（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究.pdf

a b s t r a c t m a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o nd e v i c ei st h er e s e a r c h i n gs u b j e c ti n t h i sp a p e r a c a s y n c h r o n o u sm o t o r c o n t r o l l e db yt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p f o rv a r i a b l es p e e dd r i v e i s u s e dt os i m u l a t es c r e wp r o p e l l e rc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g hs e t t i n gu pm a t h e m a t i cm o d e l c c l i n kf i e l db u sa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o na r ea p p l i e dt oa c h i e v et h er e a l t i m ed a t a t r a n s m i s s i o na m o n gt h ee q u i p m e n t si nm a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m u n d e rt h e s u r r o u n d i n go fw i n d o w s t h em o n i t o r i n gh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fm a r i n ee l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c t h i sp a p e ri sc o m p o s e do fs i xc h a p t e r s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h ep r o j e c tb a c k g r o u n d c h a p t e r 2d i s c u s s e st h e d e s i g n i n g o fm a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o n e q u i p m e n t s s i m u l a t i o n i n c l u d i n ge q u i p m e n t sc h o o s i n ga n di n s t a l l a t i o n c h a p t e r3i n t r o d u c e st h e s c r e wp r o p e l l e ra n dm o t o rc h a r a c t e r i s t i c s a n di l l u m i n a t e st h em e t h o do fa c a s y n c h r o n o u sm o t o rs i m u l a t e da ss c r e wp r o p e l l e rb a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e la n d e x p e r i m e n td a t ao fm o t o ra n ds c r e wp r o p e l l e ru s e di nt h i sp r o j e c t c h a p t e r4d i s c u s s e s t h ev a r y i n gs p e e dc o n t r o lo ft h es i m u l a t e dm o t o rb a s e do nd s p i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n ga n dt e s t i n g c h a p t e r5i n t r o d u c e st h em o n i t o r i n g p l a t f o r m o fm a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m c c l i n k f i e l db u sa n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o na r ea p p l i e dt oa c h i e v et h er e a lt i m ed a t at r a n s m i s s i o n a n dt h e h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sa l s od e v e l o p e d c h a p t e r6s u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o n a n d p r e s e n tp r o s p e c t s i t s p r o v e d t h a ts c r e wp r o p e l l e rs i m u l a t e dm o t o rc a na c h i e v e dt h e e x p e c t e d c h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h eg i v e np r o p e l l e rc o n d i t i o na n dt h em o n i t o r i n gp l a t f o r mw o r k s w e l lw h i c hc a na c h i e v et h ef u n c t i o no fr e a l t i m ed e t e c t i n go fm a r i n ee l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mt h r o u g hag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t k e y w o r d s e l e c t r i cp r o p u l s i o n p r o p e l l e r d s p r e a l t i m em o n i t o r i n g 2 論文獨創(chuàng)性聲明 本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果 論文中除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 不包含其他人或其 他機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 其他同志對本研究的啟發(fā)和 所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意 儲簽名 地日期 鯊叢 圭 作者簽名 亟z 型竺塑日期 至 壘 魚 主 論文使用授權(quán)聲明 本人同意上海海事大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán)保留送交論文復(fù)印件 允許論文被查閱和借閱 學(xué)?？梢?