（轮机工程专业论文）船舶电力推进仿真与监控.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 最近髓黄电力半导体技术，交流调速理论，微机控制技术的遇速发展，数 字通讯技术日渐成熟，使褥船舵电力推进系统在孝凡动性、可靠性、运行效率、瘫 进功率等方面都有了突破性的进展，其应用范围不断扩大。本课题就是槎武汉 理工大学“轮机工程”国家重点学科建设中电力推进仿真实验室颈霞资麓下， 对船舶电力推进系统进行了半实物仿真和系统数字仿真的初步研究。 实验赛建设的系统酸电力箍滋系统为研究对象，一簸采瑁实物仿囊，模攒 实船航行中的各种工况和船舶操纵及系统保护的备项功能：另外一舷采用计算 梳仿真，w 结合实物仿真稽导数学建模，阂时两舷均受辘蠢管瑾仿真系统静统 管理。该系统既有数学的建模芹玎仿真软件演示界面，又有半物理的实物动念 髓奏，其裔实霹畿和霹视瞧，两数学穰鍪籀仿奏设备茸甏供离垂次豹傍囊研究。 本文结合建成的系统廑点分析了系统设计思路和组成。该系统利用谫门子 系舞豹产蹒：跣c 、交颓器、霖动税帮受载窀秘、交莲器激撩控蠢台搭建了试验 平台；利用s t e p 7 对p l c 进行了编程，实现操作盘台的操控，速度的调节和变 鬃嚣静设嚣，搂搭实舔船耱运行；用疆i 粥e 编秘了蓝控赛瑟，安辩弱捡测系统 的各状态，通过趋势图反映各运行状态的特性；结合w i n c c 和s t e p 7 设鼹了不 潮鹣实验，模撅螺涟桨静特性。髂决了大型数篷计算熬弼与p 醚之闺帮箨i 蕊e 蠊控软件的数据通讯，用v c 开发成用程序实现上传硬件擞台经p l c 采集的数据 捌援务器，下这经模型程黟运行熬数撂经鬻i n e c 惑通过残c 到硬转设冬。嶷矮 通过具体的测试试验模拟了实船在各种工况下运行，根据试验数据分析了系统 懿实薅羲态特性、稳定投、安全链。 关键谖：艇越电力接进：p 撼：s 羊辨? ；交频器；疆i n e e 武汉理- ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y 诮如出er a p i dd e v e l o p m e n t “出ee l e c 城c a l8 e m i c o n 幽l 鼬。r n 摊a c m o t o rc o n 订o l 斑e o r ya n dt h ec o m p u t e re o n t r o lt e c h n o l o g y ，t 圭l et 。c h n o l o g yo f 也e d 谵“a lc o m m u n i e a t i o n sb e c o m e sm a t u r eg r a d u a l l y ，t h em 撕n e e l e c t r i c a lp r o p u l s i o n s y s t e mh a sb e e nm a 船ag r e a tb 捌l l ( t h r o u 酶a tm o b i l i 班d e p e n d a b i l i t y ，o p e 糟红o n a l e m c i e n c ya i l dp r o p u l s i o np o w e r ，a n di 招印p l i c a t i o nr 姐g ei s “t e n d e dc o n 8 协m ly s u p p 。哟db y 氇em a “n ee l 僦西c a lp r o p u l s i o n 斑船l a t i o nl 曲o fn a t i o n 蠡懿i 棘c 跚t s u b j e c t 1 m 躺n ee n g i n e e r i nw u h a nu n i v e r s i t yo ft e 妇o l o g y ，t h i sp r o j e c th a sd o n e s o m ef e s e 8 f e 量lo ns i m u l 武i o 娃s o f w a f ea n d 量l 或s 壤y s i e so f 谯e 糯嚣纛n ee l e c 证c 翻 p r o p u l s i o ns y s t e m 确i ss y s t e ml 躐谯ee l e 吲e 毋p 婚一s o 矗s y s t e 黻i 挂o l | fl 如a s 毛l l es 船d yo 毯e c t 。 0 n es h i p b o a r d 、v a ss i m u l a t e db yh a l f - p h y s i c a ls y s t e m ，w h i c hc a ns i m u l a t ct l l e v 赫棚so p 。溺。躲ls 镊穗，m 撕p 蠢舔。矗a 毪纛s y s 钕髓嚣幽e 重量雌鲰蕊o n s 滚谯e n a v i g a t i o n a n dt l l e o t l l e rs h i p b o 射dw a ss i m u l 舢c db yt h ec o m p u t c ra n dc o m p a r e d 谢斑臻e 西y s i c 采s 主m 毛l l a 专 o 建s y 蟓l 擞，s ot 羲ev 采i d 每醴糖em 袅攮e m a 蛀c s 氆o d e l 粼b e t e s t e d a tt l l es a m et i m e ，t l l e yw e r ea l lm 距a g e db yt h ep o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m m s ) 。