小型船舶综合全电力推进实验平台的研制

李俊科，俞万能，严 华

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

小型船舶综合全电力推进实验平台的研制

李俊科，俞万能，严 华

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

介绍了小型船舶综合电力推进实验平台的机械和电气设计方案及相应的系统控制模型．平台主要由推进、模拟负载和测量三个子系统组成．推进系统主要由变频驱动装置、操作监控台、推进电机构成;模拟负载系统由交流电动机、四象限变频驱动装置、监控系统及负载模型软件组成;测量系统由转速传感器、转矩传感器以及PLC组成．

船舶;电力推进;实验平台

0 引言

目前，船舶推进形式以柴油机推进装置为主，但是伴随着电力电子技术的发展，电力推进技术开始崛起，因为其在经济性、操作性、机动性、安全性、节能减排等方面居有明显优势，能提高船舶推进性能，因此，它将是今后船舶动力的发展方向．综合电力推进系统是目前应用最广泛的一种电力推进的方式，它将船舶发电供电系统、推进系统和用电系统综合到一个系统中，从而实现发电、配电、与电力推进用电和船上其他设备用电的统一调度和集中管理．

文献 ［1－3］主要介绍对电机的速度控制，没有扩展到整个电力推进系统．文献 ［4］开展了对电力推进系统的仿真研究，为综合全电力推进系统做了必要的准备工作．文献［5］对柴油发电机组和负载系统的数学模型进行了研究，但缺乏动态负载模型的研究．文献 ［6］对船舶电力推进系统的数学模型进行了研究．以上所述文献几乎都只是停留在对原理的仿真上，而没有对其功能的实现做更深入地研究，尤其是没有通过对螺旋桨负载的物理模拟来研究电力推进系统．文献［7］研究了推进电机的控制，但没有从螺旋桨负载特性上来分析．文献［8］较全面地介绍了船舶综合电力推进系统各个子系统的控制，并设计了以PLC控制为核心的电力推进系统，且进行了实验验证．笔者从船舶综合全电力推进系统出发，重点研究系统集成技术、推进电机和螺旋桨负载数学模型．

1 小型船舶综合电力推进实验系统组成

小型船舶综合电力推进实验平台由推进电机子系统、螺旋桨负载模拟子系统组成．综合电力推进实验平台实图和框图分别如图1、图2和图3所示．

推进电机子系统由三相交流异步电机、变频器、PLC、推进上位机以及推进操纵控制台组成，用来模拟船舶的电力推进装置;螺旋桨负载模拟子系统由三相交流异步电机、四象限变频器、负载上位机、转速传感器和转矩传感器等组成，用来模拟螺旋桨在水中运行时所受到的阻转矩．两子系统的通信由Ethernet和Profibus－DP总线双层网络组成，工控机 (上位机)与PLC(下位机)之间通过Ethernet实现数据通信，PLC(下位机)与变频器和转矩、转速传感器之间通过Profibus－DP总线实现数据通信．

2 控制策略

系统控制模型如图4所示．在模拟过程中，推进电机工作在速度控制模式下，上位机或操纵驾驶台发出转速命令，通过PLC来控制变频器，变频器相应改变推进电机的频率，从而改变推进电机的转速．负载电机工作在转矩控制模式下，当推进电机带动负载电机旋转时，负载上位机接受转速传感器和转矩传感器实时采集的转速信号和转矩信号，由负载上位机中的负载模拟监控软件，取出数据库内的螺旋桨图谱数据，应用船－桨数学模型，计算出船舶航速值，航速值又参与到计算中，然后计算出与当前转速和航速相对应的螺旋桨转矩，将计算的转矩值修正后作为负载电机的给定转矩()，并将它与测量的转矩值(Tlm)进行比较，其差值信号通过PLC传到变频器，变频器通过矢量控制方式，调节负载电机的电磁转矩，使负载电机的输出轴转矩与计算的给定转矩值相等，从而达到模拟实际螺旋桨负载的目的．机械运动平衡方程为:Tm－(Jmpω+Bmω)=Te+(2Jc+Jl)pω+Blω．其中:Tm，Te分别为推进电机和负载电机电磁转矩 (N·m);Jm，Jc，Jl分别为推进电机、联轴器和负载电机转子转动惯量 (kg·m2);Bm，Bl分别为推进电机和负载电机粘滞摩擦系数 (N·m/(rad·s－1));p为微分算子;ω为推进电机角速度 (rad/s)．

为了拓展实验平台的试验功能，负载电机的控制模型还能仿真模拟如下传动设备的负载特性:1)起重机负载转矩特性;2)库仑摩擦负载转矩特性;3)不同转动惯量的加速负载转矩特性;4)角速度积分的负载转矩特性;5)阶跃负载转矩特性．

3 实验分析

1)推进系统实验

推进控制系统实验结果如图5和图6所示．

在图5和图6中，横坐标表示实验时间，纵坐标表示电机给定转速和电机实际转速的标幺值，其中曲线①表示电机给定转速值，曲线②是电机实际转速值．由图5知道，当电机给定转速信号从0值逐步增加到最大值时，电机的实际转速能一直跟随着电机的给定转速，跟随速度很快且运行稳定，其控制性能满足要求．由图6知道，当电机给定转速信号从0值突然增加到最大值时，电机在10 s内就能从0值增加到全速，而当电机给定转速信号突然从正转最大值跳到反转最大值时，电机在18 s内就能从全速前进转到全速倒退，系统运行稳定，控制性能良好．

