某海工船電力推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配仿真研究

劉洪亮，樂小龍，翁 爽，吳志華

應(yīng)用研究

某海工船電力推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配仿真研究

劉洪亮，樂小龍，翁 爽，吳志華

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶的應(yīng)用越來越廣泛，電力推進(jìn)系統(tǒng)可適應(yīng)工況復(fù)雜、綜合電站的工況需求，比較適合海洋工程船使用，目前海工船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的方式也成為主流。某海工船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行船舶推進(jìn)，其推進(jìn)系統(tǒng)啟動到加速時間偏長，而修改電機(jī)轉(zhuǎn)速上升時間的時間越短，推進(jìn)短時所需要的功率越大，導(dǎo)致電機(jī)短時承受的轉(zhuǎn)矩越大。本文介紹了該船電力推進(jìn)系統(tǒng)，建立了該船舶的船機(jī)槳的模型，通過仿真，分析了啟動過程中船機(jī)槳的匹配性以及電力推進(jìn)系統(tǒng)與操縱相關(guān)的參數(shù)的合理性。

電力推進(jìn)系統(tǒng) 仿真 船機(jī)槳

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是指采用電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳推動船舶行進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)。交流電力推進(jìn)系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、配電系統(tǒng)、變頻驅(qū)動系統(tǒng)、推進(jìn)器等構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)在不同船型應(yīng)用越來越廣泛[1]。

由于海洋工程船舶工況比較復(fù)雜，大部分具有DP的要求，因此其電站需要由多臺機(jī)組自由組合，根據(jù)用電負(fù)荷選擇投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組臺數(shù)，使運(yùn)行機(jī)組始終運(yùn)行于高效工作區(qū)，保持燃油消耗率最低，實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)性，提高續(xù)航力，降低運(yùn)行成本。同時船舶全船動力用電、生活用電、其他輔助用電均由統(tǒng)一的綜合電站提供，既滿足設(shè)備的冗余要求，也具有較好的電站儲備。

從原理上來講，由于推進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)特性要優(yōu)于傳統(tǒng)的推進(jìn)柴油主機(jī)，因此電力推進(jìn)船舶的操縱性能優(yōu)于柴油機(jī)推進(jìn)船舶，可以大大提高的船舶的機(jī)動性。某海工船采用交流電力推進(jìn)系統(tǒng)，但在實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)其啟動到加速至滿速的時間偏長，而提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，上升時間越短，推進(jìn)短時所需要的功率越大，導(dǎo)致電機(jī)短時承受的轉(zhuǎn)矩越大。因此需要建立船-機(jī)-槳的模型，通過仿真分析推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)合理的匹配性。

1 某海工船電力推進(jìn)系統(tǒng)簡介

本船設(shè)計為海洋工程船，采用的推進(jìn)型式為全回轉(zhuǎn)舵槳，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。主要船體參數(shù)如下：總長：79 m，型寬17.6 m，型深7.7 m，設(shè)計吃水6.5 m，設(shè)計航速14 kn，載重量3800 t。

主推進(jìn)電機(jī)為鼠籠式水冷感應(yīng)推進(jìn)電動機(jī)，采用變頻驅(qū)動，額定功率為1500 kW，額定轉(zhuǎn)速約1000 rpm。齒輪箱減速比為4.76: 1，螺旋槳額定轉(zhuǎn)速約為210 rpm。

本船的電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖如圖所示：

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

本船電力推進(jìn)系統(tǒng)由3臺1550 kW/3AC690 V/50 Hz的發(fā)電機(jī)組和1臺600 kW/3AC690 V/50 Hz的停泊機(jī)組供電，推進(jìn)系統(tǒng)由變頻器驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)配套全回轉(zhuǎn)舵槳實(shí)現(xiàn)船舶的推進(jìn)，并完成船舶的進(jìn)出港、全速航行、經(jīng)濟(jì)航行等工況。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)及船機(jī)槳仿真模型

船機(jī)槳的仿真模型主要包括螺旋槳的模型、螺旋槳及電機(jī)的工作特性曲線匹配、螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩模型，船舶阻力模型，變頻電機(jī)控制模型等[2]。

1）螺旋槳特征及特征曲線擬合

在本文中針對螺旋槳的特性仿真采用四象限螺旋槳特性的形式來進(jìn)行擬合。將螺旋槳的工況分為四個象限，即第一象限(n > 0,vp > 0)，第二象限(n < 0,vp > 0)，第三象限(n < 0,vp < 0)，第四象限(n > 0,vp < 0)。在n和vp不同時為零時，相應(yīng)的定義如下[3]：

本文對該特性曲線做切比雪夫多項(xiàng)式擬合，結(jié)果如下式[4]：

螺旋槳轉(zhuǎn)矩

螺旋槳推力

2）船機(jī)槳系統(tǒng)運(yùn)動模型

一般傳統(tǒng)的船舶的船機(jī)槳由推進(jìn)柴油機(jī)、推進(jìn)齒輪箱、推進(jìn)螺旋槳構(gòu)成。本船的船機(jī)槳由推進(jìn)電動機(jī)、全回轉(zhuǎn)舵槳構(gòu)成，其中全回轉(zhuǎn)舵槳包含了齒輪箱結(jié)構(gòu)和推進(jìn)螺旋槳，螺旋槳產(chǎn)生推力驅(qū)動船舶前進(jìn)，在本文中，動力學(xué)方程采用以下模型[5]：