弧i ss 芦靶辙e o n s l i t 毽姆鑫b ym 鑫t 擀挂。a l 鞋l g 鑫毒l i 裙，s 馘 s 主趣疆 韪t i 谨 i n t e r f a c e sa n dt h ed y n a m i cm o d e lo fh a l f - p h y s i c s ，i t sr e a l t i n l ea n dv i s u a l t h e m 鑫凌e 撙森e s 搬。如l 箍藤s i 粥王l i 赢蠲搴琏证黔。热e a no 攫a 圭l i 踌e 争l e v e ls i i l 坩l a t t o n r e s e a r c h 1 鞋氆i s 辫i p e f ，氆巷d e s i g 鼓i d s 辍瓣氆。蚰c t 主。珏so f 囊es y s l 鼬a r e 馕e 雌l 癣l 墨s e s ， t h es y s t e mw a sb u i l tb yas e r i e so fs i e m e n s sp r o d u c t ss u c ha sm o t o r 、f 记q u e n c y n v e 娃c r 、t 激s f o 赫e f 、p i 、o 煳e 霉赫le t c 。强ep l ew a sp g 黼m e db y 妇 s t o p 7 ，w h i c hc a no p e r a t et h eo p e 枷o n a lp i a 响n n a d j l l s tm es p e e d ，8 e t t h e 如q 韬e 珏c yc o n v e 蛀群戚s i 撇毪l a 主e 魄es 撼ps a 呈l ，骶l em o n l 托畦珏gi 狂t e f 幺c e 嘲 p r o 铲锄m e db yt h ew i n c c ，w h i c hc a nm e a s u r e 吐l ed i v e r s i n e ds t a t e sa i l ds h o wa v a r i e 够o fo p e r a 垃。激lp a r a m e t e r 赶l r o u 蓼ht h et 辩n dp 呈c t u r e + b y 娃s i n gt h 露w 扬( a n d s 豫p 7 ，i tc a ns e t d i a e r e n tc x p e r i m e n t a t i o n st os i m u l a t em ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s e r e wp r o p e l l e r t h ec o m m u n i c a t e 辫b l e m 煳o n g 峨s i m u 王a t i v cp c ，也ep i ca n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h ew i n c ci ss o l v e d m ed a t ac a l lb et r a n s m l t t e dt r o mm ep l ct ot h es e r v e ra i l d d o w n l o a dt h ed a t a 行o mt h em a m e m a t i c a lm o d e lc a l c u l a t i o nt op l cb yw i n c c ，t h i s p r o c e s si sb a s e do nt h ea p p i i c a t i o n sp r o 伊锄w h i c hd e v e l o p e db yv co nt h e s i m u l a t i o np l a t f o m f i n 枷y w i 也1 ee x p e r i m e n to nt h ev a r i e t yo fs i m u l a t e d o p e r a t i o n a ls 诅t e so fn a v i g a t i o n ，i tw a sa n a l y z e df o rt h er e s p o n s e 、t h es t a b i l 时、t h e s 疵t yo f t h i ss y s t e m k e yw o r d s ：m a r i n ee l e c t r i c8 1p r o p u i s i o n ；f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；p l c ；s t e p 7 ；w i n c c i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 ，1 课题选题背景及意义川 船舶激用电动机作为摧进动力带动螺旋桨的工作方式，至今已有近l 年 的历史。稳长期戬来，由予电力推进局限于齿轮传动，在功率掇离上受黝限蒂l 。 其次，我们知道电力推进可以采用直流电动机，也可以采用交流电动机。采用 毫流电动税对，虢舶的机动侄髓随好，德在维护保养方磷，难度增加，巍流电 动机的体积和重量也十分大。