吊艙式船舶電力推進實驗系統(tǒng)的設計＊

朱 樓 沈愛弟

（上海海事大學航運技術與控制工程交通行業(yè)重點實驗室 上海 201306）

1 引言

吊艙式電力推進系統(tǒng)［1］是將推進電機裝在吊艙內，螺旋槳軸和推進電機轉子在一條直線上，一起旋轉。其定子被固定在吊艙殼體上或帶動另一個螺旋槳反向對轉，整個推進模塊可以360°旋轉，集推進和操縱功能于一體，既有利于船舶動力系統(tǒng)的簡化和布局，優(yōu)化船舶總體設計，改善操縱靈活性［2］，又能操縱船舶的船向，獲得該航向上的最大推力，且可實現(xiàn)船舶的動力定位［3］。在吊艙式推進系統(tǒng)中，船舶的推進系統(tǒng)和轉舵裝置集成為一體，節(jié)省了船艙內的空間［4］，因此應用范圍更加廣泛。

吊艙式電力推進實驗系統(tǒng)能夠幫助研究人員對推進控制系統(tǒng)進行合理有效的數(shù)值分析和試驗論證。文獻［5］的吊艙式電力推進系統(tǒng)具有硬件裝置和船槳仿真模型，但是缺少安全保護和故障報警裝置。文獻［6］中的是雙三相半實物吊艙式電力推進仿真系統(tǒng)，此系統(tǒng)整合了物理硬件設備和仿真軟件，在實時仿真的快速性和精確性，以及在控制方案設計、船槳數(shù)學模型的建立和仿真算法的選擇等方面都有其特殊的作用。文獻［7］中介紹了一種采用“雙變流器－電機”的能量互饋式交流傳動的電力推進實驗平臺，能夠對螺旋槳在各種工況下的特性進行實驗研究。本文設計了吊艙式船舶電力推進實驗系統(tǒng)，整個系統(tǒng)硬件結構由駕控臺、機旁臺和船體模型組成，主要控制系統(tǒng)有推進控制子系統(tǒng)和回轉控制子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結構與主要功能

本實驗系統(tǒng)主要由駕控臺、機旁臺和船體模型構成，如圖1所示。

駕控臺和機旁臺發(fā)出系統(tǒng)操作命令，在任一部分均可完成推進電機和回轉電機的操作，但任一時刻只有一處操作有效。優(yōu)先級別為機旁臺的操控權限高，駕控臺的優(yōu)先級次之。

在駕控臺和機旁臺操作面板上設置了推進起動、推進鎖定、功率限制、回轉起動等帶燈按鈕，操作這些按鈕可以激活控制系統(tǒng)的實時響應，向推進子系統(tǒng)和回轉子系統(tǒng)發(fā)出推進和回轉命令，通過燈的亮滅可以反映系統(tǒng)的操作變化情況。駕控臺設置了萬向車鐘來控制船舶的航速和航向，另外操作面板上還配有船舶航速表、推進轉速表、回轉角度表和推進功率表等儀表來顯示其工況，并能輸出轉速和舵角信號供控制系統(tǒng)進行閉環(huán)調節(jié)。

系統(tǒng)設計完成的主要控制功能和監(jiān)測功能有：

1）操控部位轉換

圖1 吊艙式電力推進實驗系統(tǒng)布局圖

系統(tǒng)處于駕控臺（機旁臺）控制時，根據(jù)需要，機旁臺（駕控臺）可以提出或者取消控制申請，待駕控臺（機旁臺）同意之后，控制功能轉移完成，駕控臺（機旁臺）的操作功能被移除。

2）航行模式選擇

主要在港內航行模式、正常航行模式以及緊急停船模式之間進行切換，根據(jù)操控需要，船舶進入相應的航行模式，獲得此時的航行數(shù)據(jù)和工況。

3）安全保護與模擬故障處理

為船舶的安全運行提供保護，并在此基礎上，模擬船舶運行時可能遇到的各種故障，測試各相應處理方式的工作性能和處理故障的能力。

系統(tǒng)的設計應該滿足以下性能指標：

1）遠程操作與就地操作之間的無擾切換。能夠及時響應操作臺切換命令，完成功能移交和功能切除。

2）港內航行模式的選擇。航行模式主要有港內航行模式、正常航行模式和緊急停船模式。每種航行模式對應不同的航行工況，系統(tǒng)能夠根據(jù)工況的變化，切換航行模式。在系統(tǒng)進入緊急停船模式時，推進自動停車，吊艙向180°倒車方向回轉，自動控制角度，直至停船。