上網(wǎng)公布論文的全部或部分內(nèi)容 可以采用影印 縮印或其他復(fù)制 手段保存論文 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名 猢導(dǎo)師簽名 日期 型 壘 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 1 1 課題背景及來源 第一章引言弟一早ji 苗 2 0 世紀(jì)8 0 年代中期以來 隨著電力電子技術(shù) 電機(jī) 交流調(diào)速技術(shù)和數(shù)字 控制技術(shù)的發(fā)展 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)性能 機(jī)動性 運(yùn)行效率 推進(jìn)功率 等方面都有突破性進(jìn)展 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大 引起了國際造船和航運(yùn)界的重視 我國很多高校 船舶研究機(jī)構(gòu)以及船舶制造廠紛紛進(jìn)行船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的研 究 其中對研究結(jié)果進(jìn)行反復(fù)測試與驗證是對該系統(tǒng)研究的重要環(huán)節(jié)之一 此類 試驗過程往往需要在真實復(fù)現(xiàn)船舶各種不同工作狀態(tài)下進(jìn)行 即令船舶螺旋槳運(yùn) 行在不同的工況 這對試驗條件提出了很高的要求 大大增加了研究成本 針對 此矛盾 本課題設(shè)計了船舶電力推進(jìn)裝置仿真系統(tǒng) 采用異步電機(jī)代替真實螺旋 槳 應(yīng)用d s p 實現(xiàn)螺旋槳仿真異步電機(jī)的控制 使其真實復(fù)現(xiàn)螺旋槳工作特性 同時本課題還對船舶電力推進(jìn)裝置實時監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計 本課題得到了上海市教委科研項目 船舶電力推進(jìn)混合仿真系統(tǒng) 相關(guān) 研究資金的支持 1 2 課題研究領(lǐng)域的國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 2 1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展 隨著電力電子技術(shù)的日益成熟 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn) 上個世紀(jì) 9 0 年代國際上幾個主要的設(shè)計公司如 a b b 西門子 阿爾斯通 s t n a t l a s 公司 在船舶電力推進(jìn)的開發(fā)方面展開了激烈的競爭 9 0 年代中期相繼在推進(jìn) 機(jī)械裝置上取得重大突破 各自推出了不同形式的吊艙結(jié)構(gòu) 1 9 9 0 年由芬蘭a b b 公司和k v a e r n e r m a s a 船廠聯(lián)合研制的a z i p o d 系統(tǒng)開創(chuàng)了吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的先河 進(jìn)入2 1 世紀(jì)以來 a z i p o d 系統(tǒng)又有了新的發(fā)展 然而目前我國的電力推進(jìn)技術(shù) 還處于起步階段 電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用并不廣泛 使用的新產(chǎn)品和船型不多 推 進(jìn)系統(tǒng)的全套設(shè)備一般都要由國外引進(jìn)組裝 核心技術(shù)仍掌握在外國公司手中 2 0 0 0 年 上海愛德華造船有限公司為瑞典公司建造了一艘1 9 5 0 0 噸化學(xué)品船 名為 柏勞斯佩拉 這是我國制造的首艘吊艙式電力推進(jìn)船舶 2 0 0 2 年廣船國 際為c o s c o 建造的1 8 0 0 0 噸級半潛船 泰安口 是中國建造的第二艘電力推 進(jìn)船舶 采用兩套s s p 吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng) 由德國s i m e n s 公司和s c h o t t e l 公 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 司聯(lián)合研制 采用雙螺旋槳形式 分別裝在一加長軸的兩端 轉(zhuǎn)向相同 吊艙尺 寸不超過螺旋槳直徑的3 0 4 0 設(shè)有船艏側(cè)推器兩套 每套功率8 0 0 k w 泰安口 號的姐妹船 康盛口 號也采用了電力推進(jìn)方式 2 o 本課題的展開 有利于國內(nèi)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究 可大大降低研究成本 為系統(tǒng)的測試過程提供更多的便利 1 2 2 電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù) 進(jìn)入9 0 年代電力電子器件的研究和開發(fā)已進(jìn)入高頻化 標(biāo)準(zhǔn)模塊化 集成化和智能時代 理論和試驗證明電氣產(chǎn)品的體積與質(zhì)量反比于供電頻率的平方根 頻率提高對其 設(shè)備的制造省材 運(yùn)行節(jié)能和系統(tǒng)性能改善意義十分深遠(yuǎn) 電力電子器件高頻化 是其創(chuàng)新的主導(dǎo)方向 硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊是器件發(fā)展的必然趨勢 目前先進(jìn)的 模塊已經(jīng)包括開關(guān)元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內(nèi)及驅(qū)動保護(hù)電路多個 單元 并都以標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)出系列產(chǎn)品 在一致性與可靠性上達(dá)到極高的水平 現(xiàn)日本三菱 東芝及美國的國際整流器公司已有成熟的i p m 智能化功率模塊產(chǎn) 品推出 3 o 電力電子技術(shù)隨著新元器件的研發(fā)及現(xiàn)代計算機(jī) 控制技術(shù)的迅速發(fā)展而應(yīng) 用領(lǐng)域更加廣泛 應(yīng)用性能更加完善可靠 并引起了電力系統(tǒng)的重大變革 新的 大功率電力電子器件的研發(fā)和應(yīng)用將成為2 1 世紀(jì)電力研究的前沿 1 2 3 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 2 0 世紀(jì)6 0 7 0 年代 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 使得采用電力電子變換器 的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn) 特別是大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制的出現(xiàn) 使高性 能變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生 為了改善交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能 2 0 世紀(jì)8 0 年代 交流調(diào)速已處于與直流調(diào)速相抗衡的地位 交一交變頻調(diào)速 交一 直一交變頻調(diào)速 正弦波脈寬調(diào)制 s p w m 變頻調(diào)速 空間電壓矢量變頻調(diào)速 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等系統(tǒng)飛速發(fā)展 我國從2 0 世紀(jì)9 0 年代開始 交流變頻 調(diào)速裝置的研發(fā)有了迅速發(fā)展 由于變頻調(diào)速具有良好的動態(tài)響應(yīng) 調(diào)速精度高 通信功能強(qiáng) 