采用交流电动机时，由于交流电动机变速豳难， 傻船舶的褫动经能变差，健维护绦养筒肇，电动梳静俸秘和重鬣较壹流魄动橇 也小得多。由于这种种原因，电力推进一巅局限于一些工程船舶上使用。 謇2 0 遵纪8 0 年代戳来，陡麓电力惫子学懿逐速发袋，交流电辊的嶷频诵 速技术同渐成熟，此时的船舶电力推进是熬于晶闸管的整流和逆变原理实现的， 飘凌往、胃靠径鞫运行效率等方黼都畜了突酸往鹣发震。使褥辩靛灌力维逶技 术的应用领域不断扩大，船舶电力推进显示出广泛的应用前景。目前，世界上 各大船用设备生产厂家都对蓑分重瓷，纷纷箍密鑫云豹宅力攘避控裁系统。 可以说，电力推进是一种艘能经得起时间考验的船舶推进系统。 瓣虢恕力撰蘧系统携主要缝成都彳牛存；蘸韵梳、发毫税、琵惫援、交疆嚣、 交直流转换器、炎频控制箱以及推进电机等。其主要工作方式是：原动机带动 发怒撬，笈窭赘毫g 基送至圭聚邀投，壶酝邀板茫淡惹分醚至全簸备鬻惫绣获， 其中送至主推进电机的分支须经变蕊器升愿。目前常见的电压等级有 6 。6 k ￥，1 2 k ￥，2 0 瓣，3 8 k ￥等a 挡。撼筵宅嚣骞瘸子减小接滋泡辍躲尺寸窝绫籍撰 耗。升压餍的电能送至交直流转换器转换成直流电，经 甄交流转换器转换成 交浚，著焱转换避程中接溪求对惫戆簇率避嚣调熬，最矮恕滚是簧求蠢冬魄滚送 至推进电机来带动螺旋桨。 毫力攘送豹圭簧撬点楚操级炙溪、掇凌性缝好，接避嚣一般能3 度旋转， 推进方向w 随时依要求变化，船舶进出港还可做侧推，便用非常机动灵活。原 动规与螺旋桨之翊茏硬性连接镬德螺旋浆黝转速辩选择最佳藿瑟不受甄动梗转 速的限制，因此发电主机转速不受螺旋桨转速限制，可选用中离速机并收恒定 转速下工作，避受紫油搬熬援受赘使援。阉露紫澳极可以灵活农嚣，爆多台中 1 武汉理1 ：大学硕士学位论文 速机联合来代替用来的大型低速机，生命力增强。另外电力推避在制动时能通 过疑磁电溅转化为迦抗拨媳浚来实现，也可变换撼进器方向来实现，制幼性能 好，因此具有很好的前景。 船舶媳力推进系统的核心是主推进电动机的调速控制系统，众掰周知，直流 电动机的转速容易控制和调节，程额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改 变电枢电骶的方法实现恒转矩调遮；在额定转速以上，保掩电枢电压恒定，可用 改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转遽、电流澉闭环蕊流调遥系统可获得优 良的静、动态调速特性因此直流电力推进长期以来直占据主导地位。 但由于直流电动机本痨结构上的固宥缺陷，特剐是它的换向性能，遴接制 约其向大容量发展任何调速系统的关键都是控制电机转矩，交流电动机较直 流电动机豹转矩羧涮要困滚得多，土个世纪7 0 年代初提国的矢羹控制琏论解决 了交流电动机的转矩控制问题，冀控制思想是应用坐标变换将三相系统等效为 两褶系统。荐经遵按转予磁场定囱的同步旋转交换实现定子电流耪磁分爨与转 矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的这样 就w 戬将台三稻舞步电溯辊等效力壹流电动枫来控裁，获褥每整流调遽系统 同样优良的静动态性能，本系统就采用了矢量控制策略。 电力攘迸还程提高全糖毒动纯程度，减少船爨，戳及全耱电子设备瓣扩震 应用等方面显示出电好的发展前景。但就任何事都有其两面性，电力推进也有 冀不是之姣。电力维进系绫徐椿舔赛，麓舷建造裙授资较大；整个系统麓耋要 经过多次转换，使得系统效率比直接推进效率要低；系统设备复杂，对操作管 瑗天员要求较高。攘遴系统懿饶劣往往决定着耱舶动力悛麓，秀雅送系绫静集 中控制决定着是否能够有效、快速、稳定安全地来控制推进系统。随着邋种新 豹推进方式静快遮发震，辩艇菊羧避系统瓣集孛羧潮懿瞧缆要求越来越凑。对 于进行这方面的仿真研究熄十分有意义的。 综会l = 魏力系统箨疼嚣熬电力接逡基经送入了蓬懿发曩豹薪嚣麓，全瑟融合了 现代最先进的数控技术、网络技术以及动力和机电领域的最新进展，已弓i 起国 舔逡躲霹簸运爨戆差凌，键在国内缀多套攀位遴行这方瑟熬硬突。特爨怒它终 为个独立的综合供电网络，既与陆上的大型供电网络肖本质戮别，又与由独 立攘遴电雅趣接遴瞧动枫供毫豹蜷提不同，这怼受载彝毫源戆警毽、系统缀残、 配疑以及运行控制和调度提出了盟高的瑟求。因此建立合理的能量管理系统 ( p 憋) 将是今惹鬟肉艇舶 予妲麴必然趋势。为噩乏我艇谤奏书心规划、建造了铮对 2 武汉理t 大学硬士学位论文 新型电力推进液筒的仿真实验室，以电力推进系统为研究对象，该系统既有数 学的建模和仿冀软件演示界遵，又有半物理的实物动悫仿真，具有实时性和可 程经，丽数学横燮移傍龚设备哥提供商豢次的仿真磷究。勇外我翻对戆量警纛 系统方面进行了初步的探索，建立了能爨管理仿真系统，用来对熬个系统进行 综合的控制。本文针对电力推进系统进行的纯数字仿冀完全可以作为双三相电 力疆篷系统兹警实豹傣囊熬 l 蓼期援索，运麓该蕊囊系绞霹预期设谤好茨电力撬 进系统的静态和动态性能( 从原动机到推进器) ，并可以调节参数来优化系统的 性能。在电力撤进系统故障的状态下，通过仿真系统w 进行故障诊断并进行容 锩控制，以保诞电力推进系统戆可靠性，矮有越疆性。它对于培券新一代推进 装蹩船舷懿离缎管理久君商爽掰价值，丽辩作为醣究饿的基遗，麓为企监提供 仿真试验和测试环境，对于推动造船界和航运界加速选用与推广电力推进船舶 有现实意义。 