船用雙電樞直流電力推進系統的穩定性研究

張明武，梁星星，張鵬

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船用雙電樞直流電力推進系統的穩定性研究

張明武，梁星星，張鵬

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為了解決船用雙電樞直流推進系統的穩定性問題，本文首先介紹一型具體的船舶直流電力推進系統數學模型，對系統模型進行了分析，并確定系統的最佳控制器模式。在計算仿真的基礎上，確定控制器的具體參數，通過仿真及系統試驗驗證了系統的穩定性及控制器參數的合理性。

雙電樞 直流電力推進系統 穩定性

0 引言

在某些大功率船用直流電力推進系統中，由于冗余設計與功率匹配的需要，把推進電機設計成共軸結構，即把兩臺參數基本相同的電機的電樞設計在同一根驅動軸上。這種共軸雙電樞結構的直流電力推進系統具有功率大、生命力強、調速范圍寬等優點[1]，應用于某些重要船舶中。

在某些船舶的電力推進系統中，為了獲得較寬范圍的調速性能，往往采用多種調速方式的共同作用：一是通過電源配電開關與電樞開關的切換，達到成倍地改變電樞電壓來進行在不同的速區內的速度調節。某型船舶的電力推進系統速區組合結構如圖1；二是通過電力電子斬波裝置連續地改變電樞電壓來進行速度調節；三是通過改變電機的勵磁電流（磁通）來進行速度調節。同時，為了提高船舶的生存能力及獲得較寬范圍的調速性能，推進電機的兩個電樞可單獨運行、串聯運行，也可并聯運行。電力推進系統在如此復雜的工作模式下，如何保證系統工作穩定性就是一個關鍵問題。

另外，在實際的系統中，雖然推進電機的兩個電樞的基本結構是一致的，但是由于電機本身制造的原因導致電機的氣隙尺寸、繞組型式、端接尺寸、漏磁通路徑等不可能完全一致，兩個電樞在部分特性上存在差異，這種差異致使雙電樞串聯和并聯運行時都存在兩個電樞負荷分配不均問題。嚴重時，使推進電機效率降低，運行不穩定，這也是一個系統穩定性問題。

對于如何解決系統穩定性問題，文獻[1]側重于保證雙電樞本身的一致性，并且僅從雙電樞并聯運行時對勵磁電流進行調節來滿足穩定性要求這一點進行說明。而文獻[2]僅從如何使雙電樞負載均衡方面來進行說明，認為穩定性的首要問題是保證雙電樞的負載均衡，理想的辦法也是通過對勵磁電流進行調節來保證負載均衡，從而保證系統運行穩定。實踐證明，系統的穩定性問題要更復雜一些，復雜性主要表現為：調速模式的復雜性、負載特性（螺旋漿特性）的復雜性等。在實際的船舶大功率雙電樞電力推進系統中，解決系統穩定性問題主要辦法是對雙電樞的勵磁電流進行綜合的協調控制，以保證在不同的調速模式及復雜的負載工況下系統的穩定性。本文側重于勵磁電流的控制器本身參數的設計，通過對控制器參數的設計保證系統的穩定性。

2 系統的數學模型

系統的數學模型是一個雙電樞、雙閉環的控制模型，雙電樞為共軸的前電樞、后電樞結構，雙環為速度環（外環）、電流環（內環）結構。對模型的要求：可以在任意單、雙電樞及系統電源組合下，系統可以穩定工作于雙環（速度環+電流環）或單環（電流環）狀態。

圖1 速區組合結構圖

系統的數學模型如圖2。

系統模型中，雙電樞的電流環是單獨設計的，可以在沒有速度環參與下單獨工作，前、后樞電流環可以單獨工作，也可以并聯工作。

在設計時，我們選定一個典型工況進行控制器參數整定。同時為了分析計算的方便，我們選擇已有的某型船舶的電力推進系統進行具體的數值計算，以驗證分析研究的可行性。

圖2 系統模型

2.1 電流環數學模型

前樞電流數學模型（傳遞函數）：

其中：

2()為電流環節的校正器，在這里設計成PI結構；

后樞電流數學模型與前樞電流數學模型是基本相同的，唯一不同的是為了考慮到負載均衡問題而在后樞模型的輸入端加入了前后樞的電流差值模型，其作用是保證雙電樞同時工作時的負載均衡。

2.2 速度環數學模型

圖3 速度環數學模型

2.3 系統模型的其他考慮

前面已經說明，為了保證雙電樞的負載均衡，在后電樞的勵磁電流環中加入了電樞電流的差值模型ID。同時為了抑制在某些不正常的工況下出現過大的電樞電流，在系統模型的前后勵磁電流環中加入了電樞電流的截止模型ID1和ID2。

3 系統的穩定性分析、設計

3.1 系統電流環節的穩定性設計

根據前面敘述，電流環對象模型為：

電流環校正環節2()選擇為PI控制器，使基于電流環的單位反饋系統（開環系統）校正為一個II型系統，使階躍給定信號下的穩態誤差（靜差）為0。令PI控制器為：

按三階工程最佳設計方法[4]設計電流PI控制器的參數：

電流環開環模型，為II型系統：

等效單位反饋下的電流環節的閉環模型：

即把電流環節（開環模型）校正成典型二階環節，對閉環模型進行仿真計算，其相角裕量為70.9°，顯然，單閉環系統是穩定的。

為了系統綜合方便，把電流環節傳遞函數作降階處理，近似等效為一慣性環節[3]：

因此，電流環節的閉環模型：

3.2 速度環節的穩定性設計

按三階工程最佳設計方法設計速度PI控制器的參數：

系統的速度閉環傳函為：

對上式的特征方程進行求根，所有根均具有負實部。對速度閉環模型進行仿真計算，仿真結果如圖4，其相角裕量為49.1°，因而速度閉環系統是較好穩定的。

4 試驗驗證

上述控制器參數是在典型工況下整定的，在其它工況下對參數進行了核算，核算的結果表明系統是穩定的。以上述分析計算的參數作為參考，對勵磁電流調節的控制器進行了整定，該系統已在某型船舶上進行了應用，在不同試驗條件下，如陸上聯調試驗、系泊試驗、實際的航行試驗等不同工況下進行了嚴格的試驗考核，試驗結果證明系統是穩定的。圖5是陸上聯調試驗時的低速、中速、高速啟動與運行的轉速波形。

圖5 陸上聯調工況下的轉速波形

5 結束語

在電機拖動系統理論中，直流電力推進系統是理論及應用上比較成熟的系統，但是大功率雙電樞直流電力推進系統由于其應用的特殊性，在實踐中還是遇到穩定性等問題。本文主要通過對系統模型的分析，把問題的解決方法集中到勵磁電流控制器的設計上，通過理論與試驗驗證，證明此方法是可行的。

[1] 董國保, 王宗亮. 推進電機雙電樞負荷均衡方法研究. 電機技術, 2009（2）.

[2] 胡國葆. 雙電樞他勵直流電動機兩電樞回路并聯穩定運行的理論分析. 船電技術, 2001（4）.

[3] 熊健, 張凱, 陳堅. PWM 整流器的控制器工程化設計方法. 電工電能新技術, 2002（7）.

[4] 胡壽松.自動控制原理. 北京: 科學出版社（第五版）, 2007.

Research of the Steadiness of Ship Double Armatures DC Electric Propulsion System

Zhang Mingwu, Liang Xingxing, Zhang Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273U664.14

A

1003-4862（2014）10-0025-04

2014-03-03

張明武(1967-)，男，高級工程師。研究方向：電力電子應用技術。