工作效率較以往的交流調(diào)速方式更高 可以預(yù)見 在電氣傳動領(lǐng)域 變頻調(diào)速將會取代直流調(diào)速1 4 j 隨著各種控制策略的不斷提出 對電力電子器件及可高速處理復(fù)雜控制規(guī)律 2 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 的處理器的要求越來越高 因此具有高頻開關(guān)特性的電力電子器件以及高速數(shù)字 處理器成為高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ) 1 2 4 數(shù)字控制器的發(fā)展 數(shù)字控制技術(shù)是自動控制理論和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 交流電機(jī)的數(shù)字 控制系統(tǒng)包括信號的測量 濾波 整形 核心算法的實時完成及驅(qū)動信號的產(chǎn)生 系統(tǒng)的監(jiān)控 保護(hù)等功能 早期用于電機(jī)控制的數(shù)字控制器是各種類型的單片機(jī) 如i n t e l 公司的5 1 系 列和1 9 6 系列單片機(jī) 特別是8 0 c 1 9 6 m c 具有片內(nèi)波形發(fā)生器 w f g 可產(chǎn)生 3 對獨立的p w m 信號 適合于交流電機(jī)控制 但是當(dāng)需要大量數(shù)據(jù)計算處理或 浮點運(yùn)算 對快速性要求較高時 單片機(jī)則無法滿足需求 為了進(jìn)一步提高運(yùn)算 速度 8 0 年代初出現(xiàn)了數(shù)字信號處理器 d s p 使很多功能和算法可以采用軟 件技術(shù)來完成 為交流電機(jī)的控制提供了更大的靈活性 并使系統(tǒng)能夠達(dá)到更高 的性能 目前最常用的是德州儀器公司 t i 的t m s 3 2 0 系列d s p 9 0 年代t i 公司推出了一種專門用于數(shù)字電機(jī)控制 d m c 的d s p 產(chǎn)品 t m s 3 2 0 f c 2 4 x 系列 大大提高了運(yùn)算速度 可用于對快速性和實時性要求很高的控制 引 1 2 5 通訊技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場 微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點 數(shù)字通信的系統(tǒng) 也被稱為開放式 數(shù)字化 多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò) 它在制 造業(yè) 流程工業(yè) 交通等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景 現(xiàn)場總線是 2 0 世紀(jì)8 0 年代中期在國際上發(fā)展起來的 它實現(xiàn)了現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互連通 信網(wǎng)絡(luò) 溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián) 系 c c l i n k 是三菱公司在f a 領(lǐng)域中開發(fā)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò) 其最大通訊速度可達(dá) 1 0 m 掃描時間不超過4 m s 6 可靠性高 實時性強(qiáng) 串口通信技術(shù)也是現(xiàn)代系統(tǒng)通訊中常用的通訊方式之一 可方便地實現(xiàn)p c 機(jī)與下行設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 1 3 課題主要研究內(nèi)容 本課題主要完成了以下一些工作 船舶電力推進(jìn)裝置仿真的構(gòu)建 依據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)本課題的研究目的及要求 構(gòu)建船 舶電力推進(jìn)裝置仿真系統(tǒng) 以交流異步電機(jī)代替船舶螺旋槳負(fù)載 根據(jù)設(shè)計要求 完成設(shè)備的選型與采購 繪制設(shè)備接線圖 完成設(shè)備安裝 螺旋槳仿真電機(jī)控制策略 根據(jù)船舶螺旋槳及異步電動機(jī)的工作特性 實驗測得本課題異步電機(jī)機(jī)械特 性 參考某艇螺旋槳參數(shù) 推導(dǎo)并確定本課題螺旋槳仿真電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 依據(jù) 此數(shù)學(xué)模型 應(yīng)用d s p 對仿真電機(jī)進(jìn)行交流變頻調(diào)速控制 實現(xiàn)模擬螺旋槳特 性的目標(biāo) 船舶電力推進(jìn)裝置仿真實時監(jiān)控設(shè)計 本課題利用現(xiàn)場總線及串口通信技術(shù)實現(xiàn)船舶電力推進(jìn)裝置間的實時數(shù)據(jù) 傳輸 在上位p c 機(jī)的w i n d o w s 操作系統(tǒng)中 使用v i s u a lb a s i c 軟件開發(fā)船舶電 力推進(jìn)裝置仿真實時監(jiān)控人機(jī)友好界面 并對此實時監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試 4 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 第二章船舶電力推進(jìn)裝置仿真總體設(shè)計 2 1 船舶電力推進(jìn)裝置仿真結(jié)構(gòu) 船舶電力推進(jìn) 通常是由原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電 然后直接或經(jīng)變流器給推 進(jìn)電動機(jī)供電 由推進(jìn)電機(jī)帶動推進(jìn)器旋轉(zhuǎn) 使船舶運(yùn)動 目前的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由驅(qū)動用電動機(jī) 螺旋槳和變速控制系統(tǒng)三部 分組成 驅(qū)動用電動機(jī)主要有兩種 同步電動機(jī)和鼠籠式感應(yīng)電動機(jī) 同步電動 機(jī)用于低速傳動 它可以和螺旋槳直接相連 鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)則用于中高速傳 動 額定轉(zhuǎn)速范圍在9 0 0 一1 8 0 0 r m i n 它和螺旋槳之間通常需經(jīng)減速裝置連接 針對這兩種不同的電動機(jī)開發(fā)出兩種相應(yīng)的變速控制系統(tǒng) 7 1 電網(wǎng) 圖2 1 船舶電力推進(jìn)裝置原理結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)狀態(tài)顯示 控制指令發(fā)送 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定 依據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)本課題的研究目的及要求 設(shè)計了 船舶電力推進(jìn)裝置仿真 仿真系統(tǒng)中以交流異步電機(jī)代替真實螺旋槳負(fù)載 原理 結(jié)構(gòu)圖如圖2 1 仿真裝置由d s p 電機(jī)控制模塊 控制螺旋槳仿真電機(jī) 變頻 器 控制推進(jìn)電機(jī) 螺旋槳仿真電機(jī) 推進(jìn)電機(jī) 上位p c 機(jī) 實時監(jiān)控系統(tǒng) 等部分組成 其中螺旋槳仿真電機(jī)控制部分采用目前使用較為廣泛 數(shù)據(jù)處理能 力強(qiáng)的d s p 數(shù)字控制器 