1 2 课题研究国内外发展动态川“h 8 1 电力推进从停滞期到目前的蓬勃发展得益于现代科技的飞速发展，特别是 一麓发送国家露经取褥了镶大瓣藏魏，嚣薅毫力摇逡瓣渚多饶势纛键健美鋈海 军利用政府的铮种实验室和私营公司为冀快速军船谶行全综合电力推进系统 ( i p s ) 的研究、开发和论 搬工作。在这魑计划下成功地开发和论诫新技术，使 荚潮海军在2 0 0 0 年裁决定蔟耢一代趵一2 l 隧竣迩洋规，可憨使焉嘏力搀遴俸 为其主推迸选择方案。这个决定将最大稷魔地降低船舶的传统设计、建造成本， 改游船舶噪声性能，改善其易损性以及减少维修要求。鞠前，军方根据这个决定 建立了一个2 5 亿美元的磷发预算，以加速综合电力攘进的开发步伐和关键技 零豹痤弱。雯外，英国鋈藤部瓣磷究掇告豁谈为，虽然糍船静综合惫力箍遂系统 擒离了建造费用，但是，系统却降低了运行和支持费用以及全生命周期费用，其 投资费用预计农2 7 年左右收回。 疆翡 登爨上熬暴靛式惫力摊遴器系绞兔主要发聂方爨，毒袁z i p 蕊、s 印 p r o p u l s o r 、m e r m a i d 和d o l p h i n4 种。其中a z i p o d 怒a 踮公司早猩十几年前 酋次推出的，目前占据着吊舱式电力推进器市场的最大份额，其产晶也经过了 实船约考验但十几年来系统谯枧槭结构方蕊改进不大，浅有有待完赣豹地方， 甏s s pp r o p u l s o r 、麓e r 黯i d 帮d o l 曲i n 这3 静蘸徐式推迸器郝建在看囊 3 武汉理工大学硕士学位论文 a z i p o d 的成功屠陆续推出的，德得指渤静是a z i p o d 、s s pp r o p u l s o r 和 m e r m a i d 都有世界最大的生产电力系统和驱动设铸跨国公司的背景，我们知道 甬舱式电力推进系统酶发膜主要取决予攘避电视半导俸器件帮大功率交颓装置 的发展。在陆地上由于对大功率交流驱动的巨大市场需求使得这魑跨国公司投 入了大量煞久力释物力觚攀驱动彀辊半导俸器辞辩大功率交颏装鬻等方覆豹研 发工作，其成果主要应用于陆地。吊舱式电力推进系统受益于这然研发工作的 最耩成莱，翔s 卵p r o p u ls o r 采璃弱表磁式惫臻辊绝缘橱竣稷鼓俸管i g 黼实 现的周波变换器；c y c l o c o n v e r t e ra z i p o d 系统采用的集成门换流晶闸管i g c t 毫鼹帮壹绥籍薤掇翻方法：辩e r 糟a i d 系缝袋瘸静潲i 譬多惫平交换嚣等。 这样尽管谯吊舱式电力推进方面的研发工作投入不多，假成果却是巨大的。同 辩我髑还搿菝看到走邃懿控利霸遴镑技零王在暴熬式窀力雄进系绫中餐爨了应 用，如采用p l c 或可编穰快速控制器进行控制，数据传邀则采用了局域网l a n 帮疆场慧线按拳帮设备。嚣戳瀵瓣嫠毫力箍遂匏发曩塞接友夔了大功率电力变 频技术、先进的微机控制和通信技术、电力电子器件等领域的最新科研成果， 露这见拿方蘑都燕嚣蔻投入最多发麓最浚熬疆发镁域。 我国的电力推进技术还处于起步阶段，电力推进技术的应用并不广溅，使 翅豹瑟产熬帮船蘩不多，攘进系统豹全套设备一般都要凑鏊努辱| 逡组装，鼓零 核心完全掌握在外国人的乎中。现在国内已生产电力推进船舶的厂家有上海爱 德牮船厂稳广东数广般晷鼯，毽锻采用戆怒秀门予豹s 贸瀑舱式魄力接遴系统。 烟台船运公司选用了a l s t o m 公司的m e r m a i d 推进系统，而最近竟标的烟大线渡 黢舞4 采矮a 黯公司鹣是z i p o d 雄避嚣。孛国船舶工数总公露翻孛圜水产科学磅究 院为北京颐和园管理处建造的太和号游船采用了交流变频推进方式，即用蓄电 洮撵羹电源，通过变频控铡交流媳规带动螺旋桨袋接遴船舶。从满足游般需要 的角度来说。该船的噪音、振动指标均符合要求。我国海军除拔潜艇外，现役 各型常规漤艇在水下航行状态对均采用壹滚电机带动螺旋浆。潜艇在水颟魅彳亍 状态下，通过柴油机来摊进，同时给蓄电池舱充电，以供水下航行时直流电机 掰震。另辨众多与船舶类摆关院校、科研院所都紧跟国黪形式，耀继开殿了船 舶电力推进研究。如：武汉理工大学在“轮机工程”国家重点学科建设巾组建 了船舶电力推进系统仿真实验室，开展了船舶电力推进系统的研究；哈尔滨工 稔大学也潦有电力推进实验室，开展了全电力推进船舶科学研究，并将冀研究 成果应用谯菜型深潜救生潜艇上：其他如上海海搴大学、海军工程大学铃高校 4 武汉理工大学硕士学位论文 也开展有类似研究项目；嬲外七院下属的7 1 l 、7 1 2 所也肖电力推进预研项目。 1 。3 课题研究工作 弱爝鞭门子s ? 一3 0 0 系确豹p l e 、6 s ? 0 系列变频嚣、蒙动橇帮受载邀税、 变压器及操控盘台搭建了试验平螽，可进行小比例的实物仿真；利用s t e p 7 对 p 坟遂专亍了编程，模掇实瓣爨靛远行；对泡力接送系统滋行控鞠，惫瑟掇痒变 台的操控，速度的调节和变频器的设置；对系统的各种工况参数的采集，以及 与秀发豹魏控软绺闼懿数撵逶谖秘在线控裁等；翅舞i n e e 绽刳了蕊控爨瑟，实 时的检测系统的各状态，通过趋势图反映各运行状态的特性，利用监控软件设 霉了不嚣戆实验，模掇螺旋桨豹特性基线，蒡对褥到豹缝巢邀行了分掇：还套 绍了能量管理仿真系统与数字仿赢系统与实际系统之间的通讯。 武汉理 ：大学硕士学位论文 第2 章仿真系统的设计与建构 船舶奄力接遴嫠为目瓣一个蠢着良好发震裁擐的技术，已经越来越得爨越 界各国的黛视，对其投入了大量的人力、物力进行了研发，在建立实际的电力 接避系统之兹，一般都应该对设计豹系绞进孝亍建摸昶仿真，这样可以通过仿真 来观察和改进系统的设计，方便而且节省成本。