（电力电子与电力传动专业论文）吊舱式电力推进控制系统人机界面开发及其仿真控制.pdf

本课题持续开展进行展望。 吊舱式电力推进系统集调速、控制和执行于一体，课题丌发了较为完整的监测控 制功能，完成了与硬件的联合调试，实现了功能( 硬、软) 模块化，设备标准化，反 映了当代船舶的发展方向，对提高我们的科研水平，以及推广应用将有良好的社会效 益与经济效益。 关键字：吊舱式推进器，监控，数据采集，人机界面，面向对象 t h eh m id e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o na n dr e a lt i m ec o n t r o l f o rp o d p r o p u l s i o ns y s t e m a b s t r a c t t h em a x i m a ld i f f e r e n c eb e t w e e nm o d e r ne l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g ya n d e a r l ye l e c t r i cp r o p u l s i o n i s b u i l d i n gi n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ( i p s ) i p sm e l t s t o g e t h e rt h ea d v a n c e dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h e n e wd e v e l o po fd r i v ea n de l c t r o m a c h n i ca r e a i n t e r n a t i o n a ls h i pb u i l d i n ga n d m a r i t i m ec o m p a n i e sh a v ep a i dg r e a ta t t e n t i o n st oi p s w i t h p o p u l a r i z i n g t h ef r u i t so fr e s e a r c h e s ，s m s c ( s h a n g h a im a r i t i m e s i m u l a t i o nc e n t r e ak e yl a b o r a t o r i e so ft h em i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n ) ，h a sb e e n a c t i v e l yd e v e l o p i n g m u l t i - m o d e m e r s ( m a r i n ee n g i n e r o o m s i m u l a t i o n ) i n t e g r a t e d s i m u l a t i o n s y s t e m 。r e c e n ty e a r s ，s m s ch a s c o m m e n c e dt h e c o n s t r u c t i n go fm u l t i - m o d em e r si n t e g r a t e ds i m u l a t i o nl a bw i t hf i n a n c i n gs u p p o r t o ft h em i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n t h ec o r eo ft h ep r o j e c ti s “m u l t i m o d ei n t e g r a t e d p o w e rs y s t e ma n de l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ”t h el a y o u to fn e we l e c t r i c a l p r o p u l s i o ns i m u l a t i o nl a bi sf o r e s e e i n g ，w h i c ha d o p t sp o da sas i m u l a t e do b j e c t t h i sr e s e a r c hi s g r e a ts i g n i f i c a n c e f o r a c c e l e r a t i n gt op o p u l a r i z ee l e c t r i c a l p r o p u l s i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e sr e s e a r c hj o b si n v o l v e di nt h ei m p o r t a n ts u bi t e m so f m u l t i m o d em e ri n t e g r a t e ds i m u l a t i o ns y s t e m ，a n da l s os u p p o r t e dt h ed o c t o r f u n d o ft h em