螺旋桨负载仿真的发展与应用

汪金波 许顺孝

（集美大学 厦门 361021）

1 螺旋桨仿真的概念及其应用背景

船舶电力推进是船舶推进方式中的一种，船舶电力推进系统是指由电动机驱动螺旋桨推动船舶行进的推进系统[1]。在现代化的船舶电力推进系统的研究和设计过程中，为了满足性能指标的要求，必须对电力推进系统进行带桨考核，受实验室实际条件的限制，考核工作不能在实际环境中进行[2]。这样，一个高效实用地负载模拟系统变得不可或缺。

传统的动力系统模拟负载主要是测功器，其主要类型有水力式、电力式和电涡流式。水力测功器是利用水作为工作介质，调节制动力矩。电力测功器是利用改变定子磁场的激磁电压产生制动力矩。电涡流测功器是利用电磁感应产生涡电流形成制动作用。

1）水力测功器优点是价格低，维护方便；主要缺点是能量直接被消耗掉，且很难实现负载的自动给定和控制。

2）电涡流测功器

电涡流测功器（电涡流测功机）的负载主要是通过改变励磁线圈的电流大小来改变的。电流的大小容易控制，因此可方便地稳定负载，控制性能好。可双向测试，转速范围宽。响应迅疾，控制方便。但其涡流产生的热量主要靠冷却水带走，一般使用软化水，流量为每千瓦小时20升。

3) 电力测功机

电力测功机以工作在发电运行方式下的电动机作为负载。同时，通过采用变频器调节电机的扭矩，调节负载的大小。由于电动机长期处于发电运行方式，一般在变频器驱动系统中都加上能量回馈装置，将测试过程中产生的能量返回电网。

图1 螺旋桨敞水特性曲线

2 螺旋桨仿真原理与发展概况

螺旋桨的建模与仿真十分复杂。在国外，挪威科技大学、ABB、SIEMENS、ALSTON等单位开展了船舶电力推进仿真系统的项目研究。挪威科技大学一直在研究船舶电力推进仿真系统[3]，尤其在螺旋桨从正常到极端工况的负载特性方面有重大突破[4]。螺旋桨的主要特性有敞水特性曲线，螺旋桨扭矩特性曲线以及船桨模型。螺旋桨扭矩特性指的是螺旋桨的扭矩与转速之间的关系曲线；船桨模型是根据船跟桨、水之间的关系得到的由桨速计算船速、桨的机械特性等的数学模型。如图1所示是螺旋桨的敞水特性曲线，其中J为进速比，KT为推力系数，KQ为扭矩系数。模拟系统的基本原理，就是通过控制模拟电机的输出转矩与实际推进电机的轴负载转矩一致，从而达到模拟的目的。

在船舶电力推进领域中，ABB运用Saber软件进行建模与仿真分析，指导系统和产品设计，取得了成功。ABB在其开发新型ACS1000标准交流传动装置的过程中，只制造了少量样机，然后对样机进行实验，并同时采用仿真技术进行仿真验证。其他种类则借助于虚拟样机的仿真和型式试验来确定尺寸并进行验证[5]。根据查阅到的相关资料，ABB在整套船舶电力推进系统设计中也进行谐波分析、逆功率计算、电站稳态分析、PWM 制动电阻整定值设计、大负载启动时的暂态分析及短路等故障工况的分析，其分析结果可直接指导系统设计。

在国内，哈尔滨工程大学，武汉理工大学，集美大学等相关院校建有电力推进实验室[6]，另外七院下属的704、711、712所也有电力推进研究项目。

要使负载电机的转矩控制能再现螺旋桨的特性，其控制极为复杂，而且实时性要求极高。这就要求船机桨特性仿真器具有高速运算和处理能力，它一方面不断地检测仿真推进电机的转速，并通过复杂的船机桨特性数学模型运算，推算出模拟船舶的航速和仿真螺旋桨的扭矩，另一方面不断地检测负载电机的实际扭矩，然后通过负载电机扭矩闭环自动控制，由负载变频器控制负载电机的输出扭矩，以便反过来影响仿真推进电机的运转。仿真推进电机的运转工况变化又再一次影响负载电机的输出扭矩，依次不断循环，直至进入一平衡状态[7]。可见，要实现真正意义上的螺旋桨动态特性仿真，一方面需依靠建立精确的船机桨数学模型，另一方面需依赖于能实现高速运算的仿真器和高指标的扭矩控制系统。

3 螺旋桨仿真的系统方案与关键技术

图2 是集美大学轮机工程学院螺旋桨仿真系统平台的总体方案。负载系统主要包括负载电动机，负载变频器及其控制系统。负载系统采用转速与转矩双闭环控制模式，模拟螺旋桨水动力特性以及港航领域常见拖动设备的负载特性，向推进电动机加载特定要求的负载转矩。

电机控制器硬件结构框图如图3所示。根据感应电机直接转矩控制算法的特点，需要检测的电量有直流母线电压和电机交流侧电流。直流母线电压以及交流侧两相电流经霍尔效应传感器测得，并经低通滤波后送到DSP的ADC模块，DSP输出脉宽调制信号经驱动、隔离后送给逆变模块的驱动端，使逆变模块工作，如果逆变模块出现异常，如过流、过热、过压等，则输出一个错误信号给DSP，DSP立即封锁PWM输出，保护逆变模块。DSP通过 CAN总线与上位机通信，由上位机处理键盘操作、参数修改及显示等功能，可实现远程操作。

