船用雙電樞直流電力推進系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

張明武，梁星星，張鵬

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船用雙電樞直流電力推進系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

張明武，梁星星，張鵬

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為了解決船用雙電樞直流推進系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，本文首先介紹一型具體的船舶直流電力推進系統(tǒng)數(shù)學模型，對系統(tǒng)模型進行了分析，并確定系統(tǒng)的最佳控制器模式。在計算仿真的基礎(chǔ)上，確定控制器的具體參數(shù)，通過仿真及系統(tǒng)試驗驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制器參數(shù)的合理性。

雙電樞 直流電力推進系統(tǒng) 穩(wěn)定性

0 引言

在某些大功率船用直流電力推進系統(tǒng)中，由于冗余設(shè)計與功率匹配的需要，把推進電機設(shè)計成共軸結(jié)構(gòu)，即把兩臺參數(shù)基本相同的電機的電樞設(shè)計在同一根驅(qū)動軸上。這種共軸雙電樞結(jié)構(gòu)的直流電力推進系統(tǒng)具有功率大、生命力強、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點[1]，應用于某些重要船舶中。

在某些船舶的電力推進系統(tǒng)中，為了獲得較寬范圍的調(diào)速性能，往往采用多種調(diào)速方式的共同作用：一是通過電源配電開關(guān)與電樞開關(guān)的切換，達到成倍地改變電樞電壓來進行在不同的速區(qū)內(nèi)的速度調(diào)節(jié)。某型船舶的電力推進系統(tǒng)速區(qū)組合結(jié)構(gòu)如圖1；二是通過電力電子斬波裝置連續(xù)地改變電樞電壓來進行速度調(diào)節(jié)；三是通過改變電機的勵磁電流（磁通）來進行速度調(diào)節(jié)。同時，為了提高船舶的生存能力及獲得較寬范圍的調(diào)速性能，推進電機的兩個電樞可單獨運行、串聯(lián)運行，也可并聯(lián)運行。電力推進系統(tǒng)在如此復雜的工作模式下，如何保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性就是一個關(guān)鍵問題。

另外，在實際的系統(tǒng)中，雖然推進電機的兩個電樞的基本結(jié)構(gòu)是一致的，但是由于電機本身制造的原因?qū)е码姍C的氣隙尺寸、繞組型式、端接尺寸、漏磁通路徑等不可能完全一致，兩個電樞在部分特性上存在差異，這種差異致使雙電樞串聯(lián)和并聯(lián)運行時都存在兩個電樞負荷分配不均問題。嚴重時，使推進電機效率降低，運行不穩(wěn)定，這也是一個系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

對于如何解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，文獻[1]側(cè)重于保證雙電樞本身的一致性，并且僅從雙電樞并聯(lián)運行時對勵磁電流進行調(diào)節(jié)來滿足穩(wěn)定性要求這一點進行說明。而文獻[2]僅從如何使雙電樞負載均衡方面來進行說明，認為穩(wěn)定性的首要問題是保證雙電樞的負載均衡，理想的辦法也是通過對勵磁電流進行調(diào)節(jié)來保證負載均衡，從而保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。實踐證明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題要更復雜一些，復雜性主要表現(xiàn)為：調(diào)速模式的復雜性、負載特性（螺旋漿特性）的復雜性等。在實際的船舶大功率雙電樞電力推進系統(tǒng)中，解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題主要辦法是對雙電樞的勵磁電流進行綜合的協(xié)調(diào)控制，以保證在不同的調(diào)速模式及復雜的負載工況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文側(cè)重于勵磁電流的控制器本身參數(shù)的設(shè)計，通過對控制器參數(shù)的設(shè)計保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的數(shù)學模型

系統(tǒng)的數(shù)學模型是一個雙電樞、雙閉環(huán)的控制模型，雙電樞為共軸的前電樞、后電樞結(jié)構(gòu)，雙環(huán)為速度環(huán)（外環(huán)）、電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）結(jié)構(gòu)。對模型的要求：可以在任意單、雙電樞及系統(tǒng)電源組合下，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作于雙環(huán)（速度環(huán)+電流環(huán)）或單環(huán)（電流環(huán)）狀態(tài)。

圖1 速區(qū)組合結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的數(shù)學模型如圖2。

系統(tǒng)模型中，雙電樞的電流環(huán)是單獨設(shè)計的，可以在沒有速度環(huán)參與下單獨工作，前、后樞電流環(huán)可以單獨工作，也可以并聯(lián)工作。

在設(shè)計時，我們選定一個典型工況進行控制器參數(shù)整定。同時為了分析計算的方便，我們選擇已有的某型船舶的電力推進系統(tǒng)進行具體的數(shù)值計算，以驗證分析研究的可行性。

