船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載特性半實物仿真平臺研究

胡紅錢,施偉鋒,謝嘉令

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 紹興 312000; 2.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201326)

0 引言

船舶在水中航行的動力實質(zhì)是推進(jìn)電機(jī)推動螺旋槳負(fù)載旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩以克服水阻力形成反作用力而前進(jìn),船舶本體、船舶推進(jìn)電機(jī)及螺旋槳構(gòu)成了船-機(jī)-槳的有機(jī)整體,而船-機(jī)-槳的有效配合將直接關(guān)系船舶運行效率及能量轉(zhuǎn)換優(yōu)劣[1]。

相較于將螺旋槳放入一個封閉循環(huán)的水池中,采用電機(jī)模擬不同工況下螺旋槳負(fù)載的電力推進(jìn)半實物仿真平臺可省去螺旋槳及水池,降低實驗室的環(huán)境要求及制造成本[2],負(fù)載控制更逼真,數(shù)據(jù)采集與管理更方便。船機(jī)槳半實物仿真平臺充分利用數(shù)字仿真技術(shù)將船機(jī)槳理論模型形成有效的數(shù)字仿真平臺[3-5],通過實物軟硬件完成對船機(jī)槳的控制[6],對構(gòu)建的半實物推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行運行參數(shù)獲取與有關(guān)試驗效果的實時跟蹤。

1 半實物仿真平臺架構(gòu)與船機(jī)槳模型

1.1 半實物仿真平臺架構(gòu)與硬件實現(xiàn)

船機(jī)槳半實物仿真平臺采用柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的獨立電力系統(tǒng)為其供配電,模擬其在獨立微電網(wǎng)中的工作狀態(tài)。仿真平臺推進(jìn)電機(jī)采用永磁同步電機(jī),模擬螺旋槳負(fù)載采用三相異步電機(jī),二者通過法蘭連接,其上設(shè)有轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩傳感器,進(jìn)行相關(guān)參數(shù)實時檢測。兩個電機(jī)分別由變頻器與伺服控制器控制,由船舶電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)與市電供電(如圖1)。整個平臺受琴臺機(jī)旁控制與駕駛艙集中控制兩種方式控制,其中控制琴臺與電機(jī)控制器、船舶電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)完成對永磁同步電機(jī)與三相異步電機(jī)的控制、螺旋槳槳敞水工況特性模擬及數(shù)據(jù)分析、故障檢測等。

圖1 仿真平臺架構(gòu)Fig.1 Simulation platform structure

平臺實物環(huán)境如圖2,其中圖2a為推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳負(fù)載模擬電機(jī),圖2b為推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳負(fù)載模擬電機(jī)的供電與驅(qū)動系統(tǒng),圖2c為控制琴臺。平臺主要設(shè)備型號與參數(shù)如表1。

表1 仿真平臺主要設(shè)備型號與參數(shù)Tab.1 Main equipment models and parameters of simulation platform

圖2 仿真平臺硬件Fig.2 Simulation platform hardware

1.2 半實物仿真平臺船機(jī)槳模型

根據(jù)工作母船螺旋槳四象限動態(tài)工作數(shù)學(xué)模型、軸系旋轉(zhuǎn)運動特性及水動力特性可獲得螺旋槳的推力系統(tǒng)數(shù)Kp、扭矩系數(shù)Km及進(jìn)速比J′,由此獲得(1)～(7)方程描述[7]與如圖3所示的船機(jī)槳數(shù)學(xué)模型。

圖3 仿真平臺船機(jī)槳模型Fig.3 Simulation platform ship engine paddle model

進(jìn)速比:

(1)

推力系數(shù):

(2)

扭矩系統(tǒng):

(3)

推力減額系數(shù):

t=(P-Pe)/P

(4)

螺旋槳有效推力:

Pe=(1-t)P

(5)

船槳運動方程:

(6)

船體總阻力:

(7)

其中,n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,單位r/s;vp為螺旋槳進(jìn)速,單位m/s;vs為船速,單位m/s;ω為半流系數(shù);D為螺旋槳直徑,單位m;P為螺旋槳推力,單位N;M為螺旋槳扭矩,單位N·m;ρ為海水密度,單位kg/m3;r為船舶總阻力系數(shù);R為船舶總阻力,單位N。由文獻(xiàn)[4]確定r、ω、t值及Kp(J′)、KM(J′)。

為滿足仿真平臺盡可能接近工作母船,仿真平臺的推進(jìn)部分與仿真母船的推進(jìn)部分必須具有相同的動態(tài)過程[8],故永磁同步電機(jī)與三相異步電機(jī)均采用矢量控制方式從仿真平臺負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量及仿真母船螺旋槳的實際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量關(guān)系入手,推導(dǎo)慣性轉(zhuǎn)矩補償。

Te-Tp=(Je+Jp)(2π/60)(dn/dt)

(8)

Tm-Tld=(Jm+Jld)(2π/60)(dn/dt)

(9)

式中,Te、Tp、Je、Jp、Tm、Tld、Jm、Jld分別是仿真母船的推進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、螺旋槳轉(zhuǎn)矩、推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量、螺旋槳轉(zhuǎn)動慣量、仿真平臺的推進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、螺旋槳負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩、推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量、螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。

聯(lián)合式(8)、式(9)比較,要滿足可對等仿真條件,則仿真平臺螺旋槳模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩與仿真母船螺旋槳轉(zhuǎn)矩間必須滿足比例:

(10)

(11)