2)负载系统实验

负载电机的控制模型能仿真螺旋桨负载特性，而且还能仿真模拟泵、风机、起重机等常见港航传动设备的负载特性．负载电机的转矩控制有3大类控制模型:1)螺旋桨负载转矩特性;2)综合负载转矩特性;3)恒定功率转矩特性．负载控制系统的实验结果如图7、图8和图9所示．

由图7可知，当采用螺旋桨负载时，推进电机转速增加，负载电机的输出轴转矩也随着增加，一旦转速稳定，负载电机输出轴转矩达到最大值，但这时船舶航速还在继续增加，进速比也随着增加，负载电机的输出轴转矩减小，直到船舶航速稳定时，负载电机的输出轴转矩也就从最大值降到一个稳定值上;当船舶从正航转倒航时，因为船舶惯性的关系，推进电机的转速达到0值时，船舶航速不会立刻减少到0值，因此，原来是螺旋桨对船舶做功，这个时候恰恰相反，船舶对螺旋桨做功，这时推动螺旋桨转动的转矩方向是反转方向，正如图7所示，阻转矩方向是正转方向．当推进电机的转速降到0值前某个时刻，阻转矩达到一个峰值，之后因为船速下降，阻转矩也随之下降．当推进电机开始反转并增大转速后，阻转矩开始增加，船舶航速继续减小，直到船舶航速降到0值，这时船舶开始倒航．本系统的运行结果与实际运行时的船舶螺旋桨的工作特性相一致．

由图8可知，当采用位能性恒转矩负载时，位能性负载转矩负载由重力产生，具有固定的大小和方向，不随转速大小和方向而改变．

由图9可知，当采用恒定功率负载时，在试验过程中按照设定的功率和起始转速，随着转速的增加，自动降低负载转矩，维持负载的输出功率不变．

4 结论

介绍了电力推进实验平台的结构，分析了电力推进平台中的推进电机和螺旋桨模拟负载的控制技术．该平台能够完成模拟船舶电力推进运行的实验，另外还能进行恒功率或恒转矩等负载模拟实验，拓宽了该平台的使用范围．该平台还加入了必要的故障保护措施，如负载电机的高温和超速保护等．负载电机基本处于发电制动状态，有源前端 (AFE)四象限负载变频器应用电能回馈技术，可以将整个试验系统的大部分机械能量回馈给电网，因此可以大幅度减小试验系统的运行费用，降低实验室电源系统的容量，消除实验室热污染．

［1］周德佳，王善铭，柴建云．基于Matlab－Simulink的舰船综合电力推进系统仿真 ［J］．清华大学学报:自然科学版，2006，46(4):460－464．

［2］赵红，郭晨，吴志良．船舶电力推进系统的建模与仿真 ［J］．中国造船，2006，47(4):51－55．

［3］罗延明，金鸿章，罗耀华，等．基于直接转矩控制的船舶主推进电机控制仿真研究 ［J］．船舶工程，2006，28(3):22－25．

［4］郭燚，郑华耀，黄学武．船舶电力推进混合仿真系统设计 ［J］．系统仿真学报，2006，18(1):57－61．

［5］刘雨，郭晨．船舶综合全电力推进系统的动态仿真 ［J］．中国航海，2010，33(1):24－29．

［6］王淼等．全电力推进的船舶电力系统的数字仿真 ［J］．电工技术学报，2006，21(4):62－67．

［7］段征，刘贺，陈亚杰．电力推进控制与监测系统研究［J］．上海造船，2009(3):38－41．

［8］李帆，鲍曙光，吴明．PLC在船用电力推进控制系统中的应用 ［J］．船电技术，2009，29(2):47－50．

(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈 武)

Development of Experimental Platform for the Small Marine Integrated Electric Propulsion System

LI Jun-ke，YU Wan-neng，YAN Hua
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

The mechanical and electrical design proposal and the corresponding system control madel of a small experiment platform for the marine integrated electric propulsion system were introduced in this paper．The platform was mainly composed of three subsystems including propulsion system，simulated load system and measuringe system．The propulsion system was composed mainly of a variable－frequency driving device，an operating and monitor console and a propulsion motor;The simulated load system was mainly composed of an AC motor，a four quadrant variable－frequency driving device，a monitoring system and a load model software;The measuring system was composed of a speed sensor，a torque sensor and PLC controllers．The successful development of the experimental platform will provide a good tool for teaching and research of the integrated electric propulsion system．

ship;electric propulsion;experiment platform

TM 712

A

1007－7405(2012)04－0269－06

2011－12－13

2012－04－15

福建省科技重点项目 (2012D035);厦门市科技项目 (3502Z20103021)

李俊科 (1982—)男，研究生，从事船舶电力推进及其控制研究．通讯作者:俞万能 (1970—)，男，副教授，博士，从事船舶电气自动化研究．