船舶電力推進系統特性仿真實驗研究

焦 勇

（渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125005）

1 引言

電力推進是一種有廣闊應用前景的先進的船舶推進方式。建設小比例的船舶電力推進仿真系統，有利于開展電力推進關鍵技術研究；同時小比例的實物船舶電力推進仿真系統上的實驗數據對研制船舶電力推進系統具有借鑒及參考意義。本文主要設計了三種船舶電力推進系統典型工況的仿真實驗，并對實驗結果進行了分析[1]。

2 實驗裝置設計

實驗室采用了符合實船應用的整套電力推進系統，包括船用發電機組、配電板、能量管理系統、移相變壓器、變頻器、推進電機、負載電機和監控系統。整套系統聯動，可以模擬實船應用中的各種工況，并通過監控系統觀察推進系統各設備的運行狀態。

系統的最大特點在于混合仿真，所謂混合仿真就是指系統模擬了船舶的兩舷推進系統，系統的右舷采用實物仿真，選用SIEMENS公司的6SE70變頻器（250 kW）、6SE70制動電阻單元、4GJ三繞組變頻變壓器（300 kVA）、推進電機1LA8 317-8P電動機（180 kW）、負載電機1LA8 317-8P電動機（180 kW）等設備，組成實軸電力推進系統；而左舷采用計算機仿真的辦法，模擬變頻器、推進電機和螺旋槳，組成虛軸電力推進系統，如圖1所示[2]。

該套系統主要分成四個組成部分：電站系統、推進系統、監控系統和虛軸仿真系統。電站系統布置了三套發電機組，每套容量75 kW。根據備車、港航、巡航、機動航行等不同的工況，自動選擇最少運行發電機臺數；同時，根據負載變化，進行發電機工作臺數的增減，自動完成并車、解列、調頻及調載。

虛軸仿真系統模擬船舶的左舷電力推進系統，以右舷電力推進系統設備的運行參數為參照，具有與右舷實軸電力推進系統相同的外在特性。右舷實物仿真推進系統和左舷計算機仿真推進系統均接受來自機旁、集控臺、駕控臺的操作輸入，實軸和虛軸推進系統共享一個數據庫，運行結果也均由實驗臺的儀表和指示燈顯示。

3 特性實驗與結果分析

3.1 模擬螺旋槳突然受阻試驗

航行中螺旋槳可能會遇到漂浮的雜物或大型的魚類，造成很大的沖擊，形成突加負載，導致電機電流急劇升高，電機發熱等現象。本實驗通過突加負載轉矩模擬了螺旋槳突然受阻的情況，監測的各參數曲線如圖2。

圖1 船舶電力推進混合仿真實驗裝置示意圖

圖2 突加負載試驗

從圖2中可以看出系統在自由航行的穩定狀態下突加負載，電機的實際速度有個很小的下降后馬上達到給定值，并一直穩定運行。這是因為電動機設定為速度環控制，能對速度的反饋有很好的調節作用，只要負載在額定的范圍內變化其速度就會穩定在給定值，只是電流會相應地增加[3]。

3.2 模擬系統緊急停車特性

船舶運行有時需要緊急停車，這就要求系統的停車時間短、響應迅速。將電機的速度從285 rpm突降到零。測試曲線如圖3。

圖3中顯示系統的停車時間相當短，完全能夠滿足要求。從推進電機的功率曲線中可見，在負載電機扭矩降到零時，由于慣性作用，軸系還在運轉，使推進電機處在發電狀態，當電機完全停轉時功率就回零了[4]。

圖3 系統緊急停車特性曲線

3.3 不同脈波整流方式的切換

系統采用的是三相移相變壓器，將三相 380 V/50 Hz的交流電變成兩個相位相差30°的三相690 V/50 Hz的交流電供變頻器使用。變頻器通過開關可將系統自動分成6脈動整流方式和12脈動整流方式工作，以便于系統模擬不同整流系統下整個系統的諧波因素。

模擬船舶在自由航行下，也就是通過設定負載電機讓其扭矩值滿足自由航行曲線的特性。在電動機負載、功率、速度等相同的條件下讓系統分別運行在6及12脈波整流的狀況，監測系統的電壓、電流，如圖4和圖5所示[5]。

圖4 自由航行下6脈波整流特性

圖5 自由航行下12脈波整流特性

通過比較6脈波整流和12脈波整流兩種狀態下的輸出電壓、電流波形，可以發現 12脈波整流輸出波形要比6脈波整流輸出波形要平穩，波動要小。可見 12脈波能起到一定的平波效果，有利于系統的穩定運行，也可以減少對通訊及其它設備的電磁干擾[6]。

4 結束語

本文針對船舶電力推進系統中的三種典型工況，設計了相應的仿真實驗，實驗結果表明該仿真系統能很好地模擬實船工況，有一定的科研及實用價值。

[1] 陳家金，王和平.船舶電力推進系統的發展.世界海運，2006，(4).

[2] 張霞.六相永磁同步電動機特性仿真的研究.上海海事大學碩士學位論文，2007.

[3] 張洋，楊平西，陳琳.船舶電力推進系統諧波特性仿真與試驗.船舶工程，2009, (S1).

[4] 趙濤，姜衛東.利用PSPICE仿真分析PWM控制電路.安徽大學學報(自然科學版)，2005,(5).

[5] 劉赟，徐紹佐.船舶綜合電力推進系統綜述[J].柴油機，2004, （2）.

[6] 張偉.電力推進系統的實船應用[J].中國水運, 2004,.（7）.