螺旋槳負載仿真的發展與應用

汪金波 許順孝

（集美大學 廈門 361021）

1 螺旋槳仿真的概念及其應用背景

船舶電力推進是船舶推進方式中的一種，船舶電力推進系統是指由電動機驅動螺旋槳推動船舶行進的推進系統[1]。在現代化的船舶電力推進系統的研究和設計過程中，為了滿足性能指標的要求，必須對電力推進系統進行帶槳考核，受實驗室實際條件的限制，考核工作不能在實際環境中進行[2]。這樣，一個高效實用地負載模擬系統變得不可或缺。

傳統的動力系統模擬負載主要是測功器，其主要類型有水力式、電力式和電渦流式。水力測功器是利用水作為工作介質，調節制動力矩。電力測功器是利用改變定子磁場的激磁電壓產生制動力矩。電渦流測功器是利用電磁感應產生渦電流形成制動作用。

1）水力測功器優點是價格低，維護方便；主要缺點是能量直接被消耗掉，且很難實現負載的自動給定和控制。

2）電渦流測功器

電渦流測功器（電渦流測功機）的負載主要是通過改變勵磁線圈的電流大小來改變的。電流的大小容易控制，因此可方便地穩定負載，控制性能好。可雙向測試，轉速范圍寬。響應迅疾，控制方便。但其渦流產生的熱量主要靠冷卻水帶走，一般使用軟化水，流量為每千瓦小時20升。

3) 電力測功機

電力測功機以工作在發電運行方式下的電動機作為負載。同時，通過采用變頻器調節電機的扭矩，調節負載的大小。由于電動機長期處于發電運行方式，一般在變頻器驅動系統中都加上能量回饋裝置，將測試過程中產生的能量返回電網。

圖1 螺旋槳敞水特性曲線

2 螺旋槳仿真原理與發展概況

螺旋槳的建模與仿真十分復雜。在國外，挪威科技大學、ABB、SIEMENS、ALSTON等單位開展了船舶電力推進仿真系統的項目研究。挪威科技大學一直在研究船舶電力推進仿真系統[3]，尤其在螺旋槳從正常到極端工況的負載特性方面有重大突破[4]。螺旋槳的主要特性有敞水特性曲線，螺旋槳扭矩特性曲線以及船槳模型。螺旋槳扭矩特性指的是螺旋槳的扭矩與轉速之間的關系曲線；船槳模型是根據船跟槳、水之間的關系得到的由槳速計算船速、槳的機械特性等的數學模型。如圖1所示是螺旋槳的敞水特性曲線，其中J為進速比，KT為推力系數，KQ為扭矩系數。模擬系統的基本原理，就是通過控制模擬電機的輸出轉矩與實際推進電機的軸負載轉矩一致，從而達到模擬的目的。

在船舶電力推進領域中，ABB運用Saber軟件進行建模與仿真分析，指導系統和產品設計，取得了成功。ABB在其開發新型ACS1000標準交流傳動裝置的過程中，只制造了少量樣機，然后對樣機進行實驗，并同時采用仿真技術進行仿真驗證。其他種類則借助于虛擬樣機的仿真和型式試驗來確定尺寸并進行驗證[5]。根據查閱到的相關資料，ABB在整套船舶電力推進系統設計中也進行諧波分析、逆功率計算、電站穩態分析、PWM 制動電阻整定值設計、大負載啟動時的暫態分析及短路等故障工況的分析，其分析結果可直接指導系統設計。

在國內，哈爾濱工程大學，武漢理工大學，集美大學等相關院校建有電力推進實驗室[6]，另外七院下屬的704、711、712所也有電力推進研究項目。

要使負載電機的轉矩控制能再現螺旋槳的特性，其控制極為復雜，而且實時性要求極高。這就要求船機槳特性仿真器具有高速運算和處理能力，它一方面不斷地檢測仿真推進電機的轉速，并通過復雜的船機槳特性數學模型運算，推算出模擬船舶的航速和仿真螺旋槳的扭矩，另一方面不斷地檢測負載電機的實際扭矩，然后通過負載電機扭矩閉環自動控制，由負載變頻器控制負載電機的輸出扭矩，以便反過來影響仿真推進電機的運轉。仿真推進電機的運轉工況變化又再一次影響負載電機的輸出扭矩，依次不斷循環，直至進入一平衡狀態[7]。可見，要實現真正意義上的螺旋槳動態特性仿真，一方面需依靠建立精確的船機槳數學模型，另一方面需依賴于能實現高速運算的仿真器和高指標的扭矩控制系統。

