吊艙式船舶電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

朱 樓 沈愛弟

（上海海事大學(xué)航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201306）

1 引言

吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)［1］是將推進(jìn)電機(jī)裝在吊艙內(nèi)，螺旋槳軸和推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子在一條直線上，一起旋轉(zhuǎn)。其定子被固定在吊艙殼體上或帶動(dòng)另一個(gè)螺旋槳反向?qū)D(zhuǎn)，整個(gè)推進(jìn)模塊可以360°旋轉(zhuǎn)，集推進(jìn)和操縱功能于一體，既有利于船舶動(dòng)力系統(tǒng)的簡化和布局，優(yōu)化船舶總體設(shè)計(jì)，改善操縱靈活性［2］，又能操縱船舶的船向，獲得該航向上的最大推力，且可實(shí)現(xiàn)船舶的動(dòng)力定位［3］。在吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)中，船舶的推進(jìn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)舵裝置集成為一體，節(jié)省了船艙內(nèi)的空間［4］，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。

吊艙式電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠幫助研究人員對推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的數(shù)值分析和試驗(yàn)論證。文獻(xiàn)［5］的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)具有硬件裝置和船槳仿真模型，但是缺少安全保護(hù)和故障報(bào)警裝置。文獻(xiàn)［6］中的是雙三相半實(shí)物吊艙式電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)，此系統(tǒng)整合了物理硬件設(shè)備和仿真軟件，在實(shí)時(shí)仿真的快速性和精確性，以及在控制方案設(shè)計(jì)、船槳數(shù)學(xué)模型的建立和仿真算法的選擇等方面都有其特殊的作用。文獻(xiàn)［7］中介紹了一種采用“雙變流器－電機(jī)”的能量互饋式交流傳動(dòng)的電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺，能夠?qū)β菪龢诟鞣N工況下的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本文設(shè)計(jì)了吊艙式船舶電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由駕控臺、機(jī)旁臺和船體模型組成，主要控制系統(tǒng)有推進(jìn)控制子系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要功能

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由駕控臺、機(jī)旁臺和船體模型構(gòu)成，如圖1所示。

駕控臺和機(jī)旁臺發(fā)出系統(tǒng)操作命令，在任一部分均可完成推進(jìn)電機(jī)和回轉(zhuǎn)電機(jī)的操作，但任一時(shí)刻只有一處操作有效。優(yōu)先級別為機(jī)旁臺的操控權(quán)限高，駕控臺的優(yōu)先級次之。

在駕控臺和機(jī)旁臺操作面板上設(shè)置了推進(jìn)起動(dòng)、推進(jìn)鎖定、功率限制、回轉(zhuǎn)起動(dòng)等帶燈按鈕，操作這些按鈕可以激活控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，向推進(jìn)子系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)出推進(jìn)和回轉(zhuǎn)命令，通過燈的亮滅可以反映系統(tǒng)的操作變化情況。駕控臺設(shè)置了萬向車鐘來控制船舶的航速和航向，另外操作面板上還配有船舶航速表、推進(jìn)轉(zhuǎn)速表、回轉(zhuǎn)角度表和推進(jìn)功率表等儀表來顯示其工況，并能輸出轉(zhuǎn)速和舵角信號供控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的主要控制功能和監(jiān)測功能有：

1）操控部位轉(zhuǎn)換

圖1 吊艙式電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局圖

系統(tǒng)處于駕控臺（機(jī)旁臺）控制時(shí)，根據(jù)需要，機(jī)旁臺（駕控臺）可以提出或者取消控制申請，待駕控臺（機(jī)旁臺）同意之后，控制功能轉(zhuǎn)移完成，駕控臺（機(jī)旁臺）的操作功能被移除。

2）航行模式選擇

主要在港內(nèi)航行模式、正常航行模式以及緊急停船模式之間進(jìn)行切換，根據(jù)操控需要，船舶進(jìn)入相應(yīng)的航行模式，獲得此時(shí)的航行數(shù)據(jù)和工況。