以實現(xiàn)對螺旋槳仿真電機(jī)的交流變頻調(diào)速控制 實時 監(jiān)控系統(tǒng)部分采用了具有更高實時性 可靠性的c c l i n k 開放式現(xiàn)場總線技術(shù) 以實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)實時傳輸 使用r s 2 3 2 串口通訊完成上位計算機(jī)與d s p 主 站p l c 間的數(shù)據(jù)交互 除此之外 本系統(tǒng)還包括上位p c 機(jī) p l c 扭矩測量儀 觸摸屏 實船操縱臺等設(shè)備 上位p c 機(jī)通過r s 2 3 2 串行接口與主站p l c d s p 電機(jī)控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)交 互 應(yīng)用v i s u a lb a s i c 軟件開發(fā)船舶電力推進(jìn)人機(jī)友好監(jiān)控平臺 通過該監(jiān)控平 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 臺對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)置 對螺旋槳工況進(jìn)行設(shè)定 通過此平臺對船舶運(yùn)行狀 態(tài)進(jìn)行監(jiān)視及指令控制等 d s p 電機(jī)控制板通過上位p c 機(jī)獲得螺旋槳轉(zhuǎn)速 螺 旋槳設(shè)定工況等相關(guān)參數(shù)后 根據(jù)螺旋槳仿真電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 對仿 真電機(jī)進(jìn)行交流調(diào)速 模擬該工況螺旋槳工作特性 同時將螺旋槳相關(guān)參數(shù)反饋 給上位p c 機(jī) 主站p l c 通過c c l i n k 現(xiàn)場總線將操縱臺和上位計算機(jī)發(fā)送的 控制指令傳輸?shù)阶冾l器與分站p l c 完成對推進(jìn)電機(jī)的控制及觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控 功能 同時變頻器與分站p l c 通過現(xiàn)場總線將推進(jìn)電機(jī)及觸摸屏的工作狀態(tài)傳 送回上位計算機(jī)和操縱臺 2 2 硬件設(shè)計及選型 1 d s p 電機(jī)控制板 針對控制對象 交流異步電機(jī) 本課題選用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片 此芯片是電機(jī)控制專用芯片 具有高效可編程的電機(jī)控制功能 可實現(xiàn) 三相反相器控制 p w m 的對稱和非對稱波形 可編程的p w m 死區(qū)控制等 5 1 與此相配置了電機(jī)驅(qū)動專用預(yù)驅(qū)動芯片和高達(dá)6 0 a 的m o s f e t 管 驅(qū)動異步電 機(jī) 根據(jù)課題設(shè)計要求 控制板還包括已采用光電隔離高達(dá)1 0 m b p s 的r s 2 3 2 接口 可與上位計算機(jī)進(jìn)行串口通信 考慮到軟件的編譯和調(diào)試 本電機(jī)控制板 帶有i e e e l l 4 9 1 j t a g 插座 供程序編譯下載及系統(tǒng)調(diào)試 2 p l c 本系統(tǒng)有豐富的狀態(tài)顯示及控制功能 其中包括推進(jìn)電機(jī) 螺旋槳仿真電機(jī) 電壓 電流的顯示 系統(tǒng)主電源 冷卻系統(tǒng)電源 通訊狀態(tài) 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示 車鐘對推進(jìn)電機(jī)的速度控制 手動加減負(fù)載控制等等 根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號的 類型及點數(shù) 本課題選擇型號為三菱f x 2 n 3 2 m r 的可編程控制器 8 作為主站及 分站p l c 3 推進(jìn)電機(jī) 螺旋槳仿真電機(jī) 本課題是在實驗室環(huán)境下設(shè)計船舶電力推進(jìn)裝置仿真 選擇了容量較小的電 機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳仿真電機(jī) 推進(jìn)電機(jī)與仿真電機(jī)均采用同一型號帶編碼 6 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 器的交流異步電機(jī) 額定功率為0 7 5 k w 星形連接額定電壓3 8 0 v 額定電流 2 9 4 a 型號為i a g l l 2 m 4 5 0 0 7 5 1 9 1 4 變頻器 本課題采用變頻器對推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制 根據(jù)控制對象推進(jìn)電機(jī)的額定 功率及實驗室電網(wǎng)情況 選擇型號為三菱的f r a 5 0 0 多功能通用型變頻器 f r a 5 0 0 的功能范圍是0 4 8 0 0 k w 4 0 0 v 級 采用先進(jìn)磁通失量控制方式 調(diào)速比可達(dá)1 1 2 0 0 5 6 0 h z 完全滿足推進(jìn)電機(jī)控制要求 并且具有可拆卸式風(fēng) 扇和接線端子 維護(hù)方便 柔性p w m 可實現(xiàn)更低噪音運(yùn)行 同時此型號變頻器 的p i d 等多種功能適合各種應(yīng)用場合 1 0 5 上位p c 機(jī) 考慮到船舶工作環(huán)境比較惡劣 如油污大 濕氣重 震動厲害等等 本課題 選擇工控機(jī)作為上位p c 機(jī) 型號是n o r c o 品牌的p c 5 0 0 工控機(jī)機(jī)箱采用鋼 結(jié)構(gòu) 有較高的防磁 防塵 防沖擊的能力 機(jī)箱內(nèi)有專用底板 底板上有p c i 和i s a 插槽 機(jī)箱內(nèi)有專門電源 電源有較強(qiáng)的抗干擾能力 可連續(xù)長時間工 作 6 扭矩儀 本課題采用型號為n j 0 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 安裝在推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳仿真 電機(jī)的傳動軸上 采集螺旋槳仿真電機(jī)扭矩 同時在上位計算機(jī)中配置相應(yīng)的轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)速測量卡 型號為t c 1 i s a 1 1 進(jìn)行扭矩 轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集 扭矩測量精度 為 0 1 轉(zhuǎn)速測量精度 0 1 7 實船操縱臺 本課題根據(jù)船舶操縱環(huán)境 設(shè)計了實船操縱臺 包括車鐘 儀表 系統(tǒng)狀態(tài) 指示燈 系統(tǒng)控制按鈕 上位機(jī)顯示器 鼠標(biāo) 鍵盤等 實船操縱臺真實模擬了 船舶運(yùn)行操縱的情況 通過車鐘對推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度及方向 前進(jìn)或后退 的控 制 船速從停止到全速共分5 檔有級調(diào)速 操縱臺上的儀表清楚顯示推進(jìn)電機(jī)與 7 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 螺旋槳仿真電機(jī)的當(dāng)前的工作電流及轉(zhuǎn)速 系統(tǒng)狀態(tài)指示燈顯示系統(tǒng)主電源開 關(guān) 冷卻系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài) c c l i n k 