i n i s t r yo fe d u c a t i o no ft h ep e o p l e sp u b l i co fc h i n aw h i c hr e s e a r c h e do n d y n a m i cl o a ds i m u l a t i o no fm a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o n t h ep r o j e c ta i m st o i n v e s t i g a t e a n dr e a l i z em a r i n e i n t e g r a t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi n a c c o r d a n c ew i t ht h en e wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r e n d so ft h ei m p r o v e m e n to fe l e c t r i c p r o p u l s i o n ，a n dh e n c et or e s u l ti nm o r ep e r f e c td e v e l o p i n gt e c h n i q u e sf o rm a r i n e e l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns i m u l a t o r s t h ep a p e rf o c u s e do nt h i st a s ka n dc o v e r e dt h e s e c o n t e n t s ：c o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a ld i e s e le n g i n ew i t ht h ep o dp r o p u l s i o n ，r e f e r r i n g t os o m en e wm a r i n ec o n t r o li d e a s ，d e s i g n i n gt h ef r a m eo fs o f t w a r ea n dc o n t r o lf l o w t h el o g i cc o n v e r to ft h ec o n t r o lm o d e so fp r o p u l s i o na n da z i m u t ha n g l ew a s r e a l i z e da n dt h e i rc o n t r o lf u n c t i o n si no c e a na n dm a n e u v e rm o d e sw e r ea l s o c o m p l e t e d t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sc o m p o s e do fo p e r a t i o nd i a g r a m s p r o p u l s i o ne q u i p m e n ti n d i c a t i o na p p a r a t u sa n ds h i pm o t i o nc u r v e sw e r ed e s c r i b e d ， w h i c hw a su s e f u lf o rt r a i n i n gs e n i o rm a n a g e r so ft h en e wg e n e r a t i o no fe l e c t r i c p r o p u l s i o n f i n a l l y ，t h er e l i a b i l i t yt e s to ft h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a s a l s of i n i s h e d t h ep a p e ri so u t l i n e db e l o w i nf i r s tc h a p t e r ，t h et a s kb a c k g r o u n d sa r e c o m m e n d e d i nc h a p t e r 2 ，t h es i m u l a t e do b j e c to fp o de l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi s a n a l y z e da n dc o n s t r u c t i o n l o g i c a lr e l a t i o n s h i po fm a r i n ei n t e g r a t i o nm o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，e m p h a s i z i n gi t sf e a t u r eo fh a r d w a r ei nt h e l o o ps i m u l a t i o n a f t e r w a r d s ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g ns t r a t e g i e s a r e d i s c u s s e di nc h a p t e r 3 ，e m p h a s i z i n gi t sf e a t u r e so fr e a l - t i m ec o n t r o la n do n l i n e s i m u l a t i o n t h a t st os a y , i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rw a sr e s p o n s i b l ef o rd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma n dr e a l t i m ec o n t r o l ，w h i l es o f t w a r ei n t e r f a c ep r o v i d e du s e r s w i t hl i v e l ya n df r i e n d l yh m l i nc h a p t e r 4 、s p e e d - r e g u l a t i n gs y s t e mf o rt h em a r i n e m a i ne n g i n ew i l lb es t u d i e da n da no p t i m i z i n ga r i t h m e t i co fm o t o rs p e e dw i l lb ep u t f o r w a r d c h a p t e r 5i sd e v o t e dt oa ni n t r o d u c t i o no ft h es y s t e mh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，w h i c hc o n s i s t so fo p e r a t i o ni n t e r f a c ea n ds h i pm o t i o ni n t e r f a c e t h el a s t c h a p t e rs u m su pt h ew o r kt h a th a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dt h ec o n t i n u a n c e e x p l o i t a t i o nw o r k t h en e w l ym a r i n ei n t e g r a t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t e dt h e f u n c t i o n so fs p e e dr e g u l a t i o n ，c o n t r o la n de x e c u t i o n ，w h i c hd e v e l o p e dm o r e m o n i t o rf u n c t i o na n df i n i s ha s s o c i a t i o nd e b u gw i t hh a r d w a r e ，a n da l s or e a l i z e s o f t w a r em o d u l a r i z a t i o na n de q u i p m e n tm o d u l a r i z a t i o n t h ep r o d u c tr e f l e c t st h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ec o n t e m p o r a r ys h i p p i n ga n dh a sag o o de c o n o m i c a l e f f e c to nt h ei m p r o v e m e n to ff u t u r es c i e n t i f i cr e s e a r c h b a oy a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e d b yp r o f z h e n gh u a y a o ，a s s o c p r o f h u a n gx u e w u k e y w o r d s ：p o dp r o p u l s i o n ， m o n i t o ra n d c o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o n ， h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e o o 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的 启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：2 錾 日期：豆：妻：塑 论文使用授权性声明 本人同意上海海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上 网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复 制手段保留论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 日期：! ! ： ! 