3 螺旋槳仿真的系統方案與關鍵技術

圖2 是集美大學輪機工程學院螺旋槳仿真系統平臺的總體方案。負載系統主要包括負載電動機，負載變頻器及其控制系統。負載系統采用轉速與轉矩雙閉環控制模式，模擬螺旋槳水動力特性以及港航領域常見拖動設備的負載特性，向推進電動機加載特定要求的負載轉矩。

電機控制器硬件結構框圖如圖3所示。根據感應電機直接轉矩控制算法的特點，需要檢測的電量有直流母線電壓和電機交流側電流。直流母線電壓以及交流側兩相電流經霍爾效應傳感器測得，并經低通濾波后送到DSP的ADC模塊，DSP輸出脈寬調制信號經驅動、隔離后送給逆變模塊的驅動端，使逆變模塊工作，如果逆變模塊出現異常，如過流、過熱、過壓等，則輸出一個錯誤信號給DSP，DSP立即封鎖PWM輸出，保護逆變模塊。DSP通過 CAN總線與上位機通信，由上位機處理鍵盤操作、參數修改及顯示等功能，可實現遠程操作。

圖2 螺旋槳仿真系統的總體方案圖

圖4是基于直接轉矩控制的軟件實現方案。系統在獲取負載電機轉速信號后，換算成相應的螺旋槳轉速，輸入給船槳模型。船槳模型輸出對應螺旋槳轉矩，作為電機直接轉矩控制系統的給定值，有電機控制系統輸出滿足仿真要求的軸轉矩，實現整個仿真過程。

變頻器選擇

船舶電力推進系統中，采用變頻器對推進電機進行轉速及轉矩控制是極為重要的環節。目前，變頻控制技術主要有恒壓/頻比控制、SPWM 控制、矢量控制及直接轉矩控制（DTC）四種[8]。從船舶電力推進控制方法上看，矢量控制和直接轉矩控制是當前得到廣泛應用的兩種控制方案。以 SIEMENS和 ABB為代表，SIEMENS采用IGBT(絕緣門極雙極型晶體管)器件進行矢量控制，ABB采用 IGCT(集成門極換流晶閘管)器件進行直接轉矩控制。矢量控制強調轉子磁鏈與轉矩的解耦，實行連續控制，調速范圍寬，但易受轉子參數變化的影響，降低了控制系統的魯棒性。直接轉矩控制則控制定子磁鏈，不受轉子參數變化的影響，采用轉矩和磁鏈的砰-砰控制避開了旋轉坐標變換，簡化了控制結構，動態響應快，但卻引起了電流和轉矩的脈動，低速性能差，調速范圍受到限制。

直接轉矩控制方式方案簡單、物理概念明確，在現代交流電氣傳動中占有越來越重要的地位。用直流電機、繞線式電機做螺旋槳仿真負載電機結構較復雜，且轉速范圍低鼠籠式異步電機轉子輕、結構簡單、能形成四象限運行[9]。所以，基于直接轉矩控制的鼠籠式異步仿真負載電機是一種較理想的解決方案。在直接轉矩控制方式下，加在被測裝置的制動轉矩可直接給定，顯得非常直觀。通常的異步電機直接轉矩控制是通過控制定子電壓空間矢量來控制定子磁鏈，進一步控制轉矩。而雙饋電機的直接轉矩控制可以通過轉子電壓空間矢量，控制轉子的磁鏈旋轉速度，繼而控制轉矩。