模型中輸入量是螺旋槳的轉(zhuǎn)速與船速,輸出量是推進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩,而在運動初始狀態(tài)給定條件下船速可根據(jù)船槳模型獲得,故可只設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速。相較于母船模型,仿真平臺的船機(jī)槳模型存在補償與系數(shù)部分,如圖3。

2 半實物仿真平臺數(shù)字化實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)檢測與分析硬件

為配合仿真平臺數(shù)字化需要,系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)檢測與分析子系統(tǒng)。子系統(tǒng)有兩條數(shù)據(jù)通道往駕駛艙集中控制,一條是以交換機(jī)為中心,與網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場控制PLC相連,網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信與傳遞,通過現(xiàn)場總線連接智能電能參數(shù)測量儀,采集經(jīng)過初級計算分析的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場控制PLC通過IO口連接現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備與檢測設(shè)備,并將數(shù)據(jù)送入PLC及網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)等進(jìn)行信息通信、計算處理、數(shù)據(jù)顯示、邏輯判斷、運行控制等。另一條是以PCI數(shù)據(jù)采集卡為中心,與NI數(shù)據(jù)接線盒連接,采集盒與現(xiàn)場變送器、傳感器相連,采集原始的波形信號數(shù)據(jù)。PCI卡裝入上位機(jī),其上運行LabView、Matlab、VB、web服務(wù)等高級數(shù)據(jù)分析與故障診斷軟件,通過以太網(wǎng)與整個船舶系統(tǒng)互聯(lián),配合完成船舶系統(tǒng)管理與推進(jìn)系統(tǒng)的控制與監(jiān)視,令系統(tǒng)更加完善與靈活,實現(xiàn)對系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)視、工況顯示、故障分析與診斷,如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)檢測與分析子系統(tǒng)硬件Fig.4 Data detection and analysis subsystem hardware

2.2 數(shù)字化仿真軟件

電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳半實物仿真平臺數(shù)字化部分主要包括永磁同步推進(jìn)電機(jī)的控制與三相異步電機(jī)螺旋槳負(fù)載特性的模擬,其中,螺旋槳負(fù)載特性模擬是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)半實物仿真平臺數(shù)字化的關(guān)鍵[9],其與圖2中的驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合完成半實物仿真。平臺船機(jī)槳模型如圖3,結(jié)合圖1螺旋槳負(fù)載特性仿真平臺架構(gòu),采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制,包括計算轉(zhuǎn)矩給定、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量、慣性轉(zhuǎn)矩補償、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與控制、伺服控制器等。本仿真平臺母船參數(shù)參考某電力推進(jìn)豪華郵輪如表2,對應(yīng)的母船螺旋槳敞水特性數(shù)據(jù)如表3。

表2 仿真母船基本參數(shù)Tab.2 Simulation of basic parameters of mother ship

表3 螺旋槳尚水特性數(shù)據(jù)Tab.3 Water performance data of propeller

通過工作母船實測數(shù)據(jù)MATLAB的polyfit函數(shù)5次擬合,得到如圖5所示的工作母船螺旋槳敞水特性曲線。

圖5 工作母船螺旋槳摻水特性曲線Fig.5 Characteristics curve of working mother ship propeller water

對于給定螺旋槳,螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性與推力特性是最重要的兩個螺旋槳負(fù)載特性。不同的進(jìn)速比J′下,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速n2構(gòu)成一簇平方關(guān)系的曲線,而在一定的進(jìn)速比J′下,推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)為常量。根據(jù)曲線螺旋槳進(jìn)度比可確定推力系統(tǒng)數(shù)Kp、扭矩系數(shù)Km,結(jié)合相關(guān)參數(shù)可獲得仿真平臺負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出,從而在轉(zhuǎn)速給定值情況下通過琴臺工控機(jī)設(shè)定,通過VB軟件解析仿真平臺船機(jī)槳模型完成平臺數(shù)字化。

3 平臺測試結(jié)果

根據(jù)以上分析,取螺旋槳進(jìn)速比J=0.75的情況下,根據(jù)海水密度ρ=1025.91 kg/m3,確定Kp=0.2132、Km=0.2370,獲得工作母船的螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性與功率特性曲線,如圖6。

圖6 工作母船螺旋槳特性曲線Fig.6 Propeller characteristic curve of working mother ship

圖7 MATLAB仿真螺旋槳特性曲線Fig.7 Curve of MATLAB simulation propeller characteristic

圖8 半實物仿真平臺實測螺旋槳特性曲線Fig.8 Measured propeller characteristic curve on the semi-physical simulation platform

在運行過程中,負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由推進(jìn)電機(jī)決定的,船機(jī)槳數(shù)學(xué)模型根據(jù)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、船速可推算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器按給定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)負(fù)載變頻器的輸出頻率改變負(fù)載電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制,再現(xiàn)螺旋槳的特性。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載特性研究的半實物仿真平臺,給出了其完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)體系及控制軟件構(gòu)成,結(jié)合船機(jī)槳數(shù)學(xué)模型與工作母船及仿真平臺間的轉(zhuǎn)換關(guān)系給出了仿真平臺的模擬方法,進(jìn)行了工作母船數(shù)據(jù)仿真、Matlab數(shù)據(jù)仿真、平臺數(shù)據(jù)實測。結(jié)果表明,系統(tǒng)仿真動態(tài)性能好,能夠滿足實驗室電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗要求,該數(shù)字化軟件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性強(qiáng),可接入多種軟件進(jìn)行跨平臺實驗。