第一章绪论 1 1 课题来源 能源匮乏和环境污染将成为人类在新世纪要面临的主要问题。从7 0 年代开始， 能源危机在全球范围内曾爆发过两次，这引起了各国对节能技术的高度重视。从 那时起，为了满足世界上货物贸易增长的需要，船的大小和速度都在不断提高。 然而节能却需要主机推进功率有一定限制。 从造船方面，解决策略是要研究一种高效灵活的推进系统。主流方式的电力 推进船舶已经有上百年的历史。2 0 世纪前期，汽轮机初次在舰船上应用，由于大功 率机械减速装置在制造工艺上尚有一定的困难，所以从护卫舰到航空母舰等许多 军用舰船，以及油船、客货船等许多大型民用船舶都采用了电力推进，并发展了各 种形式的电力推进装置。第二次世界大战后，随着科学技术的进步，已可批量生产 满足舰船动力要求的卤轮减速装置，而当时技术条件下的电力推进装置又由于增 多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺 点，故舰船又大量采用柴油机、汽轮机或燃气轮机的直接传动推进。在近十年中， 伴随着电力电子器件的飞速发展，大功率逆变器及交流调速技术的发展也同趋高 性能化。现代电力电子技术不仅彻底改变了船舶能量变换的面貌，而且使原先船 舶电力推进存在的一些缺点发生根本性的转化，其优点和长处得到进一步发扬。 同时进入实用阶段的永磁电机给舰船电力推进设备带柬更小的体积和重量；超导 技术和燃料电池的研究己在某些技术领域有了一定的进展“1 。 今天船舶所采用的电力推进已经不是以往的简单重复，无论是船舶总体系统 的组成或是推进装置自身的性能都有了长足的进步和提高。现代电力推进技术与 早期电力推进最大的不同就是建立了综合全电力( 推进) 系统( i n t e g r a t e dp o w e r s y s t e m 简称i p s ) ，也即把舰船电力推进和日常用电的发电设备综合为一个统一的 电网加以考虑和设计。“。它全面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，已引起国际造船和航运界的重视。美国、英国以及 北约组织的有关机构都在从事这方面的研究和规划；我国海军工程大学在舰船i p s 的电力集成发电模块上也取德了一系列开创性的成果，研制成功1 2 相交流整流型 充电发电机系统，交直流集成双绕组发电机等电力集成设备。 上海海事大学航运仿真中心在推广模拟器的产学研成果的同时，迫切需要探 索多模式机舱的仿真系统，改变单一模式的格局、提升原有设备和系统的科技含 量。2 0 0 2 年起，在交通部专项实验室基金的支持下开始“多模式机舱仿真系统实 验室”的建设，从推进形式分为四大类型机舱模式：m o d e l 为定距桨推进系统， m o d e 2 为变距桨推进系统，m o d e 3 为新型电力推进系统，m o d e 4 为小型机舱 物理仿真系统。其中核心部分的研究是“多模式船舶综合电力系统和电力推进系 统”。 新规划的针对新型电力推进装置的仿真实验室阻吊舱式电力推进系统为研究 对象，具有前瞻性。它对于培养新一代推进装置船舶的高级管理人才有实用价值； 同时作为研究性的基地，能为企业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。 该电力推进仿真系统采用多重网络拓扑结构，整个系统包括驾驶室中央控制 台，船翼控制台，集控室控制台，机旁控制台，吊舱仿真模型，推进电机及其控 制系统，负载电机及其船机桨仿真系统，电源管理及其电站仿真系统，监控与报 警系统等。本课题基于构筑的电力推进仿真系统硬件框架，结合先进船舶的控制 模式，开展了吊舱式电力推进人机交互界面的开发和监测控制软件的设计。 1 2 电力推进领域的国内外现状 吊舱式电力推进的历史仅1 0 多年，时间很短，发展迅猛，市场潜力大，它已 被广泛应用在各类民船的电力推进系统中：破冰船、航道工程船、近海支援船、 油轮、豪华游轮、小艇、调查船、起重机船、l n g 运输船等“，国外多家大公 司纷纷成立了专门从事吊舱推进业务的子公司，如a b b a z i p o d 公司、s i e m e n s 公 司和s t n a t l a s 公司。a b b 公司于1 9 9 0 年和k v a e r n e r m a s a 船厂联合研制的a z i p o d 系统开创了吊舱推进系统的先河，占据着吊舱式电力推进器的很大一部分市场，进 入2 1 世纪以来，a z i p o d 系统又有了新的发展。a b b 公司的c o m p a c t a z i p o d 系统投 放市场，使用最新的水冷式a c s 6 0 0 w 变频器驱动永磁电动机，实行直接转矩控制 ( d t c ) 。a z i p o d 系统的成功以及市场的潜力引来其他电力推进器设计商们的竞争。 目前，a z i p o d 系统最大的竞争对手是由k a m e w a 公司和a l s t o m 公司联合开发的 m e r m a i d 推进器，功率范围为5 2 5 m w , 该系统的独特设训在于轴封甚至整个吊舱 都可以在水下进行替换，每个推进器的叶片也可以在水下替换。