現(xiàn)場總線 r s 2 3 2 串口通訊的通訊狀態(tài) 通 訊正常 不正常 系統(tǒng)p l c 運(yùn)行狀態(tài)等 系統(tǒng)控制按鈕可控制主電源通斷 冷 卻系統(tǒng)開關(guān) 本地控制及遠(yuǎn)程控制的選擇等 上位機(jī)顯示器主要顯示船舶電力推 進(jìn)仿真系統(tǒng)人機(jī)友好監(jiān)控平臺 可通過此平臺對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視與控制 同時 通過此平臺進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 螺旋槳工況設(shè)定等 鼠標(biāo)和鍵盤是上位p c 機(jī)的 輸入接口 實船操縱臺實物圖可參見附錄 8 通訊設(shè)備 由于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)要求其監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的實時性 可靠性 本課題 采用c c h n k 現(xiàn)場總線及串口通信進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信 c c l i i l l 是三菱公司在f a 領(lǐng)域中開發(fā)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò) 其最大通訊速度可達(dá)1 0 m 掃描時間不超過4 m s 可實 現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備間的實時數(shù)據(jù)傳輸 要實現(xiàn)c c l i n k 通訊 需對每個設(shè)備配置通訊模 塊 主站p l c 選擇型號為f x 2 n 1 6 c c l m 的c c l i n k 主站模塊 變頻器配備型 號為f r a s n c 通訊模塊 分站p l c 配備f x 2 n 3 2 c c l 通訊模塊 1 2 r s 2 3 2 接口是目前最常用的串口通信接口 使不同設(shè)備可以方便的與計算 機(jī)連接起來 上位計算機(jī)與d s p 上位計算機(jī)與主站p l c 之間均采用r s 2 3 2 串 口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 主站p l c 配置r s 2 3 2 串口通信模塊 型號為 f x 2 n 2 3 2 b d j d s p 使用自帶的s c i 模塊實現(xiàn)與p c 機(jī)的串口通信 9 觸摸屏 本系統(tǒng)觸摸屏選擇高性能 長壽命的三菱觸摸屏 可適應(yīng)船舶較為惡劣的運(yùn) 行環(huán)境 型號為a 9 g t r s 4 8 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 第三章螺旋槳仿真電機(jī)數(shù)學(xué)建模 本課題采用交流異步電機(jī)代替真實船用螺旋槳 模擬螺旋槳工作特性 因此 對螺旋槳的工作特性及異步電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行研究是非常有必要的 本章就螺 旋槳數(shù)學(xué)模型和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的描述 并根據(jù)螺旋槳及異步電機(jī) 的工作特性及相關(guān)實驗數(shù)據(jù) 對螺旋槳仿真電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 使仿真電機(jī)可真 實復(fù)現(xiàn)螺旋槳工作特性 3 1 螺旋槳數(shù)學(xué)模型 1 4 1 螺旋槳負(fù)載模型 船舶航行中 螺旋槳的推力是主控力 用來克服水的阻力 維持船舶的操縱 運(yùn)動 螺旋槳被安裝在船后工作時將與船體之間產(chǎn)生相互干涉 所以船槳系統(tǒng)中 包括推進(jìn)裝置的旋轉(zhuǎn)部分和船的直線運(yùn)動兩個慣性體系即轉(zhuǎn)動和平動系統(tǒng) 螺旋槳在水中回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的推力丁 當(dāng)其方向與船舶前進(jìn)方向相同時 就推 動船舶前進(jìn) 反之即為負(fù)推力 拖動船舶倒退 螺旋槳在水中回轉(zhuǎn)時受到的阻力 矩q 的作用方向與螺旋槳的回轉(zhuǎn)方向相反 因此 為使螺旋槳能以給定的轉(zhuǎn)速 z 旋轉(zhuǎn) 必須由推進(jìn)電機(jī)供給螺旋槳以克服阻力矩的有效力矩 才能發(fā)出所需的推 力丁 其所作的有用功率丁 而吸收的推進(jìn)電機(jī)功率昂為幼 z q 螺旋槳的推力可表示為 r k p n 2 d 4 3 1 螺旋槳的扭矩可表示為 q k d 腫2 d 5 3 2 式中 p 是海水密度 單位為磁 s 2 m 4 l 是螺旋槳轉(zhuǎn)速 單位為 s d 是螺旋槳直徑 單位為m 硨 砭分別是螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù) 它們均是進(jìn)速比 的函數(shù) 螺旋槳的進(jìn)速比是描述船舶運(yùn)動狀態(tài)的一個重要參數(shù) 它代表螺旋槳回轉(zhuǎn)一 9 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 周的軸向進(jìn)程k 與槳徑d 的比值 以 表示 若螺旋槳以單位時間回轉(zhuǎn)咒周的話 則 h p n 故 生 豎 3 3 dn d 由上式可知 對槳徑d 已定的螺旋槳 進(jìn)速比j 將隨螺旋槳的進(jìn)速巧和它 的轉(zhuǎn)速 l 而變化 對于幾何參數(shù)一定的螺旋槳 推力系數(shù)硨 扭矩系數(shù) 都是 進(jìn)速比j 的函數(shù) 在敞水條件下巧 屹與j 的關(guān)系被稱為螺旋槳的敞水特性 航行中的船舶受到海面情況的變化引起船體阻力的變化以及機(jī)動操作的需要 螺 旋槳的進(jìn)速咋或轉(zhuǎn)速 z 將變化 則進(jìn)速比 發(fā)生變化 由于硨和磁隨 而變 因此螺旋槳的推力丁和轉(zhuǎn)矩q 也在變化 考慮到在螺旋槳工作時 船對槳及槳對船都會有影響 任何一個因素都會影 響到船槳的工作 因此引入兩個系數(shù) 根據(jù)船對槳的影響 引入了伴流系數(shù) 根據(jù)槳對船的影響 引入了推力減額系數(shù)t 伴流系數(shù) 1 一孝v 推力減額系數(shù) f 丁a t 3 4 3 5 其中 k 是船舶航速 螺旋槳設(shè)計完成 船的航態(tài)一定時 船舶航速與螺旋槳轉(zhuǎn) 速成比例對應(yīng)關(guān)系 z 是為了克服槳的吸水作用產(chǎn)生的阻力而增加的推力 船舶穩(wěn)定航行時 在一個較小范圍內(nèi)變動 大約在0 6 至o 8 之間波動 在動態(tài)時 圪與玎都會有大幅度的變化 也會隨之有大幅度變化 當(dāng) l o 時 一 因此定義 壑竺堅 3 6 j j u 4 v s 2 1 一 2 以2 d 2 硨 硨 1 一a r 2 3 7 如 1 j 2 3 8 1 0 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 則改進(jìn)后的推力和扭矩表達(dá)式變?yōu)?t 硨 p d 2 瑤 1 一 2 j 匕 q 砭 p d 秒s 2 1 w 2 j 2 i 與進(jìn)速比 的函數(shù)關(guān)系如下 1n 0 且 o 2 害二 l 1 z o 且 o 建立船槳系統(tǒng)的運(yùn)動方程如下 k m v s t 1 一t r t 群 p d 2 曙 1 一 2 j 哩 q p d 3 v 孑0 c o 2 j 它 r f 式中 m 是船體質(zhì)量 k 是附水系數(shù) t 是推力減額系數(shù) 尺 