（電力電子與電力傳動(dòng)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(dú)創(chuàng)性聲明 本論文是我個(gè)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(guò)的研究成果 其他同志對(duì)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(chǔ)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(lái)源 第一章引言弟一早ji 苗 2 0 世紀(jì)8 0 年代中期以來(lái) 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(dòng)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(guó)際造船和航運(yùn)界的重視 我國(guó)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(duì)研究結(jié)果進(jìn)行反復(fù)測(cè)試與驗(yàn)證是對(duì)該系統(tǒng)研究的重要環(huán)節(jié)之一 此類 試驗(yàn)過(guò)程往往需要在真實(shí)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(duì)試驗(yàn)條件提出了很高的要求 大大增加了研究成本 針對(duì) 此矛盾 本課題設(shè)計(jì)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(shí)螺旋 槳 應(yīng)用d s p 實(shí)現(xiàn)螺旋槳仿真異步電機(jī)的控制 使其真實(shí)復(fù)現(xiàn)螺旋槳工作特性 同時(shí)本課題還對(duì)船舶電力推進(jìn)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì) 本課題得到了上海市教委科研項(xiàng)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(guó)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(gè)世紀(jì) 9 0 年代國(guó)際上幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng) 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(lái) a z i p o d 系統(tǒng)又有了新的發(fā)展 然而目前我國(guó)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(guó)外引進(jìn)組裝 核心技術(shù)仍掌握在外國(guó)公司手中 2 0 0 0 年 上海愛(ài)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(guó)制造的首艘吊艙式電力推進(jìn)船舶 2 0 0 2 年廣船國(guó) 際為c o s c o 建造的1 8 0 0 0 噸級(jí)半潛船 泰安口 是中國(guó)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(guó)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(zhǎng)軸的兩端 轉(zhuǎn)向相同 吊艙尺 寸不超過(guò)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(hào)的姐妹船 康盛口 號(hào)也采用了電力推進(jìn)方式 2 o 本課題的展開 有利于國(guó)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(cè)試過(guò)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(duì)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(shí)代 理論和試驗(yàn)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(duì)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(shì) 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(dòng)保護(hù)電路多個(gè) 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(guó)的國(guó)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(jì)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(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn) 特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)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(dòng)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(guó)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(dòng)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(jiàn) 在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域 變頻調(diào)速將會(huì)取代直流調(diào)速1 4 j 隨著各種控制策略的不斷提出 對(duì)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(lái)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(dòng)控制理論和計(jì)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(hào)的測(cè)量 濾波 整形 核心算法的實(shí)時(shí)完成及驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(duì)獨(dú)立的p w m 信號(hào) 適合于交流電機(jī)控制 但是當(dāng)需要大量數(shù)據(jù)計(jì)算處理或 浮點(diǎn)運(yùn)算 對(duì)快速性要求較高時(shí) 單片機(jī)則無(wú)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(hào)處理器 d s p 使很多功能和算法可以采用軟 件技術(shù)來(lái)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(duì)快速性和實(shí)時(shí)性要求很高的控制 引 1 2 5 通訊技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn) 數(shù)字通信的系統(tǒng) 也被稱為開放式 數(shù)字化 多點(diǎn)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(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景 現(xiàn)場(chǎng)總線是 2 0 世紀(jì)8 0 年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的 它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的互連通 信網(wǎng)絡(luò) 溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò) 其最大通訊速度可達(dá) 1 0 m 掃描時(shí)間不超過(guò)4 m s 6 可靠性高 實(shí)時(shí)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(shí)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?jī)?