3）安全保護(hù)與模擬故障處理

為船舶的安全運(yùn)行提供保護(hù)，并在此基礎(chǔ)上，模擬船舶運(yùn)行時(shí)可能遇到的各種故障，測試各相應(yīng)處理方式的工作性能和處理故障的能力。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下性能指標(biāo)：

1）遠(yuǎn)程操作與就地操作之間的無擾切換。能夠及時(shí)響應(yīng)操作臺切換命令，完成功能移交和功能切除。

2）港內(nèi)航行模式的選擇。航行模式主要有港內(nèi)航行模式、正常航行模式和緊急停船模式。每種航行模式對應(yīng)不同的航行工況，系統(tǒng)能夠根據(jù)工況的變化，切換航行模式。在系統(tǒng)進(jìn)入緊急停船模式時(shí)，推進(jìn)自動(dòng)停車，吊艙向180°倒車方向回轉(zhuǎn)，自動(dòng)控制角度，直至停船。

3）安全保護(hù)與故障處理。完成功率限制，緊急停車和各級故障處理工作。在出現(xiàn)安全故障時(shí)，其他操作功能被禁用，直至故障排除，重新上電啟動(dòng)。

船體模型主要由推進(jìn)控制子系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)構(gòu)成。變頻器和推進(jìn)電機(jī)，共同組成了推進(jìn)控制子系統(tǒng)，繼電器組和回轉(zhuǎn)電機(jī)，組成了回轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用異步交流變頻電動(dòng)機(jī)作為船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)作為回轉(zhuǎn)電機(jī)。可編程邏輯控制器（PLC）作為主站，變頻器作為從站，實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。由于Profibus-DP總線具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，易于維護(hù)，選擇范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，因此系統(tǒng)利用其作為傳輸指令和信號的通道。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制方案

吊艙式電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制方案主要由推進(jìn)控制子系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)兩部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 推進(jìn)控制子系統(tǒng)

推進(jìn)控制子系統(tǒng)主要功能是接收來自駕控臺和機(jī)旁臺的推進(jìn)命令，控制推進(jìn)控制器、變頻器，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)完成動(dòng)力輸出，整個(gè)系統(tǒng)包括推進(jìn)控制器、變頻器和推進(jìn)電機(jī)。其中推進(jìn)控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)加速度轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器，可以防止推進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)和加速過程中加速過快，造成電機(jī)過載和對推進(jìn)軸系的轉(zhuǎn)矩沖擊。變頻器通過控制輸出頻率來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。

3.1.1 推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制策略

推進(jìn)電機(jī)決定螺旋槳的轉(zhuǎn)速，其控制策略是首先通過推進(jìn)控制器對來自車鐘的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號作加速速率限制及功率限制處理，然后控制推進(jìn)變頻器的輸出頻率，使推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在設(shè)定的轉(zhuǎn)速。其轉(zhuǎn)速控制策略如圖3所示。

圖3 推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略

首先對當(dāng)前電站余量及故障因素對轉(zhuǎn)速的限制進(jìn)行計(jì)算，將其與各控制臺給定的加速速率限制進(jìn)行比較，取較小值與電機(jī)轉(zhuǎn)速回饋信號進(jìn)行比較后，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對變頻器輸出頻率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。

當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)處于加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為使電機(jī)軸上的加速（減速）力矩盡可能平穩(wěn)，要求變頻器輸出頻率以一個(gè)給定的函數(shù)關(guān)系平穩(wěn)變化。通常設(shè)為線性函數(shù)：

式中：t＊為加（減）速時(shí)間為前次轉(zhuǎn)速設(shè)定值；n＊2為新的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。根據(jù)轉(zhuǎn)速差，合理選定加（減）速時(shí)間：

式中：nmax為螺旋槳最大轉(zhuǎn)速；tmax為最大加（減）速時(shí)間。將t＊分割成N等份，步長為t＊／N。式（1）離散化為：

3.1.3 推進(jìn)電機(jī)安全限制

推進(jìn)控制必須滿足推進(jìn)電機(jī)和船舶電力系統(tǒng)的安全性，這也是奠定電力推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