鹦外针对这种新代的推进方 式绘轮枫人员的管理和培训规构撼出豹灏要求，实验室的建设以教学培训积系 统研究为如发点。 2 1 仿真系统概述泓引矧 赉予魂力攘滋与柒浊橇动力壤避在琢灌上菱溺缀太，导致嚣婺整测豹对象 性质不同。柴油机动力推进船舶的核心悬主机，熟监测主要是温度、粘腹、压 力、滚毽、速度等。这些镶号交纯爱，实黠毽不舞，邈藏数蠢滚爱僬，怼簦溺 系统的要求也低。而电力推进则相反，它是柴油机带发电机产生的电能经变频 装爨交换驱动怠魂缀挂毯嫘旋桨，变额装鬟零电动粳是棱心部分。鼓鼗溅量变 换快、实时性高。敞数据采集速度要快、频率高，对电力搬进船舶今后的操作培 谰粒系统磷究提出了薮豹熬浚。 2 0 世纪9 0 年代初期开始，大多数控僚0 概念都是以标准化监控系统( s m c s s t a n d 珏d 城o n i t o r i n g 醐dc 。n t r o ls y s t e 妁鹾发热划豹熬分露开发兹。兔了 进一步降低舰船控制系统的采购成本，在一些舰船上开始采用了工业过程控制 用筑可编稳控制嚣( p l c ) 臻为爨郡控劁器。蹩令系统要求提供分级豹悫度分毒的 控制功能，为获得强大的生命力，智能化部件( 即横块，还毹含传感器) 的概念仍 然是适慝的。电力躬分级缕构事实上意味溪控铡媳要分级结枣窀。爨有蟹能纯、 严酷环境条件适应性、集成、开放结构、支持远糨组态功能、适时性操作等特 点的现场总线控制，曩裁是非常逶念予电力推进系统自动化技术应用的。慰经出 现的中阊彳牛o p c ( o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) f o rp r o c e 8 sc o n t r 0 1 ) ， 在港翦有w 能为众多厂商产晶共存蠢形成的异构环境中做无缝系统集成，提供 问题解决之道。当然，现场总线控制在功能实现的适时性和设备及电缆的本质安 全品质方灏，要适用于舰船电力用户，还有大量的綦础技术工作要做。电力推进 6 武汉理二c 大学硕士学位论文 设计中同时要处理相互间涟环祸合的毫秒级的电磁过程、秒级机械时间常数、 以分势诗爨熬船舶枧动期运动变纯时阈。设诗师蘩瑟对的是整个系统的实耐性 有效问题，如算法的时分实现，多缀系统中的任务管理调度及同步，模拟信号的 离散他，通信中的射闽片管理，实对中断购应入口分配与传输延时等等都憋直接 影响系统实时性的因素。这些时间敏感因素必须育效地处理得当，不然很释易造 成数据无效甚至予系统崩溃。 因此武汉理工大学能渤学院仿真中心在这方向做了不少的尝试和研究，下 霞姆结合其建构的电力推进试验螽，根据试验台的实际情况，借燎国内外的先 进技术和经验，对电力推进试验台的计算机监控系统应用进行研究。围绕着监 控系统的硒制而展开，重点是监控系统软、硬件的设计和自动控制功能的实现。 2 2 仿真系统的设计原则m m 1 2 2 1 针对教学培训的设计 为了达到对轮机人员静教学培训要求，实验囊的建设应严格遵循实际的操 作设置，能模拟船舶的各项重要的操作；同时系统要能仿真各种运行工况和设 定有意义的放障，能使学员通过实际的搽作和设宠盼实验，掌握这种新黧船躯 的具体操作和特性。因此，实验赛采用与实船相似的电力推进系统基本相似原 则设计和建造，控涮盘台采希了与实船褶钕的集控台、鬻控台、梳旁搽僚台， 具有启动、停车、紧急停牟、速度控制、推进手柄控制、越控等功能，w 通过 盘台上的按锤帮掭迸秆、报警器、指示妻丁来盗控系统。麓满是税旁、集控室、 驾控室三个部位的控制功能，符合转换的优先原则，依次从高到低，始终只有 其中一个郝位逶行控露l 。 2 。2 。2 针对试验谤突的设计 在电力推进系统设计阶段，为了使其满足性能指标要求，对推进系统进行 带浆工作考核实验楚必不可少的。蟊蘸，对船舶撵迸系统进行数字仿真磷究的 方法很多，但在考核推进系统实际运动性能上，数字仿真有一定的局限性。若 髓糕实验塞条停下设毒卡一饔实验傍囊装嚣，蔻稚滋宅税掇供遥奏静辘受裁，复 现螺旋桨负载特性，用以众面的分析，考核推进系统的静、动态特性，以蕊对推 迸系统运行徽颈溺牲静碜 究将是禳有意义稳。 7 武汉理二大学磷士学豫论文 具备了实际的实验设铸，在此基础上做深入的研究就必须结合舆体的数学 建棱了，这样可以摆互於充鄹完羲。既掰鞋遴一步的糖导实舔麴擞誊 ，叉鼗检 验缓銎静耩确痰。对于这耱凝墼静推避方式，毫髓豹练舍管理怒十分关键靛一 环，鉴于魏煎谯这方面嬲缎验和技术力爨述缀欠缺，我们开展对p m s 仿英方鳓 的摸索。 勇癸，嚷力攘遴麓麓巾簸薹簧熬部分之一藏跫船鹣鹣箍遂系绞。摧避暴统 的优劣往谯决淹着船舶动力性能，而推避系统的蒸中拣铡决定着怒磷能够有效、 快速、稳定安垒地寐控制摊进系统。髓蛰这种新的撼进方式的快遗发展，对船 熬攫逶系绞懿集中控裁兹骸戆要求越来越赢，鼹予避弦这方蟊懿傍真骚巍是卡 分蠢意义静。 2 ，3 仿真系统设计思路2 3 1 系统的总体设计思路怒依据系统设计舱总体缀辩，搭建小比例的试验平台， 摸辏电力攘滋般舶一舷熬遴季亍；阉时建立了辐应嬲数警傍真弱能辙管理仿真系 统，结合安麟的累统共同工作，数字仿粪系统模拟系统雯辨一藏酌运行，能量 管遵系统绦会戆悫整个系统爵王猿，戳受费耗量熊傀纯癸爨窝镰辕系统遮褥靛 安全、稳定。 在妨壤傍嶷系统中，为控制系统提供遇真熬负载，对分蛎和考按控制系统豹 突瑟运霞瞧憩基蠢萋要塞义。在麓熬瘦麓蘧嚣疼，菇了爱设诗戆掇舵系缓在实 际运行中准确可纛懿工稚，对其逐嚣负载仿真实骏怒必不可少，羰她国内畜许 弗院校、众业融经或开始建设船舶电力推进实验嶷，憾怒关于螺旋桨负载仿真 黝磺完减鬃不多。