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(jì)要求 完成設(shè)備的選型與采購(gòu) 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(dòng)機(jī)的工作特性 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)仿真電機(jī)進(jìn)行交流變頻調(diào)速控制 實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì) 本課題利用現(xiàn)場(chǎng)總線及串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)裝置間的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控人機(jī)友好界面 并對(duì)此實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì) 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(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電 然后直接或經(jīng)變流器給推 進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電 由推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn) 使船舶運(yùn)動(dòng) 目前的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī) 螺旋槳和變速控制系統(tǒng)三部 分組成 驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)主要有兩種 同步電動(dòng)機(jī)和鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng) 機(jī)用于低速傳動(dòng) 它可以和螺旋槳直接相連 鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)則用于中高速傳 動(dòng) 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(duì)這兩種不同的電動(dòng)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(jì)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳仿真電機(jī)的交流變頻調(diào)速控制 實(shí)時(shí) 監(jiān)控系統(tǒng)部分采用了具有更高實(shí)時(shí)性 可靠性的c c l i n k 開放式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸 使用r s 2 3 2 串口通訊完成上位計(jì)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(cè)量?jī)x 觸摸屏 實(shí)船操縱臺(tái)等設(shè)備 上位p c 機(jī)通過(guò)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(tái) 通過(guò)該監(jiān)控平 船舶電力推進(jìn)裝置仿真研究 臺(tái)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)置 對(duì)螺旋槳工況進(jìn)行設(shè)定 通過(guò)此平臺(tái)對(duì)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(guò)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(duì)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(shí)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(guò)c c l i n k 現(xiàn)場(chǎng)總線將操縱臺(tái)和上位計(jì)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(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制及觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控 功能 同時(shí)變頻器與分站p l c 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)和操縱臺(tái) 2 2 硬件設(shè)計(jì)及選型 1 d s p 電機(jī)控制板 針對(duì)控制對(duì)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(shí)現(xiàn) 三相反相器控制 p w m 的對(duì)稱和非對(duì)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(dòng)專用預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片和高達(dá)6 0 a 的m o s f e t 管 驅(qū)動(dòng)異步電 機(jī) 根據(jù)課題設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)推進(jìn)電機(jī)的速度控制 手動(dòng)加減負(fù)載控制等等 根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的 類型及點(diǎn)數(shù) 本課題選擇型號(hào)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)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(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制 根據(jù)控制對(duì)象推進(jìn)電機(jī)的額定 功率及實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)情況 選擇型號(hào)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(jí) 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(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行 同時(shí)此型號(hào)變頻器 的p i d 等多種功能適合各種應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)厲害等等 本課題 選擇工控機(jī)作為上位p c 機(jī) 型號(hào)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(zhǎng)時(shí)間工 作 6 扭矩儀 本課題采用型號(hào)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(dòng)軸上 采集螺旋槳仿真電機(jī)扭矩 同時(shí)在上位計(jì)算機(jī)中配置相應(yīng)的轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)速測(cè)量卡 型號(hào)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(cè)量精度 為 0 1 轉(zhuǎn)速測(cè)量精度 0 1 7 實(shí)船操縱臺(tái) 本課題根據(jù)船舶操縱環(huán)境 設(shè)計(jì)了實(shí)船操縱臺(tái) 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(shí)船操縱臺(tái)真實(shí)模擬了 船舶運(yùn)行操縱的情況 通過(guò)車鐘對(duì)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?gòu)耐Ｖ沟饺俟卜? 檔有級(jí)調(diào)速 操縱臺(tái)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(chǎng)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(tái) 可通過(guò)此平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視與控制 同時(shí) 通過(guò)此平臺(tái)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(shí)船操縱臺(tái)實(shí)物圖可參見(jiàn)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(shí)時(shí)性 可靠性 本課題 采用c c h n k 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò) 其最大通訊速度可達(dá)1 0 m 掃描時(shí)間不超過(guò)4 m s 可實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸 要實(shí)現(xiàn)c c l i n k 通訊 需對(duì)每個(gè)設(shè)備配置通訊模 塊 主站p l c 選擇型號(hào)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(hào)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(jì)算 