而由德国s i e m e n s 公司和s c h o t t e l 公司联合丌发的s s p 系统是一种采用双螺旋桨形式的吊舱推进系 统。在2 0 0 1 年年初，热内亚m a r i o t t i 船厂为r a d i s s o n s e v e n s e a s 建造的5 0 0 0 0 吨级 的“s e v e n s e a s v o y a g e r ”号，使用了两套7 0 0 0 k w 的d o l p h i n 系统。目前，d o l p h i n 系 统功率为3 1 9 mw ，适用于各类高速高性能的船型。现在，又有一种新的系统一 2 一d c n 系统，是由法国政府防御部门提出来的，它采用静态模块吊舱概念，可以提供 1 0 0 0 k w 到2 5 m w 的功率，螺旋桨的转速在8 0 f f m i n 到2 5 0 f f m i n 之问。吊舱舱体 的尾部有一个舵形的鳍状物，以此提高稳定性。d c n 系统目前还主要在理论设计 阶段。 目前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泛， 使用的新产品和船型不多，推进系统的全套设备一般都要由国外引进组装。现在 国内主要从事这方面研究的是海军工程大学，他们提出了电力集成的技术思想， 在常规潜艇中研制成功了1 2 相发电机整流供电系统，给直流推进电动机供电，实 现电力推进；在核潜艇上采用交直流集成双绕组发电机供电系统进行混合电力推 进。此外，国内己生产电力推进船舶的厂家有上海爱德华船厂和广东的广船国际， 他们采用的是西门子的s s p 吊舱式电力推进系统。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，而烟大线渡船则采用a b b 公司的a z i p o d 推进器。中 国船舶工业总公司和中国水产科学研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，即用蓄电池作为电源，通过变频控制交流电机带动螺 旋桨柬推进船舶”3 。从满足游船需要的角度来说，该船的噪音、振动指标均符合 要求。就大型船舶的电力推进系统核心技术，全部为国外造船业所垄断，中国造 船业急需要自主产权的电力推进系统核心技术。 1 3 本课题的主要研究任务及设计方案 我校在“网络型集装箱船舶机舱轮机模拟器”的基础上于2 0 0 2 年开始探索多 模式机舱综合仿真系统。范围包括定距桨推进系统、船舶电力推进系统和自动化 机舱物理仿真系统的综合。研究成功的“船舶机舱集成模拟系统”项目已经在江 苏科技大学得到推广应用。2 0 0 5 年9 月，立体化的船舶电力推进实验室初步建成。 它以吊舱式电力推进系统为研究对象。 本研究课题正是在以上背景下进行的，其主要目的是，在现有的硬件框架上， 研究开发吊舱式电力推进监测控制软件和操纵人机界面，使之实时响应操纵命令 并且根据被模拟对象的数学模型进行仿真，同时通过数据交换，构成一个与实船 一致的、完整的监测控制系统。其主要工作包括： 1 吊舱式电力推进船舶控制系统资料搜集、仿真模型与特性研究。吊舱式电 力推进方面的资料目前国内极少，本课题借鉴和综合了一些先进船舶控制模式， 不断试验完善，取得了较好的实效。 2 数据采集与通道信息处理。吊舱式电力推进控制系统中的驾驶台、现场控 制台、集控台、吊舱现场台的各种操作数据输入输出，各种指示灯和电子显示仪 表显示，一共有2 8 8 个i o 通道，1 6 个a i 通道，2 6 个a 0 通道需要测试。研发的 数据采集与系统，能完成底层驱动、a 1 通道的滤波、抗干扰处理、信号校谁补偿 等任务。 3 监测控制系统的研究。 该部分研究主要分为操纵系统( 包括推进控制分系统和操舵控制分系统两个 分系统) 和髓测报警系统两部分。 ( 1 ) 船舶运动控制的仿真研究。 基于现有的吊舱式电力推进系统框架和实船知识，实现驾控面板各功能键的 功能及推进控制、操舵控制功能( 包括推进器的启动停止、螺旋桨转速控制、转 舵装置的启动停止、舵角控制等) ，并将控制程序与控制对象模型的进行联调、评 测，再进行修改和完善。 ( 2 ) 监测系统的研究。 本课题设计了监测系统的结构框架、技术方案，实现故障报警功能，报警显 示功能延时报警功能，报警回差功能，闭锁报警功能，报警自测试功能等。 4 人机界面的开发。 本课题采用v b 6 的语言丌发环境，针对驾驶室中央操纵台的操纵面板及其功 能，设计出友好直观的操纵人机界面和船舶运动仿真界面。研究人员通过该操纵 界面可以进行远程操纵、自动控制和应急操作，实现软操作，提高船员在实际工 作中驾驶能力；船舶运动仿真界面基于仿真数学模型，将船舶运动的航迹、航向、 船速、各类参数实时反映出来，便于学员更好地理解新型吊舱式电力推进船的运 动控制原理。 1 4 本课题的实践意义和价值 目前吊舱式电力推进系统的全套设备都由国外引进组装，技术核心完全掌握 在外国人的手中。本课题开发设计的电力推进监测控制程序是整个吊舱式电力推 进系统的一个重要的组成部分，是船舶操纵和控制系统的指挥中心。该系统能够 帮助操作人员缩短对新型电力推进控制装置的摸索适应期，不仅适应仿真应用中 的特殊要求，而且也有利于探索相关的关键技术，它符合国际造船和航海事业发 展的需要，前景看好。 其中的推进控制技术、操舵控制技术、转速舵角信号处理技术经过不断改进， 有望推广到实船的应用中。其中的动态操纵人机界面，消除单靠硬操作可能带来 的风险，实现既可软操作义可硬操作的目的，提高了操作的可靠性，具有良好的 实用价值。 