式中，dd為回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速變化率；為推進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動力矩；f為螺旋槳水阻力矩；m為船體的總質(zhì)量；dv/d為船舶航速的變化率。最終構(gòu)建的仿真模型如圖2，3所示。

3 仿真結(jié)果及分析

本船作為海工船對操控的要求較高，在啟動過程中，如果時間過長，會導(dǎo)致操作的延時性，造成乘客的體驗(yàn)感下降。而在推進(jìn)系統(tǒng)的啟動過程中，根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動回路的特性，又有可能造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率過載。本項(xiàng)目中主推電機(jī)的額定功率為1500 kW，根據(jù)船規(guī)要求最多可考慮110%的過載能力。

圖2 系統(tǒng)仿真模型

圖3 船槳仿真模型

工作模式如下：電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，按照固定上升或下降斜率調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。推進(jìn)電機(jī)控制設(shè)置轉(zhuǎn)矩限幅和功率限制。

仿真中暫時按照啟動時間35 s進(jìn)行仿真設(shè)計，即螺旋槳35 s內(nèi)可從零轉(zhuǎn)速到額定滿轉(zhuǎn)速，仿真器的時間設(shè)定為1000 s。

圖4 啟動情況下的仿真波形

該工況下仿真波形如圖所示，船舶穩(wěn)定計算所得航速為14.4節(jié)，與本船設(shè)計航速基本相當(dāng)。但由于在啟動過程中螺旋槳所需轉(zhuǎn)矩較大，而此時推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率處于上升階段，轉(zhuǎn)矩和功率處于限制情況，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)超速的情況，最大轉(zhuǎn)速為222 rpm（超速6%）。從140 s開始，推進(jìn)電機(jī)不再出現(xiàn)功率限制或者轉(zhuǎn)矩限制，原因是此時船舶航速到達(dá)一定的值，所需的螺旋槳轉(zhuǎn)矩有所降低，最終工況趨于平穩(wěn)。

由前面分析可知，因啟動時可能會造成電機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，且引起推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率限幅值限制，因此可改變推進(jìn)電機(jī)調(diào)速參數(shù)，增大變頻驅(qū)動回路中的積分常數(shù)，其仿真結(jié)果如下：

圖5 啟動情況下的仿真波形

圖6 啟動情況下的仿真波形

由仿真波形圖5可知，當(dāng)增大速度控制環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Ti后，速度超調(diào)減小，最大轉(zhuǎn)速為219 rpm（超速4.32%）。此時，推進(jìn)電機(jī)均不出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和功率限幅的情況。但是螺旋槳到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的時間加長，且航速增速變慢。螺旋槳轉(zhuǎn)速與實(shí)際給定轉(zhuǎn)速在啟動過程中偏差較大。因此積分時間常數(shù)較大的PI對啟動有較大影響，考慮到轉(zhuǎn)矩和功率限制問題，以下仿真均采用積分時間常數(shù)較大的PI控制參數(shù)。

在進(jìn)行PI參數(shù)調(diào)節(jié)后，將啟動時間設(shè)定為船舶目標(biāo)值的20 s，螺旋槳可從零轉(zhuǎn)速到額定滿轉(zhuǎn)速，仿真時間為1000 s。

由仿真波形圖6可知，此時在進(jìn)行PI參數(shù)調(diào)節(jié)之后，其他速度控制參數(shù)保持不變的情況下，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率均未到達(dá)限幅值，且螺旋槳轉(zhuǎn)速、推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及功率、航速等均變化較小。因此在采用較大的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，可有效改善電力推進(jìn)系統(tǒng)啟動特性，滿足最終的設(shè)計目標(biāo)。

5 小結(jié)

本文在MATLAB中仿真建立了電力推進(jìn)系統(tǒng)的船機(jī)槳模型，在仿真模型中分析了啟動過程中船機(jī)槳的匹配性，分析結(jié)果顯示，當(dāng)電機(jī)的啟動斜坡時間過大，變頻器PI參數(shù)未調(diào)節(jié)時，限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率，可能會出現(xiàn)電機(jī)超速的情況，而在增加變頻器的PI參數(shù)后，不會出現(xiàn)限制轉(zhuǎn)矩和功率的情況，可改善電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶的啟動特性。

[1] 高海波. 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2008.

[2] 胡倩. 電力推進(jìn)船舶異步電機(jī)矢量控制研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2015.

[3] 孫洪波. 螺旋槳逆轉(zhuǎn)工況下船舶運(yùn)動建模與仿真 [D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2007.

[4] Li Dianpu,Wang Zongyi, Chi Haihong. Chebyshev Fitting Way and Error Analysis for Propeller Atlas across Four Quadrants[J]. Journal of Marine Science and Application, 2002(1):52-59.

[5] 冒如權(quán). 電力推進(jìn)船舶制動電阻設(shè)計研究[J]. 船電技術(shù), 2016,8: 36-40.

Simulation Research on Working Condition Matching Charaterristic of Propulsion Motor and Propeller of the Electric Propulsion System for an Offshore Ship

Liu Hongliang, Yue Xiaolong, Weng Shuang, Wu Zhihua

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

U674.3

A

1003-4862(2021)04-0054-04

2020-09-28

劉洪亮（1985-），男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程研究設(shè)計。E-mail: liuhongliangsdari@163.com