機(jī)連接起來(lái) 上位計(jì)算機(jī)與d s p 上位計(jì)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(hào)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(shí)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(zhǎng)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(hào)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(shí)船用螺旋槳 模擬螺旋槳工作特性 因此 對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 對(duì)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(shí)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(lái)克服水的阻力 維持船舶的操縱 運(yùn)動(dòng) 螺旋槳被安裝在船后工作時(shí)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(dòng)兩個(gè)慣性體系即轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)系統(tǒng) 螺旋槳在水中回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的推力丁 當(dāng)其方向與船舶前進(jìn)方向相同時(shí) 就推 動(dòng)船舶前進(jìn) 反之即為負(fù)推力 拖動(dòng)船舶倒退 螺旋槳在水中回轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)狀態(tài)的一個(gè)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(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí) 船對(duì)槳及槳對(duì)船都會(huì)有影響 任何一個(gè)因素都會(huì)影 響到船槳的工作 因此引入兩個(gè)系數(shù) 根據(jù)船對(duì)槳的影響 引入了伴流系數(shù) 根據(jù)槳對(duì)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(jì)完成 船的航態(tài)一定時(shí) 船舶航速與螺旋槳轉(zhuǎn) 速成比例對(duì)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(shí) 在一個(gè)較小范圍內(nèi)變動(dòng) 大約在0 6 至o 8 之間波動(dòng) 在動(dòng)態(tài)時(shí) 圪與玎都會(huì)有大幅度的變化 也會(huì)隨之有大幅度變化 當(dāng) l o 時(shí) 一 因此定義 壑竺堅(jiān) 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(dòng)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(shí)船實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定 船 槳數(shù)學(xué)模型見(jiàn)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(gè)轉(zhuǎn)速 z 對(duì)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(shí)阻力很大 可能接近這種情形 當(dāng)船舶靜止時(shí)起動(dòng)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(shí) 螺旋槳反轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)間甚短 以s 計(jì) 但船舶倒車所需時(shí)間甚 長(zhǎng) 是以m i n 來(lái)計(jì)算的 二者在過(guò)渡過(guò)程中的時(shí)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(shí)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(duì)稱的曲線 此時(shí)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(duì)稱的曲線 在這些相互不對(duì)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(shí) 在它們的個(gè)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(shí)出現(xiàn)最大值 如c 點(diǎn) 負(fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 也即螺旋槳負(fù)值轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)說(shuō)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(shí)螺旋槳不再作推進(jìn)器的工 作 而是開始作水力電動(dòng)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(shí) 螺旋槳制動(dòng)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(lái)很 高 則螺旋槳的負(fù)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也很高 比較曲線2 和3 可證明這一點(diǎn) 曲線2 對(duì)應(yīng) 于船速k 0 6 v 曲線3 則對(duì)應(yīng)于全船速 即k k k 為額定船速 在螺旋 槳的反轉(zhuǎn)過(guò)程中 船速當(dāng)然不會(huì)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(guò)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(lái)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(shí) 一般船舶的k 與 l 的比值在一個(gè)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(dòng) 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(dòng)態(tài)時(shí) 與 l 都會(huì)有大幅度的變化 正倒航時(shí)圪 的符號(hào)相反 正倒車時(shí) z 的符號(hào)相反 動(dòng)態(tài)過(guò)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(shí) 又為負(fù)值 所以此 時(shí)螺旋槳特性曲線應(yīng)該畫在四個(gè)象限內(nèi) 圖中走向由左上至右下的曲線族對(duì)應(yīng) z 為正轉(zhuǎn)的特性 其在第一象限部分對(duì)應(yīng)螺旋槳推船前進(jìn)狀態(tài) 其在第二象限部分 對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)擰為反轉(zhuǎn)的特性 其在 第四象限部分對(duì)應(yīng)螺旋槳推船倒退狀態(tài) 其在第三象限部分對(duì)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(duì)應(yīng)螺旋槳成為水輪機(jī)工作狀態(tài) 由圖可見(jiàn) 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(guò)曲線擬合確定 對(duì)給定的螺旋槳 它們都是常系數(shù) 對(duì)于圖中向下彎曲的巧 砭特性來(lái)說(shuō) 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(diǎn)上 然而實(shí)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(jiàn)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(shí)際上 槳裝船后 要考慮船的阻力特性 船舶在航行時(shí) 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(shí)的阻力特性主要是以分析船速及載量變化時(shí)水對(duì)船 舶的阻力的影響為依據(jù) 槳的工作點(diǎn)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(diǎn)是船的阻力特性曲線與槳的有效推力特性曲線的交點(diǎn) 