4 第二章吊舱式电力推进仿真系统简介 2 1 吊舱式电力推进系统概述 所谓的吊舱式电力推进系统就是推进电机直接和推进螺旋桨相连，制成一个 独立的推进模块并吊挂在船体底部，该推进模块可以3 6 0 。水平旋转“。这样， 推进的方位角可以人为地进行控制和调节，其直接后果是取消了舵机系统及相应 的操纵机构。图2 - 1 所示的是吊舱式推进装置与传统轴系各部件之间的对应关系。 i磊、。-。、，一、， | 。j 一。= = - 。i 。、。一、。 + ：i 酋牵绻，、。选j 例21m 舱式推进和传统推进的比较 在吊舱式电力推进系统中，螺旋桨和推进电机共轴，两者之间没有任何其他 环节，结构简单、紧凑，通常制成一个独立的推进模块。它可以在船舶试航前安 装，甚至可以在海上进行卸装。吊舱式电力推进系统与传统的船舶推进系统相比 有如下优点1 ： ( 1 ) 推进器3 6 0 。水平范围内旋转，因此可在任何需要的方向产生推力，不 需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。 ( 2 ) 取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，从而节省了船舱空间，简化了安 装。 ( 3 ) 空间配置灵活，可以在机舱整个空间内立体布置，既方便灵活，又充分 利用了机舱舱容，为船体发计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵 活性。 ( 4 ) 推进效率明显提高，倒航时，回转和操纵性能优良，提高了紧急停船的 性能。 ( 5 ) 吊舱直接向外散热，推进电机不需要冷却，系统变得简单。 ( 6 ) 系统的噪声低，振动小，干扰小。 ( 7 ) 模块化设计原理使得推进模块可在船舶建造基本完成、准备试航前安装， 必要时，可在海上安装和拆卸推进模块，这样船舶的建造时间可以大大缩短。 2 2 仿真母型船概况 该仿真试验以广州船厂建造的一条1 8 0 0 0 吨的半潜船“泰安口”轮为母型船， 上层建筑及机舱位于艏部，装货甲板在舯部、艉部，设有动力定位( d p ) 系统。 主发电机组供电的p o d 式s s p 电力推进系统，功率可达2 4 7 0 0 k w ，可3 6 0 0 旋 转。船上配备的l 【级动力定位系统可控制s s p 推进系统和船艏侧推器，该电力推 进系统为两台4 7 0 0 k wp o d 式推进器和两台8 0 0 k wp w m 式侧推器，主推进系统 采用p o d 式推进器，利用c y c l o c o n v e r t e r 将6 6 k v 交流电转换成0 1 2 7 5 h z ，3 3 k v 交流电供给交流永磁同步电机，电机转速0 - 1 5 5 r p m 。利用y 型变压器将三 相6 6 k v 电源转换成8 0 0 v 交流电，减少了高次谐波的含量，再通过p w m 型交 直一交变频器向1 2 0 0 r p m 、三相异步电机供电，并用齿轮驱动螺旋桨。 该船主要承运钻井平台、导管架甚至潜艇等特种货物，其最大特点就是可以 下潜，下潜时，整个装货甲板浸入水中，只有尾部浮箱顶部及首楼在水线上面， 因而对该船的安全性、操作灵活性、自动化程度要求很高。为此，该船推进系统 的p o d 采用s i e m e n ss c h o t t e l 公司s s p 双桨型式，如图2 2 所示。吊舱采用前后 两只转向的桨，中间是永磁电机，外壳配有整流鳍”“。 图2 - 2s s p 电力推进系统般桨外形 由于电力推进系统的动力装置是发电机组，所以可以将全船的电力系统进行统 一管理。发电机的数量及功率，不仅仅取决于主推进器的功率，而且要考虑各工况 所用电力及工况问的关系，功率要有冗余。浚船的电气系统图见附录。从图中可以 看出，三台主发电机中可以有选择地给中压配电板供电，既可单机供电又可三台 机并车供电；自中压配电板通过变频器、逆变器为主推进器供电，实现主推进器 的变频控制：旋转变换器是利用6 6 0 0 v 电动机驱动发电机产生4 4 0 v 的电源，与 辅发电机一起为低压设备供电。主发电机不仅为主推进器供电，也可以为侧推器、 低压设备及照明供电，这样，就可以根据外部负荷情况来选择投入使用的发电机 的数量，使主发电柴油机在较高的负荷下工作，得到较好的经济性。有数据表明， 低负荷时电力推进柴油机的经济性约为常规c p p f p p 推进的两倍。而且，由于电 力推进系统振动小、噪音低等优点，越来越受到船东、设计单位的关注。所以， 选择该船作为仿真试验对象进行研究将对我国船舶电力推进的发展具有积极的推 动作用。 2 3s i e m e n ss s p 吊舱式推进系统简介 s s p 推进器系统是s i e m e n s 公司和s c h o t t e l 公司合作的产物，为了反映出该推 进器系统的合作开发的特点，取名为s s pp r o p u l s o r 。国内最新设计制造的多条电 力推进船均采用的s s pp r o p u l s o r 。s s pp r o p u l s o r 是一种吊挂式推进器系统，其功 率输出范围在5 - 2 0 m w 之间。图2 3 是该吊舱推进装置结构示意图。其最上面一 层是安装在船体内的推进操作室，里面配有电动液压操作系统，可以改变推进装 置的方位f 可起到舵的作用) ：中间一层是方位模块( 这个模块也安装在船体内) ；下 面一层则是伸入水中的推进模块。推进电机安装在推进模块推进轴的中部，此轴 的前后两端装着两个相反转向的螺旋桨。