3）安全保護與故障處理。完成功率限制，緊急停車和各級故障處理工作。在出現(xiàn)安全故障時，其他操作功能被禁用，直至故障排除，重新上電啟動。

船體模型主要由推進控制子系統(tǒng)和回轉控制子系統(tǒng)構成。變頻器和推進電機，共同組成了推進控制子系統(tǒng)，繼電器組和回轉電機，組成了回轉控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用異步交流變頻電動機作為船用推進電動機，步進電機作為回轉電機。可編程邏輯控制器（PLC）作為主站，變頻器作為從站，實現(xiàn)對變頻器的控制。由于Profibus-DP總線具有結構簡單，安裝方便，易于維護，選擇范圍廣等優(yōu)點，適合遠距離數(shù)據(jù)傳輸，因此系統(tǒng)利用其作為傳輸指令和信號的通道。

3 實驗系統(tǒng)控制方案

吊艙式電力推進實驗系統(tǒng)的控制方案主要由推進控制子系統(tǒng)和回轉控制子系統(tǒng)兩部分組成。其結構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

3.1 推進控制子系統(tǒng)

推進控制子系統(tǒng)主要功能是接收來自駕控臺和機旁臺的推進命令，控制推進控制器、變頻器，驅動推進電機完成動力輸出，整個系統(tǒng)包括推進控制器、變頻器和推進電機。其中推進控制器實質上是一個加速度轉速函數(shù)發(fā)生器，可以防止推進電機在啟動和加速過程中加速過快，造成電機過載和對推進軸系的轉矩沖擊。變頻器通過控制輸出頻率來驅動電機的轉速變化。

3.1.1 推進電機的轉速控制策略

推進電機決定螺旋槳的轉速，其控制策略是首先通過推進控制器對來自車鐘的轉速設定信號作加速速率限制及功率限制處理，然后控制推進變頻器的輸出頻率，使推進電機運行在設定的轉速。其轉速控制策略如圖3所示。

圖3 推進電機轉速控制策略

首先對當前電站余量及故障因素對轉速的限制進行計算，將其與各控制臺給定的加速速率限制進行比較，取較小值與電機轉速回饋信號進行比較后，通過轉速調節(jié)器對變頻器輸出頻率進行控制，從而實現(xiàn)對電機轉速的實時控制。

當推進系統(tǒng)處于加速或減速運動時，為使電機軸上的加速（減速）力矩盡可能平穩(wěn)，要求變頻器輸出頻率以一個給定的函數(shù)關系平穩(wěn)變化。通常設為線性函數(shù)：

式中：t＊為加（減）速時間為前次轉速設定值；n＊2為新的轉速設定值。根據(jù)轉速差，合理選定加（減）速時間：

式中：nmax為螺旋槳最大轉速；tmax為最大加（減）速時間。將t＊分割成N等份，步長為t＊／N。式（1）離散化為：

3.1.3 推進電機安全限制

推進控制必須滿足推進電機和船舶電力系統(tǒng)的安全性，這也是奠定電力推進系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎。

1）轉速限制

推進電機的轉速與螺旋槳匹配，無論直接連接還是通過傳動機構連接，一旦轉速超過電機的最大允許轉速，應立即限制轉速，通常在負荷（力矩）控制模式下進行。

南水北調人工補給地下含水層成本效益研究……………………………… 楊愛民，甘 泓，汪 林等(23.46)

當推進系統(tǒng)實際負荷Mp小于給定負荷M＊p時，推進電機轉速上升，一旦超速，立即限制轉速。

2）力矩限制

推進電機的最大輸出力矩必須小于電機的最大允許輸出力矩，否則，電機可能超出臨界力矩，處于不穩(wěn)定工作區(qū)域。在推進電機穩(wěn)定運行階段，其輸出力矩一般不大于最大允許輸出力矩。

力矩限制通常在轉速控制模式下進行，即當實際轉速np小于給定轉速n＊p時，推進電機的力矩上升，一旦超載，立即進行力矩限制。

3）功率限制

推進電機運行過程中，輸出功率必須小于最大功率。推進電機的最大允許轉速與最大允許輸出力矩的乘積等價于電機的最大允許功率。

功率限制不僅對推進電機實施功率過載保護，而且保證電力推進實驗系統(tǒng)的供電網(wǎng)運行穩(wěn)定［8］。

3.2 回轉控制子系統(tǒng)