即t 1 一t r 船舶航行時(shí)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(shí)船或船模的實(shí)驗(yàn)表明 水對(duì) 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(duì)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(duì)于航速不高的民用船舶來(lái)說(shuō) 可取m 2 對(duì)水翼船及滑行艇可 參考有關(guān)資料 若航速為k 時(shí)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(jiàn) 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(duì)同一條船來(lái)說(shuō) 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(shí)的進(jìn)速比 與此相應(yīng) 螺旋槳反轉(zhuǎn)時(shí)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(guò)自身在流體場(chǎng)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(duì)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(shí)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(duì)螺 旋槳的效率也有影響 其數(shù)值體現(xiàn)在相對(duì)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(shí) 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(duì)數(shù) s 為轉(zhuǎn)差率 當(dāng)s 很小時(shí) 式 3 2 6 可以簡(jiǎn)化為 只 s 礦o s s 3 2 7 當(dāng)s 接近于1 時(shí) 忽略式 3 2 7 中的分母尺 時(shí) 則該式可以簡(jiǎn)化為 w 只阿而麗w s r r o c 詈 2 8 所以 在s 很小時(shí) 轉(zhuǎn)矩近似與s 成正比 在s 接近于1 時(shí)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(shuō) 在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí) 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(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 但當(dāng)u c o 為恒值時(shí) 最大轉(zhuǎn)矩乙 隨角頻率c o s 的降低而減小 頻率很低 時(shí) 乙 太小 將限制調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載能力 這時(shí)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(dòng)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(dòng) 系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)螺旋槳的運(yùn)行情況做了適當(dāng)簡(jiǎn)化 根據(jù)式 3 3 2 可知 當(dāng)轉(zhuǎn)速n 恒定不變時(shí) 即勻速狀態(tài)下 運(yùn)動(dòng)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(cè)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(hào)交流異步電機(jī) 因此對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn) 測(cè)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(shí) 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(diǎn) 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(shí) 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(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩 得出如表3 1 所示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表3 1 推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 序號(hào)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(jì)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(dòng)方程 參考實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(shí)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(dòng)理論 推進(jìn)電機(jī)工作在第一象限時(shí) 仿真電機(jī)工作在第二象限 圖3 7 中曲線1 是 給定時(shí)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(dòng)方程 計(jì)算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩 此處記為m 此時(shí)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(dòng)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(shí) 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(duì)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(shí) 可計(jì)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(guò)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(duì)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(duì)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(jì)以及軟件的開發(fā)編譯 使螺旋槳仿真電 機(jī)可實(shí)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(guò) 仿真電機(jī)的恒壓頻比控制 實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)變壓變頻 及抑制諧波的特點(diǎn) 因此在交流傳動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用 而s p w m 具有諸多優(yōu)點(diǎn) 1 在調(diào)制波幅值不超過(guò)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(dòng)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(shí)現(xiàn)方法 實(shí)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(jì)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(duì)仿真電機(jī)進(jìn)行 s p w m 交流調(diào)速程序設(shè)計(jì)時(shí)使用了規(guī)則采樣法 圖4 1 為規(guī)則采樣法說(shuō)明圖 取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期t c 使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中心為對(duì)稱 這樣就使計(jì)算大為減化 如圖 所示 在三角波的負(fù)峰值t d 對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到d 點(diǎn) 過(guò)d 點(diǎn)作一水平直 線和三角波分別交于a 點(diǎn)和b 點(diǎn) 在a 點(diǎn)時(shí)刻t a 和b 點(diǎn)時(shí)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(hào)波為 u r a s i n r o r t 式中 a 為調(diào)