船舶電力推進系統(tǒng)特性仿真實驗研究

焦 勇

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島 125005）

1 引言

電力推進是一種有廣闊應用前景的先進的船舶推進方式。建設小比例的船舶電力推進仿真系統(tǒng)，有利于開展電力推進關鍵技術研究；同時小比例的實物船舶電力推進仿真系統(tǒng)上的實驗數(shù)據(jù)對研制船舶電力推進系統(tǒng)具有借鑒及參考意義。本文主要設計了三種船舶電力推進系統(tǒng)典型工況的仿真實驗，并對實驗結果進行了分析[1]。

2 實驗裝置設計

實驗室采用了符合實船應用的整套電力推進系統(tǒng)，包括船用發(fā)電機組、配電板、能量管理系統(tǒng)、移相變壓器、變頻器、推進電機、負載電機和監(jiān)控系統(tǒng)。整套系統(tǒng)聯(lián)動，可以模擬實船應用中的各種工況，并通過監(jiān)控系統(tǒng)觀察推進系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài)。

系統(tǒng)的最大特點在于混合仿真，所謂混合仿真就是指系統(tǒng)模擬了船舶的兩舷推進系統(tǒng)，系統(tǒng)的右舷采用實物仿真，選用SIEMENS公司的6SE70變頻器（250 kW）、6SE70制動電阻單元、4GJ三繞組變頻變壓器（300 kVA）、推進電機1LA8 317-8P電動機（180 kW）、負載電機1LA8 317-8P電動機（180 kW）等設備，組成實軸電力推進系統(tǒng)；而左舷采用計算機仿真的辦法，模擬變頻器、推進電機和螺旋槳，組成虛軸電力推進系統(tǒng)，如圖1所示[2]。

該套系統(tǒng)主要分成四個組成部分：電站系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和虛軸仿真系統(tǒng)。電站系統(tǒng)布置了三套發(fā)電機組，每套容量75 kW。根據(jù)備車、港航、巡航、機動航行等不同的工況，自動選擇最少運行發(fā)電機臺數(shù)；同時，根據(jù)負載變化，進行發(fā)電機工作臺數(shù)的增減，自動完成并車、解列、調頻及調載。

虛軸仿真系統(tǒng)模擬船舶的左舷電力推進系統(tǒng)，以右舷電力推進系統(tǒng)設備的運行參數(shù)為參照，具有與右舷實軸電力推進系統(tǒng)相同的外在特性。右舷實物仿真推進系統(tǒng)和左舷計算機仿真推進系統(tǒng)均接受來自機旁、集控臺、駕控臺的操作輸入，實軸和虛軸推進系統(tǒng)共享一個數(shù)據(jù)庫，運行結果也均由實驗臺的儀表和指示燈顯示。

3 特性實驗與結果分析

3.1 模擬螺旋槳突然受阻試驗

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，導致電機電流急劇升高，電機發(fā)熱等現(xiàn)象。本實驗通過突加負載轉矩模擬了螺旋槳突然受阻的情況，監(jiān)測的各參數(shù)曲線如圖2。

圖1 船舶電力推進混合仿真實驗裝置示意圖

圖2 突加負載試驗

從圖2中可以看出系統(tǒng)在自由航行的穩(wěn)定狀態(tài)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值，并一直穩(wěn)定運行。這是因為電動機設定為速度環(huán)控制，能對速度的反饋有很好的調節(jié)作用，只要負載在額定的范圍內變化其速度就會穩(wěn)定在給定值，只是電流會相應地增加[3]。

3.2 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)的停車時間短、響應迅速。將電機的速度從285 rpm突降到零。測試曲線如圖3。

圖3中顯示系統(tǒng)的停車時間相當短，完全能夠滿足要求。從推進電機的功率曲線中可見，在負載電機扭矩降到零時，由于慣性作用，軸系還在運轉，使推進電機處在發(fā)電狀態(tài)，當電機完全停轉時功率就回零了[4]。

圖3 系統(tǒng)緊急停車特性曲線

3.3 不同脈波整流方式的切換

系統(tǒng)采用的是三相移相變壓器，將三相 380 V/50 Hz的交流電變成兩個相位相差30°的三相690 V/50 Hz的交流電供變頻器使用。變頻器通過開關可將系統(tǒng)自動分成6脈動整流方式和12脈動整流方式工作，以便于系統(tǒng)模擬不同整流系統(tǒng)下整個系統(tǒng)的諧波因素。

模擬船舶在自由航行下，也就是通過設定負載電機讓其扭矩值滿足自由航行曲線的特性。在電動機負載、功率、速度等相同的條件下讓系統(tǒng)分別運行在6及12脈波整流的狀況，監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、電流，如圖4和圖5所示[5]。

圖4 自由航行下6脈波整流特性

圖5 自由航行下12脈波整流特性

通過比較6脈波整流和12脈波整流兩種狀態(tài)下的輸出電壓、電流波形，可以發(fā)現(xiàn) 12脈波整流輸出波形要比6脈波整流輸出波形要平穩(wěn)，波動要小。可見 12脈波能起到一定的平波效果，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也可以減少對通訊及其它設備的電磁干擾[6]。

4 結束語

本文針對船舶電力推進系統(tǒng)中的三種典型工況，設計了相應的仿真實驗，實驗結果表明該仿真系統(tǒng)能很好地模擬實船工況，有一定的科研及實用價值。

[1] 陳家金，王和平.船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展.世界海運，2006，(4).

[2] 張霞.六相永磁同步電動機特性仿真的研究.上海海事大學碩士學位論文，2007.

[3] 張洋，楊平西，陳琳.船舶電力推進系統(tǒng)諧波特性仿真與試驗.船舶工程，2009, (S1).

[4] 趙濤，姜衛(wèi)東.利用PSPICE仿真分析PWM控制電路.安徽大學學報(自然科學版)，2005,(5).

[5] 劉赟，徐紹佐.船舶綜合電力推進系統(tǒng)綜述[J].柴油機，2004, （2）.

[6] 張偉.電力推進系統(tǒng)的實船應用[J].中國水運, 2004,.（7）.