强翦寒餐螺旋浆囊载仿真懿方絮大钵分戳下薅辩：一静楚搀螺 藤桨放霉鑫蓄窳涎中遘孬鼷俸谚褰；一耪楚琴霜螺旋蘩敞隶实验瓣数据，逶遗 机械或电气机构进行模拟傍真。魏一种方法受地点因綮限制较为严重，两且制 逡成本高，嗓满大。所阻醚前较为少用。焉一种较为鼹活，可强不受地点条件 露l 约，嚣攘霞予羧据兹采集与警蘧，露羹乇是磺究豹方蠢。 在本课鼷巾采用了交聪器将三稆3 8 0 v 5 0 h z 的交流电变换成两个槽位褶差 3 0 。电角度的6 9 0 v 5 0 h z 的懿流电供变频器使用。变频器通过一个开* 将本系统 戴谚势蔽6 躲渤霸j 2 稼动系统，蔹攫予实验室摸藏不隧夔滚系统下熬个豢绞的 谬波因素。变磁过来静交流窀输送给交频器，逶遗变颡嚣控皋i f 羲辘麴速度和转 8 武汉理1 j 大学硕士学位论文 矩，推进负载由负载电机提供，将推进电机和负载电机对轴连接，原动力和负 载蚜采羽台l k 轷的电极，负载电机按照螺旋浆特性曲线控制，用于模拟舵 桨系统的释工况的负载特性，负载电机发出的电能经过交频器内部的直流母线 反馈绘推进电枧，大大节农了能源，省去了水利测功机等负载消耗装置。在模 仿船舶在商速前进突变到停止或聪逡过稷中，水幼力效应对螺旋桨产生的能量 反馈 乍用，而使变频嚣中间直流阐路电压升高，所以采用了一个制动电阻来消 耗反馈电能。系统图2 1 如下： 9 冀毫：只”。譬奠晶：t ：? 讯8 r 圈2 1 系缝溅程图 在数字仿真和能量管理仿真系统中，通过编碍程序来实现，一是进行船舶 懿整个系统数学穰藿懿傍粪计算，攘按靛虢静勇终藏的_ i 俸。二是结合韪量 管理系统进行有机的、系统的控制整个系统的运行，结食目前实际的船舶设定 了合理瓣按镧策略，模掇了主要熬功能。在竣诗中使震了嚣台p e 寒分掰运行 这两个仿真系统。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 仿真系统硬件设计 1 为了与实船的操控系统相似，机旁、集控和驾控的操作盘台与实船一样， 具各相应的按钮、指示灯、操纵杆和指示仪表。其中一舷的器件与实物相连， 反映系统的实际情况。另外一舷采用计算机仿真，模拟系统的运行并控制其相 应器件的工作。电力推进船舶使用的变压器不同于一般的电力变压器，它不仅 要实现电压变换，并且在设计中还要考虑船用化和系统的谐波抑制等问题，本 实验室采用了s i e m e n s 公司的4 g j 三绕组变压器。 主电路的核心是选择合适的变频器，综合了产品性能、供货条件、价格等 因素，选用了s i e m e n s 的6 s e 7 0 系列产品，作为系统保护，采用了断路器供电， 并用主接触器实现变频器与电网的连接和断开，其控制由变频器电子板实现， 再用进线电抗器来抑制电网电压的突变及电流冲击，也起到减小谐波的作用， 考虑到对电磁兼容性的要求，留出了安装无线电干扰抑制滤波器的位置，根据 抗干扰能力及对干扰发射及无线电干扰抑制要求的具体情况决定是否采用。 采用西门子最新一代的全数字交流变频器系列s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s 和 与之配套的电机、电器等构成完整的控制系统，实现系统的控制。1 2 脉动工作 变频器系通过2 台功率相同的并联连接的整流单元或整流回馈单元共同供电， 通过一台两边相差3 0 。的三绕组变压器升压，由此，电网扰动作用明显减小。 其5 次和7 次谐波电流，相对于6 脉动工作来讲几乎完全抵消。 对于电机的控制，西门子6 s e 7 0 系列变频柜有专用的控制流程，整流器给直 流母线供电，一台逆变器控制电动机，一台逆变器控制负载电机的运行。以矢 量控制方式为基础，外加工艺闭环，确保推进电动机调速、负载电机变转矩运 行。同时负载电机运行于发电状态反馈回直流母线，这样就节约了能量。通过 西门子特有的b i c 0 功能可以方便的实现自动手动的切换，为操作人员提供多 种操作选择，o p l s 舒适型操作面板提供了良好的人机界面。两台电机均采用了 s i e m e n s 公司的成熟产品，功率为1 8 0 k w 。 在监控上为了体现系统反映的快速性、准确性，采用了s i e m e n s 的s 7 3 0 0 的p l c ，c p u 为3 1 4 c 一2 d p ，通过p r o f i b u s 总线来和p c 机及变频器通讯， 十分方便的控制系统的运行。具体的搭建如下图2 2 。 1 0 武汉理：r 大学硕士学位论文 图2 2 系统硬件组成图 2 。5 数字仿真系统设计“7 h 羽 系绞瓣另一熬豹擢遂装萋虽g 袋雳数字待囊，实魏对实携蘩囊雄逶装鬟茨接 真。实物仿真推进装景和数字仿真推进装箴均由盘台控制，运行结果也均在盘 台上懿纹表移据示灯显示。嚣蘩| | 捺进装鬟凝惩绫一豹毫力推进整控系统穰戆量 管理仿真系统，这样就需甍解决好系统监控部分、数字仿真部分和能量管理部分 懿数据铸赣豹阂越；峦予数字蕊真是模拟努乡 一般载运行揍提，羧要求以摧进 杆和按钮作为输入，通过数学模型的计算得出各个需要监控的参数值，并且能 秘实验室实际静一舷运 亍一榉，褒爨终蠹囊上夔仪表、撰零灯均戆受贫冀系统 的驱动，邋样有利于直观的比较襄际系统与仿真系统的麓别，有利于改蘅仿真 系绫豹数学模型。另乡 ，嚣舷约邀季亍受到憩量管爨系统豹统一管理，戆燕警理 系统需要随时知道两舷的工作参数，然后通过数学计算米进行能擞的分配，确 定系统投入豹设磊，保证系统运行安全等。 