該項(xiàng)功能，讓電機(jī)的速度從285 r/min突降到零。測(cè)試曲線,見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)緊急停車(chē)特性曲線

圖中顯示系統(tǒng)的停車(chē)時(shí)間相當(dāng)短，完全能滿(mǎn)足航行的要求。同時(shí)從電機(jī)的功率發(fā)現(xiàn)在速度降到零時(shí)功率為負(fù)值，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性作用，電機(jī)的軸系還在運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)完全停止時(shí)就為零了。

3.4 模擬螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)

當(dāng)航速不變時(shí)，螺旋槳反轉(zhuǎn)過(guò)程中其阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的慣性曲線稱(chēng)為螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線，螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線形狀奇特，見(jiàn)圖5。

圖5 螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲

試驗(yàn)時(shí)先將原動(dòng)機(jī)推到一個(gè)較高的速度，然后突然拉倒車(chē)，到一個(gè)反轉(zhuǎn)的高速。從扭矩圖中可以看出扭矩迅速降低到負(fù)值，到一個(gè)較低點(diǎn)后開(kāi)始有個(gè)回升和波動(dòng)，然后又開(kāi)始下降。從功率曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)功率有個(gè)急速的下降，到一定負(fù)值后開(kāi)始回升到正值并穩(wěn)定。這種負(fù)功率表示電機(jī)已經(jīng)處在發(fā)電狀態(tài)了，同時(shí)直流母線上的電壓這時(shí)也開(kāi)始急劇上升，當(dāng)推進(jìn)電機(jī)開(kāi)始正常推進(jìn)后電壓又開(kāi)始下降，到運(yùn)行穩(wěn)定后，電壓也趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

螺旋槳負(fù)載實(shí)驗(yàn)仿真裝置是船舶電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，是推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確實(shí)施仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過(guò)以上這些與實(shí)船航行緊密相關(guān)的試驗(yàn),檢測(cè)了系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，并得出了系統(tǒng)的一些具體特性以便日后進(jìn)一步優(yōu)化。

[1] 楊勇兵．交流變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真建模[J]．柴油機(jī)，2003(2)：21-25.

[2] 高海波，陳明昭，陳 輝．船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的仿真與建模[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002(6)：806-808.

[3] 邱阿瑞．現(xiàn)代電力傳動(dòng)與控制[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.