图2 螺旋桨仿真系统的总体方案图

图4是基于直接转矩控制的软件实现方案。系统在获取负载电机转速信号后，换算成相应的螺旋桨转速，输入给船桨模型。船桨模型输出对应螺旋桨转矩，作为电机直接转矩控制系统的给定值，有电机控制系统输出满足仿真要求的轴转矩，实现整个仿真过程。

变频器选择

船舶电力推进系统中，采用变频器对推进电机进行转速及转矩控制是极为重要的环节。目前，变频控制技术主要有恒压/频比控制、SPWM 控制、矢量控制及直接转矩控制（DTC）四种[8]。从船舶电力推进控制方法上看，矢量控制和直接转矩控制是当前得到广泛应用的两种控制方案。以 SIEMENS和 ABB为代表，SIEMENS采用IGBT(绝缘门极双极型晶体管)器件进行矢量控制，ABB采用 IGCT(集成门极换流晶闸管)器件进行直接转矩控制。矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，实行连续控制，调速范围宽，但易受转子参数变化的影响，降低了控制系统的鲁棒性。直接转矩控制则控制定子磁链，不受转子参数变化的影响，采用转矩和磁链的砰-砰控制避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快，但却引起了电流和转矩的脉动，低速性能差，调速范围受到限制。

直接转矩控制方式方案简单、物理概念明确，在现代交流电气传动中占有越来越重要的地位。用直流电机、绕线式电机做螺旋桨仿真负载电机结构较复杂，且转速范围低鼠笼式异步电机转子轻、结构简单、能形成四象限运行[9]。所以，基于直接转矩控制的鼠笼式异步仿真负载电机是一种较理想的解决方案。在直接转矩控制方式下，加在被测装置的制动转矩可直接给定，显得非常直观。通常的异步电机直接转矩控制是通过控制定子电压空间矢量来控制定子磁链，进一步控制转矩。而双馈电机的直接转矩控制可以通过转子电压空间矢量，控制转子的磁链旋转速度，继而控制转矩。

计算机仿真工具的选择

在仿真平台的选择上，美国海军在进行模拟系统建模仿真时，使用ACSL、WAVEIM、MATLAB等软件开发了系统级的通用仿真程序；英国海军则借助MATLAB建立模型辅助研究；国外主要的民用电力推进厂商如ABB、ALSTOM、SIEMENS分别使用Saber、ACSL、MATLAB及独立开发的专用软件仿真工具[10]。在国内，用的比较多的软件有Saber、PSPICE、MATLAB等：借助PSPICE、Saber、MATLAB等功能强大的计算机仿真工具，可以对电力电子系统进行分析、设计，确定系统的控制方案。PSPICE和Saber通过调用元器件库模型来对电力电子系统建模，模型中含指数函数，当系统比较复杂时，仿真运行时间长，数据处理量大，收敛困难，因此PSPICE、Saber仿真只适用于电路级的分析设计，如主电路、缓冲电路、谐振网络、附加电路的设计等等。MATLAB一般用状态方程描述电力变换电路，可以非常方便地在 MATLAB/Simulink环境下用各种功能模块完成系统建模以及实现不同的控制算法，而不用考虑各种元器件的实际模型；另外，MATLAB在系统库、界面友好性、代码兼容性等方面都具有独特的优势，尤其适合系统的建模仿真，所以，MATLAB是电力电子系统级建模仿真的首选。

4 结束语

随着电力电子器件和技术的创新与发展，IGBT及 IGCT高压大容量方面技术的突破和成本的下降，以及矢量控制技术和直接转矩控制技术的成熟与推广，具有降低成本、缩短研发周期、减小风险等优势的模拟系统在研发初期及系统考核中起着重要的作用。

图3 电机控制器硬件结构框图

图4 基于直接转矩控制的系统原理图

对于我国船舶电力推进系统技术及其仿真技术而言，我们既有发展的机遇，也面对着技术挑战。十二五规划出台后，国家加强了对高端装备制造业的扶持力度。ABB 已经决定在上海新增一条 Azipod 生产线以满足中国市场的需求。由于涉及商业或军事机密，国外的船舶电力推进技术成果大多无法取到，只能依靠自己研究掌握。开展船舶电力推进仿真研究势在必行。

目前，我们应当充分利用外来的、现有的技术与装备，全面开展系统论证工作，研究和设计并确定适合我国国情的平台体系，电力标准以及集成的设备模块，建立先进的螺旋桨仿真科研平台，以降低船舶电力推进平台技术设计过程中的风险和工程应用问题，积累船舶电力推进系统技术设计与建造经验。

[1]周平, 王志华. 世界舰船电力推进技术发展综述.船电技术, 2004年, 增刊.

[2]高海波, 陈辉, 武福愿, 赵文科. 船舶电力推进系统仿真及特性实验[DB/OL].中国科技论文在线,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]罗耀华, 叶瑰的, 刘勇. 舰船全电力推进系统模拟研究[J].船舶工程, 2002(4)：59-61.

[7]樊印海. 双螺旋桨电力推进系统数学模型与数字模拟的研究[J]. 大连海事大学学报, 1995, 11：29-31.

[8]赵争鸣, 袁立强, 孟朔, 李崇坚. 通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性比较[J]. 电工技术学报,2004, 19(4)： 81 一 84.

[9]赵宏革, 李玉涛. 船舶电力推进系统中直接转矩控制技术的仿真[J]. 大连海事大学学报, 2003(4)： 4546

[10]赵 震, 刘志刚, 刁利军. 基于 Matlab的船用螺旋桨计算机实时仿真及 GUI设计. 计算机应用与软,2008.