計算機仿真工具的選擇

在仿真平臺的選擇上，美國海軍在進行模擬系統建模仿真時，使用ACSL、WAVEIM、MATLAB等軟件開發了系統級的通用仿真程序；英國海軍則借助MATLAB建立模型輔助研究；國外主要的民用電力推進廠商如ABB、ALSTOM、SIEMENS分別使用Saber、ACSL、MATLAB及獨立開發的專用軟件仿真工具[10]。在國內，用的比較多的軟件有Saber、PSPICE、MATLAB等：借助PSPICE、Saber、MATLAB等功能強大的計算機仿真工具，可以對電力電子系統進行分析、設計，確定系統的控制方案。PSPICE和Saber通過調用元器件庫模型來對電力電子系統建模，模型中含指數函數，當系統比較復雜時，仿真運行時間長，數據處理量大，收斂困難，因此PSPICE、Saber仿真只適用于電路級的分析設計，如主電路、緩沖電路、諧振網絡、附加電路的設計等等。MATLAB一般用狀態方程描述電力變換電路，可以非常方便地在 MATLAB/Simulink環境下用各種功能模塊完成系統建模以及實現不同的控制算法，而不用考慮各種元器件的實際模型；另外，MATLAB在系統庫、界面友好性、代碼兼容性等方面都具有獨特的優勢，尤其適合系統的建模仿真，所以，MATLAB是電力電子系統級建模仿真的首選。

4 結束語

隨著電力電子器件和技術的創新與發展，IGBT及 IGCT高壓大容量方面技術的突破和成本的下降，以及矢量控制技術和直接轉矩控制技術的成熟與推廣，具有降低成本、縮短研發周期、減小風險等優勢的模擬系統在研發初期及系統考核中起著重要的作用。

圖3 電機控制器硬件結構框圖

圖4 基于直接轉矩控制的系統原理圖

對于我國船舶電力推進系統技術及其仿真技術而言，我們既有發展的機遇，也面對著技術挑戰。十二五規劃出臺后，國家加強了對高端裝備制造業的扶持力度。ABB 已經決定在上海新增一條 Azipod 生產線以滿足中國市場的需求。由于涉及商業或軍事機密，國外的船舶電力推進技術成果大多無法取到，只能依靠自己研究掌握。開展船舶電力推進仿真研究勢在必行。

目前，我們應當充分利用外來的、現有的技術與裝備，全面開展系統論證工作，研究和設計并確定適合我國國情的平臺體系，電力標準以及集成的設備模塊，建立先進的螺旋槳仿真科研平臺，以降低船舶電力推進平臺技術設計過程中的風險和工程應用問題，積累船舶電力推進系統技術設計與建造經驗。

[1]周平, 王志華. 世界艦船電力推進技術發展綜述.船電技術, 2004年, 增刊.

[2]高海波, 陳輝, 武福愿, 趙文科. 船舶電力推進系統仿真及特性實驗[DB/OL].中國科技論文在線,2008(1)： 1-6

[3]Damir Radan. Integrated Control of Marine Electrical Power Systems [D]： [Doctoral dissertation].Norwegian University of Science and Technology,2008

[4]Vind Notland Smogeli. Control of Marine Propellers from Normal to Extreme Conditions [D]： [ Doctoral dissertation]. Norwegian University of Science and Technology，2006

[5]Methven RN L t P.Modelling of a full electric propulsion system using matlab-simulink & power system blockset[D]. Ph. D. dissertation,Dept.Mech.Eng., Univ. College London, 1998.

[6]羅耀華, 葉瑰的, 劉勇. 艦船全電力推進系統模擬研究[J].船舶工程, 2002(4)：59-61.

[7]樊印海. 雙螺旋槳電力推進系統數學模型與數字模擬的研究[J]. 大連海事大學學報, 1995, 11：29-31.

[8]趙爭鳴, 袁立強, 孟朔, 李崇堅. 通用變頻器矢量控制與直接轉矩控制特性比較[J]. 電工技術學報,2004, 19(4)： 81 一 84.

[9]趙宏革, 李玉濤. 船舶電力推進系統中直接轉矩控制技術的仿真[J]. 大連海事大學學報, 2003(4)： 4546

[10]趙 震, 劉志剛, 刁利軍. 基于 Matlab的船用螺旋槳計算機實時仿真及 GUI設計. 計算機應用與軟,2008.