圖2 系統(tǒng)模型

2.1 電流環(huán)數(shù)學模型

前樞電流數(shù)學模型（傳遞函數(shù)）：

其中：

2()為電流環(huán)節(jié)的校正器，在這里設(shè)計成PI結(jié)構(gòu)；

后樞電流數(shù)學模型與前樞電流數(shù)學模型是基本相同的，唯一不同的是為了考慮到負載均衡問題而在后樞模型的輸入端加入了前后樞的電流差值模型，其作用是保證雙電樞同時工作時的負載均衡。

2.2 速度環(huán)數(shù)學模型

圖3 速度環(huán)數(shù)學模型

2.3 系統(tǒng)模型的其他考慮

前面已經(jīng)說明，為了保證雙電樞的負載均衡，在后電樞的勵磁電流環(huán)中加入了電樞電流的差值模型ID。同時為了抑制在某些不正常的工況下出現(xiàn)過大的電樞電流，在系統(tǒng)模型的前后勵磁電流環(huán)中加入了電樞電流的截止模型ID1和ID2。

3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、設(shè)計

3.1 系統(tǒng)電流環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性設(shè)計

根據(jù)前面敘述，電流環(huán)對象模型為：

電流環(huán)校正環(huán)節(jié)2()選擇為PI控制器，使基于電流環(huán)的單位反饋系統(tǒng)（開環(huán)系統(tǒng)）校正為一個II型系統(tǒng)，使階躍給定信號下的穩(wěn)態(tài)誤差（靜差）為0。令PI控制器為：

按三階工程最佳設(shè)計方法[4]設(shè)計電流PI控制器的參數(shù)：

電流環(huán)開環(huán)模型，為II型系統(tǒng)：

等效單位反饋下的電流環(huán)節(jié)的閉環(huán)模型：

即把電流環(huán)節(jié)（開環(huán)模型）校正成典型二階環(huán)節(jié)，對閉環(huán)模型進行仿真計算，其相角裕量為70.9°，顯然，單閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

為了系統(tǒng)綜合方便，把電流環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)作降階處理，近似等效為一慣性環(huán)節(jié)[3]：

因此，電流環(huán)節(jié)的閉環(huán)模型：

3.2 速度環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性設(shè)計

按三階工程最佳設(shè)計方法設(shè)計速度PI控制器的參數(shù)：

系統(tǒng)的速度閉環(huán)傳函為：

對上式的特征方程進行求根，所有根均具有負實部。對速度閉環(huán)模型進行仿真計算，仿真結(jié)果如圖4，其相角裕量為49.1°，因而速度閉環(huán)系統(tǒng)是較好穩(wěn)定的。

4 試驗驗證

上述控制器參數(shù)是在典型工況下整定的，在其它工況下對參數(shù)進行了核算，核算的結(jié)果表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。以上述分析計算的參數(shù)作為參考，對勵磁電流調(diào)節(jié)的控制器進行了整定，該系統(tǒng)已在某型船舶上進行了應用，在不同試驗條件下，如陸上聯(lián)調(diào)試驗、系泊試驗、實際的航行試驗等不同工況下進行了嚴格的試驗考核，試驗結(jié)果證明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖5是陸上聯(lián)調(diào)試驗時的低速、中速、高速啟動與運行的轉(zhuǎn)速波形。

圖5 陸上聯(lián)調(diào)工況下的轉(zhuǎn)速波形

5 結(jié)束語

在電機拖動系統(tǒng)理論中，直流電力推進系統(tǒng)是理論及應用上比較成熟的系統(tǒng)，但是大功率雙電樞直流電力推進系統(tǒng)由于其應用的特殊性，在實踐中還是遇到穩(wěn)定性等問題。本文主要通過對系統(tǒng)模型的分析，把問題的解決方法集中到勵磁電流控制器的設(shè)計上，通過理論與試驗驗證，證明此方法是可行的。

[1] 董國保, 王宗亮. 推進電機雙電樞負荷均衡方法研究. 電機技術(shù), 2009（2）.

[2] 胡國葆. 雙電樞他勵直流電動機兩電樞回路并聯(lián)穩(wěn)定運行的理論分析. 船電技術(shù), 2001（4）.

[3] 熊健, 張凱, 陳堅. PWM 整流器的控制器工程化設(shè)計方法. 電工電能新技術(shù), 2002（7）.

[4] 胡壽松.自動控制原理. 北京: 科學出版社（第五版）, 2007.

Research of the Steadiness of Ship Double Armatures DC Electric Propulsion System

Zhang Mingwu, Liang Xingxing, Zhang Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273U664.14

A

1003-4862（2014）10-0025-04

2014-03-03

張明武(1967-)，男，高級工程師。研究方向：電力電子應用技術(shù)。