是船舶所受阻力 f 是阻力系數(shù) 將在后文船舶阻力特性一節(jié)進(jìn)行研究 3 9 3 1 0 3 1 1 3 1 2 3 9 3 1 0 3 1 3 圖3 1 船槳數(shù)學(xué)模型 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 在給定初始船速情況下 j 硨 可由式 3 6 3 7 3 8 求得 1 5 船舶參數(shù)如船體質(zhì)量 海水密度等可根據(jù)實船實驗數(shù)據(jù)設(shè)定 船 槳數(shù)學(xué)模型見圖3 1 2 螺旋槳扭矩特性 螺旋槳特性指的是螺旋槳轉(zhuǎn)矩 功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線 即m f n p f n 曲線 最常用到的是下面三條典型特性曲線 自由航行特性m 廠o e 0 lj 0 膨 廠 d 0 m 0 鄉(xiāng)蘭一 曠 o 巧 墨 巧 在自由航行特性上螺旋槳 每個轉(zhuǎn)速 z 對應(yīng)有不同的航速 而在系纜特性上 航速總為零 即嵋 0 在大 風(fēng)浪中逆風(fēng)航行時阻力很大 可能接近這種情形 當(dāng)船舶靜止時起動螺旋槳 螺 旋槳阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線就是一條系纜特性 反轉(zhuǎn)特性m 廠 當(dāng)航速不變時 螺旋槳反轉(zhuǎn)過程中其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線m f n 稱為 螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲線 螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線如圖3 3 所示 圖上表示的正值轉(zhuǎn) 速是螺旋槳正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 負(fù)值則為螺旋槳反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 值得注意的是 螺旋槳本身的反轉(zhuǎn)與船舶倒車是有很大區(qū)別的 為使船舶倒 車 必先使螺旋槳反轉(zhuǎn) 螺旋槳反轉(zhuǎn)時間甚短 以s 計 但船舶倒車所需時間甚 長 是以m i n 來計算的 二者在過渡過程中的時間 后者是前者的1 0 0 一1 5 0 倍 因此可以認(rèn)為 在船舶倒車的一定階段上 船舶還是幾乎以全速繼續(xù)航行 盡管 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 螺旋槳這時已經(jīng)在后退方向旋轉(zhuǎn)了 假如螺旋槳在船舶航速為零的情況下進(jìn)行反 轉(zhuǎn) 則其反轉(zhuǎn)特性曲線為一根相互對稱的曲線 此時反轉(zhuǎn)特性與系纜特性將重合 為一 如圖3 3 中曲線1 所示 如果螺旋槳在其他船舶航速的情況下進(jìn)行反轉(zhuǎn) 則其反轉(zhuǎn)特性曲線是一根相互不對稱的曲線 在這些相互不對稱的曲線上都將具 有這樣的一些特性 即當(dāng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速維持為正值時 在它們的個別線段上將出 現(xiàn)負(fù)的轉(zhuǎn)矩 如曲線3 的b c d 段所示 并且在一定轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)最大值 如c 點 負(fù)的制動轉(zhuǎn)矩 也即螺旋槳負(fù)值轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)說明了由于船舶繼續(xù)向前推進(jìn)而螺旋 槳在水壓的作用下將力圖維持原先的旋轉(zhuǎn)方向 這時螺旋槳不再作推進(jìn)器的工 作 而是開始作水力電動機(jī)的工作 門多 形 v l 1 m i l e 一 圖3 3螺旋槳反轉(zhuǎn)特性 倒車時 螺旋槳制動轉(zhuǎn)矩大小與船舶前進(jìn)速度有關(guān) 若船舶前進(jìn)速度原來很 高 則螺旋槳的負(fù)制動轉(zhuǎn)矩也很高 比較曲線2 和3 可證明這一點 曲線2 對應(yīng) 于船速k 0 6 v 曲線3 則對應(yīng)于全船速 即k k k 為額定船速 在螺旋 槳的反轉(zhuǎn)過程中 船速當(dāng)然不會始終保持不變 而是逐漸降低 因此螺旋槳的扭 矩不是按照一條確定的特性曲線變化 而是由下方特性逐漸向上方特性過渡 3 螺旋槳敞水特性 螺旋槳的敞水特性是指未安裝到船上的處于開放環(huán)境中的螺旋槳的特性 螺 旋槳的敞水特性通常都是用圖譜來表示 圖譜中包括硨 j 兩種特性 曲線 圖3 4 中只給出了巧 特性曲線 它與 j 特性的性質(zhì)相類似 故不 再畫磁 j 曲線 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時 一般船舶的k 與 l 的比值在一個較小的范圍 1 4 型塑塾塹燮墨笪塞嬰壅 一 k 下 礦p o n o x v 一l 礦p 0 么 7 眾 圖3 4 螺旋槳敞水特性曲線 內(nèi)變動 因此巧 砭 特性曲線只畫在第一象限 其中 的下限為零 上限大約在1 的上下 可是在動態(tài)時 與 l 都會有大幅度的變化 正倒航時圪 的符號相反 正倒車時 z 的符號相反 動態(tài)過程中 匕與 l 的變化并不同步 因 此 有較大的變化范圍 當(dāng)螺旋槳已倒轉(zhuǎn)但船尚未倒航時 又為負(fù)值 所以此 時螺旋槳特性曲線應(yīng)該畫在四個象限內(nèi) 圖中走向由左上至右下的曲線族對應(yīng) z 為正轉(zhuǎn)的特性 其在第一象限部分對應(yīng)螺旋槳推船前進(jìn)狀態(tài) 其在第二象限部分 對應(yīng)船舶轉(zhuǎn)變?yōu)榈雇诉\(yùn)行狀態(tài) 其在第四象限部分對應(yīng)螺旋槳成為水輪機(jī)工作運(yùn) 行狀態(tài) 在圖中另外一族走向由右上至左下的曲線族對應(yīng)擰為反轉(zhuǎn)的特性 其在 第四象限部分對應(yīng)螺旋槳推船倒退狀態(tài) 其在第三象限部分對應(yīng)船舶由倒航轉(zhuǎn)變 為正向航行狀態(tài) 其在第一象限部分對應(yīng)螺旋槳成為水輪機(jī)工作狀態(tài) 由圖可見 硨 曲線都不是直線 隨 增大向下彎曲 般可認(rèn)為啄 礫曲線都近似 于拋物線 從而表示為 巧2k k 2 3 1 8 k q 更o 躉j 躉 2 3 1 9 式中系數(shù) k k k o k 一1 砭可通過曲線擬合確定 對給定的螺旋槳 它們都是常系數(shù) 對于圖中向下彎曲的巧 砭特性來說 蔬 o k 心 k 1 k 2 0 在定常航行狀態(tài)下進(jìn)速比為常值 即螺旋槳運(yùn)行在圖3 4 中的 c 1 5 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 的某一工作點上 然而實際船舶在航行中 受到海面情況的變化 船體阻力的變 化等方面的影響 螺旋槳的進(jìn)速 或轉(zhuǎn)速 z 將發(fā)生變化 于是進(jìn)速比 也發(fā)生變 化 進(jìn)而引起螺旋槳推力和扭矩的變化 由此可見螺旋槳的敞水特性描述了槳在 各種工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)特性 根據(jù)此特性能仿真出船舶工作在任何運(yùn)行狀態(tài)下的螺旋 槳的工作特性 4 船舶阻力特性 實際上 槳裝船后 要考慮船的阻力特性 船舶在航行時 受到空氣和水這 兩種介質(zhì)的阻力 在正常的氣候及海況下 航速不高的船舶的空氣阻力 僅占總 阻力的2 3 船舶航行時的阻力特性主要是以分析船速及載量變化時水對船 舶的阻力的影響為依據(jù) 槳的工作點要滿足船的阻力和槳的推力達(dá)到平衡的要 求 船穩(wěn)定航行的工作點是船的阻力特性曲線與槳的有效推力特性曲線的交點 