船舶電力推進系統(tǒng)仿真及特性實驗

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(1.中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022; 2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 武漢 430063)

船舶電力推進是將船舶推進原動機(現(xiàn)一般多采用柴油機或燃氣輪機)產(chǎn)生的機械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⒁噪姍C驅(qū)動船舶螺旋槳的一種推進方式。本文對采用異步電動機作為螺旋槳推進電機的船舶電力推進系統(tǒng)進行了建模與仿真研究，在Saber環(huán)境中對部分情況做了仿真試驗，并對系統(tǒng)的設(shè)計等進行分析。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計思路

在本系統(tǒng)中采用了變壓器將三相380V/50Hz的交流電變換成兩個相位相差30°的690V/50Hz的交流電供變頻器使用。變頻器通過一個開關(guān)將系統(tǒng)自動分成6脈動和12脈動系統(tǒng)，以便于模擬不同整流系統(tǒng)下整個系統(tǒng)的諧波因素。變壓過來的交流電輸送給變頻器以控制電機的速度和轉(zhuǎn)矩，推進負載由負載電機提供，將推進電機和負載電機對軸連接，原動力和負載均采用1臺180 kW的電機，負載電機按照螺旋槳特性曲線控制，用于模擬舵槳系統(tǒng)的各工況的負載特性，同時為了消耗由船舶速度突變產(chǎn)生的能量對變頻器中間直流回路的影響，專門設(shè)置了一個制動電阻來實現(xiàn)保護功能。

在數(shù)字仿真和能量管理仿真中，對船舶系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計算和為實際船舶設(shè)定合理的控制策略都是通過編程來實現(xiàn)的，并在2臺PC機上分別運行這2個仿真系統(tǒng)。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了與實船的操控系統(tǒng)相似，機旁、集控和駕控的操作盤臺與實船一樣，具備相應(yīng)的按鈕、指示燈、操縱桿和指示儀表，兩舷分別與實物和計算機相連。由于電力推進船舶使用的變壓器不僅要實現(xiàn)電壓變換，并且在設(shè)計中還要考慮船用化和系統(tǒng)的諧波抑制等問題，所以本系統(tǒng)采用了SIEMENS公司的4GJ三繞組變壓器。

主電路中的變頻器選用了SIEMENS的6SE70系列產(chǎn)品，作為系統(tǒng)保護，采用了斷路器供電，并用主接觸器實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)的連接和斷開，其控制由變頻器電子板實現(xiàn)，再用進線電抗器來抑制電網(wǎng)電壓的突變及電流沖擊，以減小諧波，同時考慮到對電磁兼容性的要求，留出了安裝無線電干擾抑制濾波器的位置。

對于電機的控制，由西門子6SE70系列變頻柜專用的控制流程來實現(xiàn)，整流器給直流母線供電，兩臺逆變器分別控制電動機和負載電機的運行。以矢量控制方式為基礎(chǔ)，外加工藝閉環(huán)，確保推進電動機調(diào)速、負載電機變轉(zhuǎn)矩運行。OPlS舒適型操作界面提供了良好的人機界面，同時操作者可以利用BICO功能方便地實現(xiàn)自動/手動的切換。

在監(jiān)控上為了體現(xiàn)系統(tǒng)反映的快速性、準確性，采用了SIEMENS的S7-300的PLC，CPU為314C-2DP，通過PROFIBUS總線來和PC機及變頻器通訊，十分方便的控制系統(tǒng)的運行。

2.2 數(shù)字仿真系統(tǒng)設(shè)計

實物仿真推進裝置和數(shù)字仿真推進裝置均由盤臺控制，運行結(jié)果也均在盤臺上的儀表和指示燈顯示。兩側(cè)推進裝置共用統(tǒng)一的電力推進監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理仿真系統(tǒng)。數(shù)字仿真要求以推進桿和按鈕作為輸入，通過數(shù)學(xué)模型的計算得出各個需要監(jiān)控的參數(shù)值，同時操作盤臺上的儀表、指示燈均能受仿真系統(tǒng)的驅(qū)動，這樣可以直觀的比較實際系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的差別和改善仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