吊艙回轉子系統(tǒng)的主要功能是接收來自控制臺的回轉命令，控制回轉電機運行完成吊艙回轉任務，在回轉過程中，根據(jù)實驗系統(tǒng)的要求，回轉系統(tǒng)必須滿足以下性能指標：

1）能夠對于吊艙所處位置和角度進行準確定位，檢測到吊艙的實時位置。

2）回轉電機能夠提供足夠的轉矩以使電機能夠達到所需的回轉速度，選用低頻特性好的電機，方便在臨近設定位置時，吊艙能夠準確定位。

3）操作要靈活，通信要順暢，要保證在回轉的時候，吊艙的回轉角度和位置都能夠及時準確的反應到控制臺上，以使操作人員能夠及時掌握所需信息。

3.2.1 吊艙回轉方向控制

本文設計的吊艙式電力推進實驗系統(tǒng)采用的是全回轉模式的吊艙［9］，吊艙可以360°回轉。對于吊艙回轉方向的控制，首先要計算出吊艙當前位置，再與目標位置相減，得到本次運行所需要的角行程Δθ，根據(jù)角行程判斷吊艙的回轉方向，Δθ＞0時，PLC通過正轉輸出端子向繼電器組和回轉電機發(fā)出正轉信號；當Δθ＜0時，PLC通過反轉輸出端子向繼電器組和回轉電機發(fā)出反轉信號。

3.2.2 吊艙回轉速度控制

控制系統(tǒng)在判斷完吊艙的回轉方向之后，就要判斷回轉電機的回轉速度。船舶在不同航速下應以不同的速度進行回轉到達指定位置。例如，當船舶處于“港內航行”模式時，此時船速較低，在回轉角行程Δθ＜3°時，為了防止超調，回轉電機應該緩速運轉。

4 船槳模型仿真

推進電機直接驅動螺旋槳，在水中運動的螺旋槳產生推力，這一推力作用于船體，使船舶發(fā)生運動。本實驗系統(tǒng)中，需要得到航速、航向和舵角等變量，并且顯示在操作面板的相應儀表上，以給操作人員和研究人員更為準確和直觀的數(shù)據(jù)，及時掌握船舶模擬航行的狀況。因此需要利用船槳模型來進行仿真。

研究螺旋槳時，首先要研究其推力特性和扭矩特性，這是建立螺旋槳負載模型的基礎［10］。將螺旋槳的進程比設為J：

其中vp為螺旋槳相對于水的速度（m／s）；Dp為螺旋槳直徑（m）；n為螺旋槳轉速（r／min）。為了防止在螺旋槳頻繁的正轉和反轉中J的定義域為－∞～＋∞，使得推力系數(shù)Kt和轉矩系數(shù)Kq數(shù)值過大。由船舶推進原理可知，Pp和Tp都是通過推力系數(shù)Kt和轉矩系數(shù)Kq計算出的，因此得到的有效推力Pp和阻轉矩Tp失真。對于實際仿真來講，一個自變量變換范圍很大的函數(shù)不論對模擬仿真還是數(shù)字仿真都是比較麻煩的，因此定義J′為

可得相對轉矩系數(shù)K′q和相對推力系數(shù)K′t為

其中ρ為海水密度（kg／m3）。經(jīng)過變換后，不直接利用J，從而避免了查表時的精度漂移。

此時用J′來表達的螺旋槳的推力P和扭矩M 分別為

船槳模型仿真的輸入是電機轉速n，經(jīng)過仿真計算之后，可以得到螺旋槳轉矩，整個仿真系統(tǒng)需要很好的實時性，便于操作人員及時了解工況，作出反應，因此結果要直接在控制臺儀表上顯示，也便于記錄、分析和處理。

5 結語

本文搭建了吊艙式電力推進實驗系統(tǒng)，并較為詳細的介紹了該系統(tǒng)的組成和功能，討論了系統(tǒng)應該達到的性能指標，以及推進控制子系統(tǒng)和回轉控制子系統(tǒng)的控制策略。在該系統(tǒng)中，可以模擬船舶推進控制和回轉控制，以及參數(shù)的顯示。另外相比其它實驗系統(tǒng)，本系統(tǒng)還帶有安全保護和模擬故障處理的功能，模擬船舶可能會遇到的故障，并提出相應的解決辦法。

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