1）轉(zhuǎn)速限制

推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與螺旋槳匹配，無論直接連接還是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，一旦轉(zhuǎn)速超過電機(jī)的最大允許轉(zhuǎn)速，應(yīng)立即限制轉(zhuǎn)速，通常在負(fù)荷（力矩）控制模式下進(jìn)行。

南水北調(diào)人工補(bǔ)給地下含水層成本效益研究……………………………… 楊愛民，甘 泓，汪 林等(23.46)

當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷Mp小于給定負(fù)荷M＊p時(shí)，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，一旦超速，立即限制轉(zhuǎn)速。

2）力矩限制

推進(jìn)電機(jī)的最大輸出力矩必須小于電機(jī)的最大允許輸出力矩，否則，電機(jī)可能超出臨界力矩，處于不穩(wěn)定工作區(qū)域。在推進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行階段，其輸出力矩一般不大于最大允許輸出力矩。

力矩限制通常在轉(zhuǎn)速控制模式下進(jìn)行，即當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速np小于給定轉(zhuǎn)速n＊p時(shí)，推進(jìn)電機(jī)的力矩上升，一旦超載，立即進(jìn)行力矩限制。

3）功率限制

推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，輸出功率必須小于最大功率。推進(jìn)電機(jī)的最大允許轉(zhuǎn)速與最大允許輸出力矩的乘積等價(jià)于電機(jī)的最大允許功率。

功率限制不僅對推進(jìn)電機(jī)實(shí)施功率過載保護(hù)，而且保證電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的供電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定［8］。

3.2 回轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)

吊艙回轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要功能是接收來自控制臺的回轉(zhuǎn)命令，控制回轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行完成吊艙回轉(zhuǎn)任務(wù)，在回轉(zhuǎn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)必須滿足以下性能指標(biāo)：

1）能夠?qū)τ诘跖撍幬恢煤徒嵌冗M(jìn)行準(zhǔn)確定位，檢測到吊艙的實(shí)時(shí)位置。

2）回轉(zhuǎn)電機(jī)能夠提供足夠的轉(zhuǎn)矩以使電機(jī)能夠達(dá)到所需的回轉(zhuǎn)速度，選用低頻特性好的電機(jī)，方便在臨近設(shè)定位置時(shí)，吊艙能夠準(zhǔn)確定位。

3）操作要靈活，通信要順暢，要保證在回轉(zhuǎn)的時(shí)候，吊艙的回轉(zhuǎn)角度和位置都能夠及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)到控制臺上，以使操作人員能夠及時(shí)掌握所需信息。

3.2.1 吊艙回轉(zhuǎn)方向控制

本文設(shè)計(jì)的吊艙式電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是全回轉(zhuǎn)模式的吊艙［9］，吊艙可以360°回轉(zhuǎn)。對于吊艙回轉(zhuǎn)方向的控制，首先要計(jì)算出吊艙當(dāng)前位置，再與目標(biāo)位置相減，得到本次運(yùn)行所需要的角行程Δθ，根據(jù)角行程判斷吊艙的回轉(zhuǎn)方向，Δθ＞0時(shí)，PLC通過正轉(zhuǎn)輸出端子向繼電器組和回轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號；當(dāng)Δθ＜0時(shí)，PLC通過反轉(zhuǎn)輸出端子向繼電器組和回轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)出反轉(zhuǎn)信號。

3.2.2 吊艙回轉(zhuǎn)速度控制

控制系統(tǒng)在判斷完吊艙的回轉(zhuǎn)方向之后，就要判斷回轉(zhuǎn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)速度。船舶在不同航速下應(yīng)以不同的速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)到達(dá)指定位置。例如，當(dāng)船舶處于“港內(nèi)航行”模式時(shí)，此時(shí)船速較低，在回轉(zhuǎn)角行程Δθ＜3°時(shí)，為了防止超調(diào)，回轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)該緩速運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 船槳模型仿真