即t 1 一t r 船舶航行時的阻力按其產(chǎn)生的原因及阻力的性質(zhì)可分為摩擦阻 力 漩渦阻力和興波阻力 這三種阻力均隨航速k 的增加而增加 所以船舶的 總阻力 三種阻力合成 也隨船速的增加而增加 實船或船模的實驗表明 水對 船體的總阻力與航速的m 次方成正比 即 r 4 k 3 2 0 式中 尺 水對船體的阻力 n k 船速 k n 凡 阻力系數(shù) 與船體線型 排水量 污底程度 拖帶 航道及海情等因素 有關(guān) m 指數(shù) 對于航速不高的民用船舶來說 可取m 2 對水翼船及滑行艇可 參考有關(guān)資料 若航速為k 時其船體總阻力為r 則直接用于克服船體阻力所需的功率只 為 p w l 3 2 1 4 1 9 4 3 1 6 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 就船的穩(wěn)定航行狀態(tài)而言 船的總阻力尺 也是基本與航速v 的平方成比例 的 可寫成 r 4 k 2 3 2 2 由此可見 要達(dá)到有效推力與阻力平衡 船速與槳轉(zhuǎn)速必成比例 螺旋槳必 工作在某一 常數(shù)的特性上 對同一條船來說 其倒退航行阻力比前進(jìn)航行阻力大得多 要達(dá)到穩(wěn)定倒航 槳的進(jìn)速比將要明顯小于前進(jìn)穩(wěn)定航行時的進(jìn)速比 與此相應(yīng) 螺旋槳反轉(zhuǎn)時的 阻轉(zhuǎn)矩自然也要增大 5 螺旋槳推進(jìn)器效率 由以前的分析可知 螺旋槳的敞水效率為 旦 tvs 1 oj r 3 2 3 一 一 j 么j 2 n n m p2 r m m t 當(dāng)槳裝船后 設(shè)船的總阻力為尺 船尾螺旋槳的效率為 叩 淼一面p 1 t 魯 一pvpi 嵩 伽繹 3 2 4 一 一 珈協(xié) j 么斗 擁m p 鋤脅1 一 擁脅1 一 式中 繹 三 為船身效率 螺旋槳收到功率只 通過自身在流體場中的作用 發(fā)出克服船體阻力所需的 有效功率只 即 0 伽咿孕 耳r t 最 3 2 5 式中 r 為相對旋轉(zhuǎn)效率 咖為船身效率 伽為螺旋槳敞水效率 協(xié)為螺旋 槳在船后實際所產(chǎn)生的推進(jìn)效率 由于伴流在螺旋槳盤面上的分布不均勻 對螺 旋槳的效率也有影響 其數(shù)值體現(xiàn)在相對旋轉(zhuǎn)效率咿上 其值約為0 9 7 1 0 5 3 2 異步電機(jī)機(jī)械特性 1 6 根據(jù)異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路可知 當(dāng)異步電機(jī)帶負(fù)載t l 穩(wěn)定運(yùn)行時 有 瓦 瓦鍛 2 麗方 2 6 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 式中 只為異步電機(jī)極對數(shù) s 為轉(zhuǎn)差率 當(dāng)s 很小時 式 3 2 6 可以簡化為 只 s 礦o s s 3 2 7 當(dāng)s 接近于1 時 忽略式 3 2 7 中的分母尺 時 則該式可以簡化為 w 只阿而麗w s r r o c 詈 2 8 所以 在s 很小時 轉(zhuǎn)矩近似與s 成正比 在s 接近于1 時轉(zhuǎn)矩近似與s 成反比 可以得出機(jī)械特性如圖3 5 所示 n n o n l n 2 0 圖3 5 異步電機(jī)的機(jī)械特性 n o 墮 3 2 9 2 葡 z s 刀 6 0 s w s 3 3 0 2 x e 菊 3 1 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 是基本不變的 這就是說 在恒壓頻比條件下改變頻率時 機(jī)械特性基本上是平 行下移的 如圖3 6 所示 r l o n n 0 3 0 2 o l 0 性 毛 圖3 6 恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機(jī)械特性 但當(dāng)u c o 為恒值時 最大轉(zhuǎn)矩乙 隨角頻率c o s 的降低而減小 頻率很低 時 乙 太小 將限制調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載能力 這時需要采用定子壓降補(bǔ)償 適 當(dāng)提高璣 可以提高負(fù)載能力 3 3 螺旋槳仿真電機(jī)數(shù)學(xué)建模 1 單軸拖動系統(tǒng)的特性 根據(jù)2 2 1 節(jié)船舶電力推進(jìn)裝置仿真結(jié)構(gòu)圖可知 模擬螺旋槳特性的仿真電 機(jī)即是負(fù)載電機(jī) 產(chǎn)生和螺旋槳相同的負(fù)載扭矩 與推進(jìn)電機(jī)共同構(gòu)成單軸拖動 系統(tǒng) 運(yùn)動方程式 1 7 為 r 一正 壁一d n 3 3 2 3 7 5d t 式中 t 為推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 z 為仿真電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 g d 2 為軸上的總飛輪矩 它包括電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身的飛輪矩啷和軸上負(fù) 載飛輪矩g d 1 9 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 本課題對螺旋槳的運(yùn)行情況做了適當(dāng)簡化 根據(jù)式 3 3 2 可知 當(dāng)轉(zhuǎn)速n 恒定不變時 即勻速狀態(tài)下 運(yùn)動方程式可化減為 z t 0 3 3 3 即推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于仿真電機(jī)轉(zhuǎn)矩 2 仿真電機(jī)機(jī)械特性的測定 本課題研究的船舶電力推進(jìn)裝置仿真中 模擬螺旋槳特性的仿真電機(jī)與推進(jìn) 電機(jī)采用同型號交流異步電機(jī) 因此對推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行試驗 測定的機(jī)械特性即為 仿真電機(jī)的機(jī)械特性 根據(jù)3 2 節(jié)異步電機(jī)機(jī)械特性可知 當(dāng)s 很小時 轉(zhuǎn)矩近似與s 成正比 如 圖3 5 所示 a c 段可視為直線 設(shè)a c 段斜率為k 取a o n 為空載轉(zhuǎn) 速點 b 互 n 為轉(zhuǎn)速 z 轉(zhuǎn)矩五 c 互 l 為轉(zhuǎn)速 l 轉(zhuǎn)矩疋 可列出 以下等式 r a k n 1 一 z o 3 3 4 乏 k n 2 一 l o 3 3 5 為減小誤差 將式 3 3 4 式 3 3 5 相減 可得 k 生量 3 3 6 z 2 一 z 1 算出斜率k 即可得出空載轉(zhuǎn)速為n 時 異步電機(jī)的機(jī)械特性近似線性段部分 本課題采用扭矩儀測量電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩 得出如表3 1 所示實驗數(shù)據(jù) 為 某給定空載轉(zhuǎn)速下 改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一組轉(zhuǎn)速 扭矩實驗數(shù)據(jù) 表3 1 推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩實驗數(shù)據(jù) 序號轉(zhuǎn)速n r m i n 扭矩t n 皿 11 7 4 30 6 7 5 2 1 6 5 41 1 6 3 根據(jù)式 3 3 6 計算得出斜率k 一o 0 5 5 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 3 螺旋槳參數(shù)設(shè)定 根據(jù)3 1 