對于各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)采用在推進系統(tǒng)監(jiān)控PC上運行WinCC軟件來實現(xiàn)。 仿真系統(tǒng)PC上以美國Synopsys公司開發(fā)的Saber軟件作為仿真工具，通過運行曲線擬合、 數(shù)值計算得到系統(tǒng)的一系列數(shù)學(xué)模型，經(jīng)FORTRUN語言編程后，利用仿真平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達。能量管理PC也是通過FORTRUN語言編制，運行建立好的能量管理數(shù)學(xué)模型以計算出精確的理想運行參數(shù)，并利用仿真平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，然后將各個系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)的形式組合在一起，見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 特性實驗結(jié)果分析

3.1 模擬螺旋槳突然受阻試驗

船舶航行中螺旋槳可能會遇到漂浮的雜物或大型的魚類，造成很大的沖擊，形成突加負載，導(dǎo)致電機電流急劇升高，電機發(fā)熱等現(xiàn)象[3]。因此模擬了自由航行時突加負載的情況，監(jiān)測的速度參數(shù)曲線,見圖2。

圖2 突加負載試

從圖中可以看出系統(tǒng)在自由航行穩(wěn)定運行下突加負載，電機的實際速度有個很小的下降后馬上達到給定的值，并一直穩(wěn)定運行。這是因為原動機設(shè)定為速度環(huán)控制，能對速度的反饋有很好的跟蹤調(diào)節(jié)作用，只要負載在額定的范圍內(nèi)變化其速度都會穩(wěn)定在給的值，只是電流會隨著增加或減小。

3.2 模擬螺旋槳出水特性試驗

當(dāng)船舶在暴風(fēng)雨天氣航行時，船舶阻力會在很大范圍內(nèi)變化，有時螺旋槳還可能脫落、損壞、出水等，螺旋槳甚至可能產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象。為了檢驗系統(tǒng)面臨這一狀況的特性，模擬了螺旋槳露出水面的情況，即在模擬系統(tǒng)自由航行時將負載電機停止。測得的電壓參數(shù)曲線,見圖3。

從圖中可以看出在負載突降低到零時，原動機的速度并沒有變化，也不會出現(xiàn)所謂的“飛車”現(xiàn)象。這和上面分析的突加負載的原理一樣，因為原動機設(shè)定為速度環(huán)控制。因此該系統(tǒng)針對海上運行的特點，能很好的滿足要求。

圖3 螺旋槳出水特性試驗曲線

3.3 模擬系統(tǒng)緊急停車特性

船舶運行有時需要緊急停車，這就要求系統(tǒng)的停車時間快、響應(yīng)迅速。為此測試了系統(tǒng)的該項功能，讓電機的速度從285 r/min突降到零。測試曲線,見圖4。

圖4 系統(tǒng)緊急停車特性曲線

圖中顯示系統(tǒng)的停車時間相當(dāng)短，完全能滿足航行的要求。同時從電機的功率發(fā)現(xiàn)在速度降到零時功率為負值，這是因為系統(tǒng)的慣性作用，電機的軸系還在運轉(zhuǎn)，使電機處在發(fā)電狀態(tài)，當(dāng)電機完全停止時就為零了。

3.4 模擬螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性試驗

當(dāng)航速不變時，螺旋槳反轉(zhuǎn)過程中其阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的慣性曲線稱為螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線，螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線形狀奇特，見圖5。

圖5 螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲

試驗時先將原動機推到一個較高的速度，然后突然拉倒車，到一個反轉(zhuǎn)的高速。從扭矩圖中可以看出扭矩迅速降低到負值，到一個較低點后開始有個回升和波動，然后又開始下降。從功率曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)功率有個急速的下降，到一定負值后開始回升到正值并穩(wěn)定。這種負功率表示電機已經(jīng)處在發(fā)電狀態(tài)了，同時直流母線上的電壓這時也開始急劇上升，當(dāng)推進電機開始正常推進后電壓又開始下降，到運行穩(wěn)定后，電壓也趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

螺旋槳負載實驗仿真裝置是船舶電力推進實驗室的重要組成部分，是推進實驗室準確實施仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過以上這些與實船航行緊密相關(guān)的試驗,檢測了系統(tǒng)各個設(shè)備的運行情況，并得出了系統(tǒng)的一些具體特性以便日后進一步優(yōu)化。

[1] 楊勇兵．交流變頻電力推進系統(tǒng)仿真建模[J]．柴油機，2003(2)：21-25.

[2] 高海波，陳明昭，陳 輝．船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的仿真與建模[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002(6)：806-808.

[3] 邱阿瑞．現(xiàn)代電力傳動與控制[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.