推進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，在水中運(yùn)動(dòng)的螺旋槳產(chǎn)生推力，這一推力作用于船體，使船舶發(fā)生運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，需要得到航速、航向和舵角等變量，并且顯示在操作面板的相應(yīng)儀表上，以給操作人員和研究人員更為準(zhǔn)確和直觀的數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握船舶模擬航行的狀況。因此需要利用船槳模型來進(jìn)行仿真。

研究螺旋槳時(shí)，首先要研究其推力特性和扭矩特性，這是建立螺旋槳負(fù)載模型的基礎(chǔ)［10］。將螺旋槳的進(jìn)程比設(shè)為J：

其中vp為螺旋槳相對于水的速度（m／s）；Dp為螺旋槳直徑（m）；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速（r／min）。為了防止在螺旋槳頻繁的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)中J的定義域?yàn)椋蕖?，使得推力系?shù)Kt和轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq數(shù)值過大。由船舶推進(jìn)原理可知，Pp和Tp都是通過推力系數(shù)Kt和轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq計(jì)算出的，因此得到的有效推力Pp和阻轉(zhuǎn)矩Tp失真。對于實(shí)際仿真來講，一個(gè)自變量變換范圍很大的函數(shù)不論對模擬仿真還是數(shù)字仿真都是比較麻煩的，因此定義J′為

可得相對轉(zhuǎn)矩系數(shù)K′q和相對推力系數(shù)K′t為

其中ρ為海水密度（kg／m3）。經(jīng)過變換后，不直接利用J，從而避免了查表時(shí)的精度漂移。

此時(shí)用J′來表達(dá)的螺旋槳的推力P和扭矩M 分別為

船槳模型仿真的輸入是電機(jī)轉(zhuǎn)速n，經(jīng)過仿真計(jì)算之后，可以得到螺旋槳轉(zhuǎn)矩，整個(gè)仿真系統(tǒng)需要很好的實(shí)時(shí)性，便于操作人員及時(shí)了解工況，作出反應(yīng)，因此結(jié)果要直接在控制臺儀表上顯示，也便于記錄、分析和處理。

5 結(jié)語

本文搭建了吊艙式電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并較為詳細(xì)的介紹了該系統(tǒng)的組成和功能，討論了系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的性能指標(biāo)，以及推進(jìn)控制子系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)的控制策略。在該系統(tǒng)中，可以模擬船舶推進(jìn)控制和回轉(zhuǎn)控制，以及參數(shù)的顯示。另外相比其它實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本系統(tǒng)還帶有安全保護(hù)和模擬故障處理的功能，模擬船舶可能會(huì)遇到的故障，并提出相應(yīng)的解決辦法。

［1］馬騁，張旭，錢正芳，等.POD推進(jìn)器技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用前景［J］.船舶工程，2006（6）：25-29.

［2］馬明偉.艦船動(dòng)力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)［J］.上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25（1）：1-11.

［3］Woodward D.Electric propulsion increases scope of marine ref-erences［J］.Mar Prop Intern，2000（9）：27-30.

［4］董濤，王志新.吊艙推進(jìn)器研究開發(fā)與應(yīng)用新進(jìn)展［J］.船舶工程，2007，29（1）：65-68.

［5］張永林，王衛(wèi)東，李彥，俞孟蕻.吊艙式電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置研制［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：33-35.

［6］沈愛弟，黃學(xué)武，鄭華耀，楊曉麗.半實(shí)物吊艙式電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，8（1）：74-78.

［7］羅成漢，陳輝，高海波，高孝洪.能量互饋式電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)［J］.中國造船，2008，49（2）：61-66.

［8］沈愛弟，褚建新，康偉.內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（2）：20-24.

［9］方宇.船舶電力推進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.大連：大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，2010.

［10］薛士龍.船舶電力推進(jìn)仿真裝置及其關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.上海：上海海事大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)院，2006.