節(jié)螺旋槳的數(shù)學(xué)模型 設(shè)定好預(yù)模擬的螺旋槳參數(shù)后 根據(jù)船槳運(yùn) 動方程 參考實船數(shù)據(jù)進(jìn)行計算 得出j 巧 砭等值 從而確定螺旋槳特性 曲線 1 8 本課題參照的某實船數(shù)據(jù)如表3 2 表3 2 某艇螺旋槳裝船后 穩(wěn)定航行 的數(shù)據(jù) v s m s 0 5 1 50 7 7 21 0 31 2 8 51 5 4 51 9 5 52 0 62 2 6 5 n r s 0 3 6 10 5 3 6 0 7 1 60 8 9 1 1 0 7 1 3 4 51 4 2 1 5 6 j0 6 1 80 6 2 2 0 6 2 3 0 6 2 50 6 2 60 6 2 80 6 2 80 6 2 9 k r 0 2 5 6 70 2 5 5 10 2 5 4 70 2 5 3 90 2 5 3 50 2 5 2 70 2 5 2 70 2 5 2 3 k o 0 0 4 4 30 0 4 4 20 0 4 4 20 0 4 4 10 0 4 4 10 0 4 40 0 4 40 0 4 4 4 仿真電機(jī)數(shù)學(xué)建模 根據(jù)電力拖動理論 推進(jìn)電機(jī)工作在第一象限時 仿真電機(jī)工作在第二象限 圖3 7 中曲線1 是 給定時螺旋槳工作特性 曲線2 是推進(jìn)電機(jī)機(jī)械特性 曲 線3 是仿真電機(jī)機(jī)械特性 假設(shè)螺旋槳在某設(shè)定工況下勻速運(yùn)行 轉(zhuǎn)速為n 根據(jù)3 1 節(jié)船槳運(yùn)動方程 計算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩 此處記為m 此時推進(jìn)電機(jī)機(jī)械特性與螺旋槳工作特性交 工作特性 圖3 7 螺旋槳仿真電機(jī)機(jī)械特性 于a m n 根據(jù)單軸拖動系統(tǒng)運(yùn)行方程式 3 3 2 可知 仿真電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn) 2 1 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 矩應(yīng)與推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小相等 方向相反 即仿真電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為一m 仿真 電機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等 方向相同 即仿真電機(jī)轉(zhuǎn)速為 工作在c 一 m l n 1 根據(jù)3 2 節(jié)異步電機(jī)機(jī)械特性可知 性基本上是平行下移的 如圖3 7 所示 行的直線 列出等式 n o 一 z 1 n 1 一n 0 在恒壓頻比條件下改變頻率時 機(jī)械特 可以近似認(rèn)為a b 段與c d 段為相互平 由式 3 3 4 可知 推進(jìn)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速 l 刀 m l 庀 將式 3 3 8 代入式 3 3 7 中得 仿真電機(jī)空載轉(zhuǎn)速 仃 一t m l 確定螺旋槳仿真電機(jī)的工作特性 5 螺旋槳仿真電機(jī)控制方法 3 3 7 3 3 8 3 3 9 由于船舶螺旋槳轉(zhuǎn)速低 因此對仿真電機(jī)調(diào)速采用基頻以下恒壓頻比控制 根據(jù)仿真電機(jī)數(shù)學(xué)模型可知 當(dāng)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n 即螺旋槳仿真電機(jī)轉(zhuǎn)速為n 時 可計算出仿真電機(jī)此狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩m 空載轉(zhuǎn) g n 將m z 代入式 3 2 9 推出仿真電機(jī)定子頻率織關(guān)于仿真電機(jī)轉(zhuǎn)速 l 的關(guān)系式 2 a z p n a 一警 j 一 3 4 0 6 u 通過改變仿真電機(jī)定子頻率 恒壓頻比條件下 即可使螺旋槳仿真電機(jī)工作在設(shè) 定的螺旋槳轉(zhuǎn)速 扭矩 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 第四章基于d s p 的螺旋槳仿真電機(jī)控制 第三章已對螺旋槳仿真異步電機(jī)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行了研究 并根據(jù)該數(shù)學(xué)模型提 出螺旋槳仿真電機(jī)的控制方法 第四章將在此基礎(chǔ)上對螺旋槳仿真電機(jī)調(diào)速控制 進(jìn)行深入研究 包括硬件設(shè)備的選擇設(shè)計以及軟件的開發(fā)編譯 使螺旋槳仿真電 機(jī)可實現(xiàn)設(shè)定螺旋槳工況下工作特性 4 1 螺旋槳仿真電機(jī)變壓變頻調(diào)速 在設(shè)定船舶參數(shù)及船舶螺旋槳工況 即設(shè)定船舶航速及螺旋槳轉(zhuǎn)速下 可根 據(jù)第三章螺旋槳仿真電機(jī)數(shù)學(xué)模型算出相應(yīng)仿真電機(jī)的定子頻率及電壓值 通過 仿真電機(jī)的恒壓頻比控制 實現(xiàn)仿真電機(jī)模擬螺旋槳工作特性 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 交流調(diào)速技術(shù)也有了很大的突破 目前使用的交 流調(diào)速技術(shù)有正弦波脈寬調(diào)制 s p w m 變頻調(diào)速 空間電壓矢量變頻調(diào)速 直 接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等等 p w m 變換器具有功率因數(shù)高 可同時實現(xiàn)變壓變頻 及抑制諧波的特點 因此在交流傳動中得到廣泛應(yīng)用 而s p w m 具有諸多優(yōu)點 1 在調(diào)制波幅值不超過三角波幅值的情況下 逆變器輸出線電壓與調(diào)制系數(shù) m 成線性關(guān)系 有利于精確控制 諧波含量較小 2 若載波比取得越大 電機(jī) 電流越接近正弦波 轉(zhuǎn)矩脈動越小 因此本課題采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù) s p w m 1 9 1 1 s p w m 的實現(xiàn)方法 實現(xiàn)s p w m 的方法有兩種 自然采樣法和規(guī)則采樣法 由于規(guī)則采樣法的 計算量比自然采樣法小得多 因此本課題在利用d s p 芯片對仿真電機(jī)進(jìn)行 s p w m 交流調(diào)速程序設(shè)計時使用了規(guī)則采樣法 圖4 1 為規(guī)則采樣法說明圖 取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期t c 使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中心為對稱 這樣就使計算大為減化 如圖 所示 在三角波的負(fù)峰值t d 對正弦信號波采樣而得到d 點 過d 點作一水平直 線和三角波分別交于a 點和b 點 在a 點時刻t a 和b 點時刻t b 控制功率開關(guān)器 件的通蝌z o 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 uj l 1 7 i 二 an i r 廣 一 7 0 l b r t 皇 6 2 t h yl 6 66 l 1r 一 r o t 一 l mr l ir 仃j 坫 設(shè)正弦調(diào)制信號波為 u r a s i n r o r t 式中 a 為調(diào)