船舶电力推进系统螺旋桨负载特性半实物仿真平台研究

胡红钱,施伟锋,谢嘉令

(1.浙江工业职业技术学院 机电工程学院,浙江 绍兴 312000; 2.上海海事大学 物流工程学院,上海 201326)

0 引言

船舶在水中航行的动力实质是推进电机推动螺旋桨负载旋转产生扭矩以克服水阻力形成反作用力而前进,船舶本体、船舶推进电机及螺旋桨构成了船-机-桨的有机整体,而船-机-桨的有效配合将直接关系船舶运行效率及能量转换优劣[1]。

相较于将螺旋桨放入一个封闭循环的水池中,采用电机模拟不同工况下螺旋桨负载的电力推进半实物仿真平台可省去螺旋桨及水池,降低实验室的环境要求及制造成本[2],负载控制更逼真,数据采集与管理更方便。船机桨半实物仿真平台充分利用数字仿真技术将船机桨理论模型形成有效的数字仿真平台[3-5],通过实物软硬件完成对船机桨的控制[6],对构建的半实物推进系统进行运行参数获取与有关试验效果的实时跟踪。

1 半实物仿真平台架构与船机桨模型

1.1 半实物仿真平台架构与硬件实现

船机桨半实物仿真平台采用柴油发电机组构成的独立电力系统为其供配电,模拟其在独立微电网中的工作状态。仿真平台推进电机采用永磁同步电机,模拟螺旋桨负载采用三相异步电机,二者通过法兰连接,其上设有转速与转矩传感器,进行相关参数实时检测。两个电机分别由变频器与伺服控制器控制,由船舶电力系统配电网络与市电供电(如图1)。整个平台受琴台机旁控制与驾驶舱集中控制两种方式控制,其中控制琴台与电机控制器、船舶电力系统联网完成对永磁同步电机与三相异步电机的控制、螺旋桨桨敞水工况特性模拟及数据分析、故障检测等。

图1 仿真平台架构Fig.1 Simulation platform structure

平台实物环境如图2,其中图2a为推进电机与螺旋桨负载模拟电机,图2b为推进电机与螺旋桨负载模拟电机的供电与驱动系统,图2c为控制琴台。平台主要设备型号与参数如表1。

表1 仿真平台主要设备型号与参数Tab.1 Main equipment models and parameters of simulation platform

图2 仿真平台硬件Fig.2 Simulation platform hardware

1.2 半实物仿真平台船机桨模型

根据工作母船螺旋桨四象限动态工作数学模型、轴系旋转运动特性及水动力特性可获得螺旋桨的推力系统数Kp、扭矩系数Km及进速比J′,由此获得(1)～(7)方程描述[7]与如图3所示的船机桨数学模型。

图3 仿真平台船机桨模型Fig.3 Simulation platform ship engine paddle model

进速比:

(1)

推力系数:

(2)

扭矩系统:

(3)

推力减额系数:

t=(P-Pe)/P

(4)

螺旋桨有效推力:

Pe=(1-t)P

(5)

船桨运动方程:

(6)

船体总阻力:

(7)

其中,n为螺旋桨转速,单位r/s;vp为螺旋桨进速,单位m/s;vs为船速,单位m/s;ω为半流系数;D为螺旋桨直径,单位m;P为螺旋桨推力,单位N;M为螺旋桨扭矩,单位N·m;ρ为海水密度,单位kg/m3;r为船舶总阻力系数;R为船舶总阻力,单位N。由文献[4]确定r、ω、t值及Kp(J′)、KM(J′)。

为满足仿真平台尽可能接近工作母船,仿真平台的推进部分与仿真母船的推进部分必须具有相同的动态过程[8],故永磁同步电机与三相异步电机均采用矢量控制方式从仿真平台负载电机转矩与转动惯量及仿真母船螺旋桨的实际转矩和转动惯量关系入手,推导惯性转矩补偿。

Te-Tp=(Je+Jp)(2π/60)(dn/dt)

(8)

Tm-Tld=(Jm+Jld)(2π/60)(dn/dt)

(9)

式中,Te、Tp、Je、Jp、Tm、Tld、Jm、Jld分别是仿真母船的推进电机电磁转矩、螺旋桨转矩、推进电机转动惯量、螺旋桨转动惯量、仿真平台的推进电机电磁转矩、螺旋桨负载电机转矩、推进电机转动惯量、螺旋桨负载转动惯量。

联合式(8)、式(9)比较,要满足可对等仿真条件,则仿真平台螺旋桨模拟负载转矩与仿真母船螺旋桨转矩间必须满足比例:

(10)

(11)

模型中输入量是螺旋桨的转速与船速,输出量是推进电机轴转矩,而在运动初始状态给定条件下船速可根据船桨模型获得,故可只设定螺旋桨转速。相较于母船模型,仿真平台的船机桨模型存在补偿与系数部分,如图3。

2 半实物仿真平台数字化实现

2.1 数据检测与分析硬件

为配合仿真平台数字化需要,系统设计了数据检测与分析子系统。子系统有两条数据通道往驾驶舱集中控制,一条是以交换机为中心,与网关和现场控制PLC相连,网关负责传输协议转换、数据通信与传递,通过现场总线连接智能电能参数测量仪,采集经过初级计算分析的数据。现场控制PLC通过IO口连接现场执行设备与检测设备,并将数据送入PLC及网关、上位机等进行信息通信、计算处理、数据显示、逻辑判断、运行控制等。另一条是以PCI数据采集卡为中心,与NI数据接线盒连接,采集盒与现场变送器、传感器相连,采集原始的波形信号数据。PCI卡装入上位机,其上运行LabView、Matlab、VB、web服务等高级数据分析与故障诊断软件,通过以太网与整个船舶系统互联,配合完成船舶系统管理与推进系统的控制与监视,令系统更加完善与灵活,实现对系统的参数监视、工况显示、故障分析与诊断,如图4所示。

图4 数据检测与分析子系统硬件Fig.4 Data detection and analysis subsystem hardware

2.2 数字化仿真软件

电力推进系统螺旋桨半实物仿真平台数字化部分主要包括永磁同步推进电机的控制与三相异步电机螺旋桨负载特性的模拟,其中,螺旋桨负载特性模拟是船舶电力推进系统半实物仿真平台数字化的关键[9],其与图2中的驱动系统联合完成半实物仿真。平台船机桨模型如图3,结合图1螺旋桨负载特性仿真平台架构,采用转矩闭环控制,包括计算转矩给定、转矩转速测量、惯性转矩补偿、转矩调节与控制、伺服控制器等。本仿真平台母船参数参考某电力推进豪华邮轮如表2,对应的母船螺旋桨敞水特性数据如表3。

表2 仿真母船基本参数Tab.2 Simulation of basic parameters of mother ship

表3 螺旋桨尚水特性数据Tab.3 Water performance data of propeller

通过工作母船实测数据MATLAB的polyfit函数5次拟合,得到如图5所示的工作母船螺旋桨敞水特性曲线。

图5 工作母船螺旋桨掺水特性曲线Fig.5 Characteristics curve of working mother ship propeller water

对于给定螺旋桨,螺旋桨转矩特性与推力特性是最重要的两个螺旋桨负载特性。不同的进速比J′下,转矩与转速n2构成一簇平方关系的曲线,而在一定的进速比J′下,推力和转矩系数为常量。根据曲线螺旋桨进度比可确定推力系统数Kp、扭矩系数Km,结合相关参数可获得仿真平台负载电机转矩输出,从而在转速给定值情况下通过琴台工控机设定,通过VB软件解析仿真平台船机桨模型完成平台数字化。

3 平台测试结果

根据以上分析,取螺旋桨进速比J=0.75的情况下,根据海水密度ρ=1025.91 kg/m3,确定Kp=0.2132、Km=0.2370,获得工作母船的螺旋桨转矩特性与功率特性曲线,如图6。

图6 工作母船螺旋桨特性曲线Fig.6 Propeller characteristic curve of working mother ship

图7 MATLAB仿真螺旋桨特性曲线Fig.7 Curve of MATLAB simulation propeller characteristic

图8 半实物仿真平台实测螺旋桨特性曲线Fig.8 Measured propeller characteristic curve on the semi-physical simulation platform

在运行过程中,负载电机的转速是由推进电机决定的,船机桨数学模型根据推进电机的转速、船速可推算出螺旋桨转矩,转矩调节器按给定转矩调节负载变频器的输出频率改变负载电机的同步转速,实现对负载电机的转矩控制,再现螺旋桨的特性。

4 结论

设计了一种船舶电力推进系统螺旋桨负载特性研究的半实物仿真平台,给出了其完整的系统硬件架构体系及控制软件构成,结合船机桨数学模型与工作母船及仿真平台间的转换关系给出了仿真平台的模拟方法,进行了工作母船数据仿真、Matlab数据仿真、平台数据实测。结果表明,系统仿真动态性能好,能够满足实验室电力推进系统的试验要求,该数字化软件系统的网络扩展性强,可接入多种软件进行跨平台实验。