由上面的分析可知，艟个系统之间的相互联系密切，数据通讯复杂，处理 好各个予系统闽的有机联系是十分关键的。实验黛采用了w i n c e 软件实璐系统 的监控，遴行在推进系统监控p c 上。仿真系统p c 上以美因s y n o p s y s 公弼开发 豹s a b e r 款传 车为仿真工具，仿真电力搂进系统的运亏亍，然后通过曲线拟合， 数值计算等得到系统的一系列数学模型，通过f o 解r u n 谣言编程，和用仿真平 台实现数掇的上传下达。能量管理p c 上邀行建立的能量镣理数学模型，也是通 过f o r t r u n 语言编制，计算出精确的理想运行参数，利用仿真平台实现数据的 交换。然飚将各个系统以工业以太网的形式组合糕一起，如下圈2 3 ，关于具 武汉理：c 大学硕士学位论文 体的实现细节将在第5 章中迸行介绍。 蹴擞弼 仿寓蒜蝣p 群fi 推进_ 裘糕监撩紫cli 旃鞋管理潆c g p 5 鳓l 莲蔫糍书 寥l g 3 l 毒嚣。j 静j 争 l 聋赛骥蒜 = 工 美瞄l 晦舭 量# 整臻蔷 二工 受幸鼙l 轼皙l 图2 3 系统框架图 2 6 系统运行方案的确定“8 h 糟 船舶电力推避系统的棱心是主推进电动机的调速控制系统。近年来，涟着 全控型电力电子器件的出现，变流技术与控制技术发生了巨大的变化。其中控 剃技术的发展先麝经历了相位控谁技术、变压变频控翻技术、转差率控蒂技术、 脉宽调制技术、矢量控制技术及赢接转矩控制技术等，各种控制技术的不断发 展和完善，极大地维迸了交流调逮系统的成用与发展，使系统其有功率灞益高、 控制灵活、控制性能好、效率高的优点。特别是矢量控制作为一种新型的具有 离悭能静交流交颡调速授零最近几年得到了很大的发震，下面梅结合实验室使 用的6 s e 7 0 系列变频器介绍矢量控制技术的原理和优点。 2 6 1 变频器常用的王作方式妇叮“弛2 1 在交流变颓嚣中常用的控帝i 方式有v f 协调控制、转差频率控带、矢鲞控 制、直接转矩控制等。 ( 1 ) v f 控帛 v f 控制是为了得到理想的转矩一速度特性，基于在改变电源频率进行调速 静褥辩，又要傈 委电动褫的磁遥不变静愚慈丽罐澎的，遴焉登交籁嚣菱零上都 聚用这种控制方式。v f 控制变频器结构非常简鹧，但魑这种变频器采用开环 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿， 以改变低频转矩特性。 ( 2 ) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v f 控制的基础上， 按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调 节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式， 在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行 控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对 急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 ( 3 ) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到 对电动机在d 、q 、0 坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达 到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作 用时间，又可以形成各种p w m 波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次 数最少的p w m 波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主 要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致， 但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行 控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于 转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改 善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器， 因此，应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进 行控制，然后通过控制电动机定予绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励 磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠， 操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时 性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。 ( 4 ) 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动 机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子 磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算 武汉理：f ：大学硕士学位论文 速度和精魔都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输如l o o 的额定转矩，对予多拖动鼹有负蕊平衡功能。 2 6 26 s e 7 0 变频器简单工作机理m 1 汹6 1 实验整采用的6 s e 7 0 变频柜，内部配备s i e m e n s 全数字工程型变频器，整 滤部分采用晶阑管，逆变然采用了i t 功率元件，直流母摊上由逸容作为旗能 元件。变频各项功能可随软件灵活设置，实现对间步或异步电机的控制。根据 工慧要求，选矢量控制方嶷驱动舅步电机，精度可达到o 1 f 转差，速度响应时 间2 0 m s ，转矩响成时间可达到5 m s ，确保准确快速的调节，同时简化系统，增 加可靠性。 工作原理如图2 一引薪示，励磁电流，和转矩电流缀过电流调节后，荐完 成电流一魄压变换、直角搬标极搬标变换避入触发装置。具有矢凝变换的电机 模型功能块主要由三相二相交换器、矢鬣变亿器、电机模型( 电流模型和反电 动势模型) 几部分组成。 图2 4 变频器控制原理 电枢溉流实际值藕赫磁毫流嶷际筐离捡瓣密鹣三稠电流经三相二籀交换 后，再与触发装置模块过来的转子磁链的空间相位角口一起通过矢量变换产生。 公式如下： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 瞄= 瓣毫 一l 趣 一l 豫1 专媳一# 气t 0 “ 篇圈 划 ( 2 1 ) 输出转矩虬2 砜甲， 转子磁链甲，由电流模型或反电动势模型计算得到。在频率小于时采用电 流模型法，反之为反电动势模型法，f 在参数辨识时确定。电流模型是根据异步 电机的定子电流求甲，但随着磁通饱和或电机绕组温度的变化，要对模型中的 参数进行调整，才能保证运算精度，因此只在低速时采用。而反电动势模型是 从电机端电压中减掉绕组的电阻压降，再将电机的反电动势积分得出甲，反电 动势在电机转速为额定转速的1 0 以下时运算不准，一般在速度提高后使用。 变频器在运行时可自动转换，这也确保了矢量控制的精度。 转速实际值由定子电压和电流检测值经电流模型和反电动势模型计算得 出。电流模型计算出的滑差频率厶，与实际频率厶组成同步频率，输入触 发装置。然后通过p m 调制和自检测、自设定就能很好的控制电机了。由于全 数字控制变频器内部软件可灵活配置，利用其本身的硬件设备，通过执行固定 的子程序使变频器输出各种电压、电流信号，荐对采样数据计算处理可完成内 部自动参数设置、静态电机识别、空载试验和调节器优化，得出精度较高的电 机参数。这是调速系统功能的一大扩充，既简化了现场人员的工作，也为提高 交流调速系统的性能提供有力保证。矢量控制能够对电压、电流以及它们产生 的磁势、磁链的瞬间值进行控制，并且能够实现磁通和转距的解藕，从而大大 提高电机的动、静态性能。 2 7 本章小结 本章首先介绍了船舶电力推进仿真的意义，然后结合仿真应用的不同途径， 提出了该仿真系统的设计原则，依据具体的设计原则详细介绍了系统设计思路； 接着从系统的原理图和框架图出发，分别介绍了系统的具体组成，包括系统的 硬件选型和搭建、系统的数字软件仿真；最后探讨了变频器调速的不同方案以 及对矢量控制方案的选择。 1 5 嘲鳓 pl 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章船舶电力推进试验台监控系统开发 是了绦迁整令系统委鬻骞彦载工终，溉簿会船舷实醛瓣撵终蠖程，又l 满 足实验研究的分析工作，必须进行p l c 选型和p l c 程序的整体规划和设计。 3 1n e 概述及选型陶1 虿编稔序控案l 嚣( p r o g r 氇蕊曲l el o g i ee o n t r o i l e r ) 蔻潋擞楚遴器为藻穑， 综合了计算机与自动化技术而开发的新代工业控制装鼢，专为在工业环境下 褒艚嚣谩诗，宅采穗一群蹲编翟黟舞存镶器，矮予其内部存罐程侉，巍 亍逻辑 运簿、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或 模羧式熬羧入裣逡，控划番耱类黧耱援攮袋生产过程。薹 毛e 接逶港源螽，善先 进行自检，确定自身的完好性。然后p l c 进行清零或复做工作，消除各元件状 态熬疆辊燃；接下寒p l c 邀入霪垮l 耋摧毪黪，芄辩其肉郝鬟送行耀分为强大类 的操作：以故障诊断、通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和 输趱操捧，捷霉矮户程序靛操锋，戮及l 疑务手努郏设冬豹操终 o 时， y = _ j + n 2 + + n + c ；当打 0 时，y = 女+ 胛。具体的系数可以根据实验要求自由 的更改。在程序中实现如下： 武汉理t 大学硕士学位论文 3 4 变频器运行设置乜稍阳1 交额器群控系统应鬃瑶场总线连藏网络螽，除了在上一级蠡动彳皂系统迸荦亍 编程外，在每个变频器e 也要进行适当的设置。 3 4 1 变频器的基本设置 交频器插入c 8 p 卡嚣，就可黻遴过舔作面板l s 在装置上壹接对交羰嚣帮 逆变器进行参数设鼹、操作和监控。变频器的