船舶螺旋槳負載模擬裝置設計

吳 雁

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

艦船電力推進是指以柴油發電機組或其它多種靈活的方式獲得電能，以電機直接推動推進器的艦船推進方式。與傳統的艦船推進方式最大的區別是用交流或直流電動機直接驅動螺旋槳，易于獲得理想的拖動特性，提高艦船的操控性、機動性等優點，是今后船舶推進的發展趨勢[1]。

船舶電力推進系統中推進電動機的負載特性與船、水、航速和轉速都有關系。

傳統的電力推進系統試驗設備多使用水力測功器作為模擬負載，水力測功器的體積龐大，安裝麻煩，成本高，負載調節不精確（特別是電機低速段），數據采集不便，難以進行負載特性試驗，更重要的是試驗過程中產生的能量以熱的形式散失掉，能源浪費巨大。

所以，研制螺旋槳模擬負載裝置對船舶電力推進系統的設計與控制研究有著重要作用。

1 船舶螺旋槳負載模擬裝置硬件設計

船舶螺旋槳負載模擬裝置不僅能夠模擬船舶在不同航行狀態下相對應的螺旋槳機械負載特性，而且可以作為一種通用控制裝置，完成各種具備典型機械負載特性的負荷加載[2]。

螺旋槳負載裝置的硬件系統組成如圖 1所示，該系統主要由直流發電機、計算機控制系統、主控電路、信號傳感器和變送器、冷卻系統和控制裝置等組成。

1) 直流發電機

功率200 kW，電壓400 V。

2) 計算機控制系統

由工業控制計算機、A/D、D/A、I/O和計數脈沖量測量板等組成。

3) 主控電路

具有斷相、過載、欠壓等保護，并與計算機控制和推進電機控制進行連鎖保護。

4) 信號傳感器及變送器

被測信號通過0～5 V電壓或4～20 mA電流信號，脈沖信號進行整形，開關量進行濾波，便于實時采集。

5) 冷卻系統

冷卻方式為強迫風冷。

6) 控制裝置

采用全數字控制器。

圖1 螺旋槳負載模擬裝置硬件系統組成

2 螺旋槳負載模擬裝置軟件設計

螺旋槳負載模擬裝置軟件主要包括螺旋槳特性計算程序相關數據庫和系統監控軟件。

2.1 螺旋槳負載模型建立

船舶電力推進通過控制推進電動機拖動螺旋槳負載推進船舶運動。推進電動機及其控制系統的各項參數要與螺旋槳負載相匹配才能夠更好的發揮電力拖動的優點。

螺旋槳是安裝在船尾，它的工作受船體運動的影響，同時由于螺旋槳的存在和工作，船體的流場也發生變化，從而使船體的航行阻力也發生了變化。在綜合考慮船體和螺旋槳之間的相互作用來建立螺旋槳負載模型，并結合三次樣條插值方法確定螺旋槳模型中阻力、推力系數和轉矩系數，根據參考文獻和某條船舶的試驗數據，建立如下的數學模型[3]。

船體運動的運動方程為

式中：m為船體質量；k為附連水系數；阻力Ff由Ff- us獲得；t由圖譜t-us獲得。

螺旋槳對船體產生的推力為

螺旋槳作用在推進電機軸上的阻轉矩為

建立了船槳的運動模型就可以方便地利用計算機來求解。當初始船速已知，可以獲得船舶電力推進系統數學模型結構框圖如圖2所示[4，5]。

圖2 船舶電力推進系統數學模型結構框圖

螺旋槳特性計算程序依據以上所述船舶螺旋槳負載模型編制。

2.2 控制軟件

控制軟件要求能夠實現顯示、控制、負載選擇、數據存儲等功能。

設計監控軟件結構如圖3所示。

圖3 螺旋槳負載模擬裝置監控軟件結構

3 船舶螺旋槳負載模擬裝置試驗研究

3.1 試驗系統構成

試驗系統構成如圖4所示。包括六相雙Y繞組電勵磁同步電動機、同步電動機控制器和螺旋槳負載模擬裝置三部分。其中，同步電動機控制器采用兩組三相逆變器為同步電動機的兩套Y繞組供電。

3.2 螺旋槳負載模擬試驗

轉速從 400 rpm經過不同過渡時間調節到-400 rpm所對應的螺旋槳負載模擬試驗曲線如圖5～圖8所示。圖中，淺色曲線為給定的負載特性，深色曲線為負載模擬裝置產生的模擬負載。

試驗驗證該負載模擬裝置具備很好的保護功能。

圖4 電力推進模擬裝置控制系統結構圖

圖5 過渡時間為4 min的模擬試驗曲線

圖6 過渡時間為2 min的模擬試驗曲線

圖7 過渡時間為1 min的模擬試驗曲線

圖8 過渡時間為0.5 min的模擬試驗曲線

4 結束語

通過文中的分析和實驗結果可以驗證設計方案的可行性和正確性。

電力推進擁有很好的發展前景，作為一系列配套的電力推進船舶陸用聯調試驗配套設備，螺旋槳負載模擬裝置具備廣泛的應用空間。

考慮到大噸位船舶推進系統的使用現狀，螺旋槳負載模擬裝置的研制有必要向更大功率的方向發展。

[1]顧繩谷. 電機及拖動基礎（下冊）[M]. 北京： 機械工業出版社, 2010.

[2]李殿璞編著.船舶運動與建模. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社, 1999： 255-265.

[3]Oyvind Notland Smogeli. Control of marine propellers from normal to extreme conditions[D]. Norwegian University of Science and Technology, 2006.

[4]劉勇, 從望. 螺旋槳負載特性動態仿真實驗的研究.船電技術, 2002： 22-25.

[5]陳實如, 王軍等. 船用螺旋槳負載動態試驗仿真裝置研究. 船電技術, 2001.