整个装置的3 个部分有通道和梯子连接， 人员可以上下通行，进行必要的操作和维修“。 实践证明，s s p 推进器系统的推进效率明显高于传统的柴油机直接驱动螺旋 桨系统。s s p 推进器系统的效率提高的主要原因有两个“：一是它的前后配对螺 旋桨设计；二是它采用了永磁式同步电动机。配对螺旋桨技术就是在一根轴上带 两个螺旋桨，它们的转向相同，分别安装在轴的两端；换句话讲，就是安装在推 进模块的前端和后端。焊接在推进模块上，位于两个螺旋桨之间的两个鲭，也有 助于提高推进器的总体效率。 7 幽2 3 吊舱推进装置 实船上推进所用的永磁同步电机是s i e m e n s 公司生产的p e r m a s y n 电动机。 现在这种电动机的额定功率最高可达2 0 m w ，和传统的同步电机相比，同样功率 下，该电动机的直径可减少4 0 ，重量可减少1 5 。这样，装有该电机的推进模 块的直径也相应地减少。这就使得螺旋桨的支撑轴和螺旋桨直径之比减少到 3 5 4 0 之间这对于提高s s p 推进器的推进效率是十分重要的。各种实验表 明，s s p 推进器系统相对于传统的柴油机直接驱动螺旋桨系统，节能在1 0 以上。 用于控制同步电动机的变速控制系统选用的是s i m a rd r i v ec y c l o 变流器，其 结构示意图见附录二。c y c l o 变流器控制一台同步电动机和传统的直流电力推进 系统相比，具有峰固、维修工作量小的特点。c y c l o 变流器把船舶电网的恒频交 流电转换成频率低、可调的交流电供给同步电动机的定子绕组。c y c l o 变流器的 输出频率可以在o 5 0 1 t z 之间无级调整，频率范围是和电动机直接相连的螺旋桨 的转速相一致的。从而保证了轴转距在整个范围内可控，变化平滑无振动。c y c l o 变流器的另一个特点是产生很少的转矩谐波和电压失真，对电网电压波形影响不 大。c y c l o 变流器由于可以和螺旋桨直接相连，从而不需要减速齿轮箱等传动机 构。s s p 推进器系统的特点决定了它特别适合于用电量较大，机动性要求高的船 舶。其次，还适合于输出功率经常变化的船舶，即经常处于机动操车状态的船舶。 如穿梭油轮、轮渡、客船、冰区航行的船舶、化学品船、各种工程船舶等。 至于海军舰船，电力推进可以说是一个必然的。这样的综合系统不但能充分 发挥电力推进原有的优点，而且能为舰船作战使用带来最大的灵活性，能够满足 海上运行的各种要求。它的优势如下：” f 1 ) 有利于舰船动力装置配置。 传统舰船轴系的长度往往占舰船全长的4 0 左右，故舰船的设计长度在很 大程度上取决于推进装置轴系的布置，这就使舰船总体设计的优化受到一定的限 制。采用综合全电力推进系统，推进装置就不需要构成长轴系，柴油机、燃气轮机等 原动机、推进电动机和发电机组都可以相对独立布置，使总体设计的自由度大大增 加。 电力推进可以选择更合适的螺旋桨，减少附加阻力；可用电力推进器替代舵， 提高舰船的性能等。 ( 2 ) 有利于舰船电网电力供应。 舰船所有原动机综合在一起发电，可以使全舰电网可用电力大大增加。这不 仅可以大大提高电网供电的可靠性，而且还可以解决末来舰船高能新概念武器的 供电问题。 电网较大的储备发电能力可为未来舰船的中期改装留有充足的裕量。 发电原动机的运行数量和类型可以自由选择肩e 保证它始终处于最佳负荷状 态，大大提高了机组的工作效率，节省了能源。 ( 3 1 自利于提高螺旋桨效率。 采用定距桨替代可调螺距桨可以提高螺旋桨的效率。 不需要复杂的附加装置就可以采用高效率的对转螺旋桨。 采用吊舱式电力推进可以将螺旋桨移到舰船边界层外侧，并处于稳态流中， 提高螺旋桨的推进效率。 ( 4 ) 提高舰船隐形性能 舰上的原动机可以尽可能靠近尾部布置，使废气和烟从舰尾排出，减少对外 辐射的红外特征信号，提高了隐身性。 电力推进不需要配备减速齿轮箱，减小了舰船自身的辐射噪声，同时也增大 了本舰声纳的探测距离。 ( 5 ) 降低舰船研制费用 综合全电力( 推进) 系统便于实现舰船设备系统大范围的模块化，以及舰级之 间设备系统的全面通用，大幅度降低各种类型舰船的研制成本。 可以提高工作效率，降低燃油消耗，大大降低舰船的运行成本。 ( 6 ) 有利于舰船建造。 电力推进的轴系比直接传动推进的轴系简单得多，人人减轻了轴系安装的工 作量。 综合电力系统的各种专业模块可以在车间里制造和事先组合调试，然后直接 9 上舰安装，十分方便，而且能有效地保证设备的安装质量和可靠性。 现代电力推进技术已经成为未来舰船平台的核心，对舰船技术的发展具有重 要意义。 2 4 基于f c s 与i p s 的电力推进数模仿真系统 1 硬件系统 船舶电力推进系统的原理非常简单，即由电机直接或间接驱动螺旋桨推进器。 e p s 系统一般包括原动机、驱动电机、螺旋桨推进器和速度调节控制系统。驱动 电机有两类：同步电机和笼式感应电机。同步电机用于低速场合，直接与螺旋桨 相联；而鼠笼感应电机则用于高速传动( 额定转速在9 0 0 至1 8 0 0 r r a i n 之间) ，通 过减速箱与螺旋桨推进器相联。e p s 仿真器、电力系统谐波抑制系统、中压开关 系统、综合电力系统( i p s ) 。 e p s 仿真系统主要包括桥楼集控室，机舱集控台，大功率综合供配屯仿真系 统( 中低电压配史盘) ，电网谐波抑制滤波器，仿真功率因数校正器，用于交流调 速和频率转换的仿真装置，三相变压器，推进电机，液压制动系统，实时数据采 集系缔计算机网络管理，吊舱物理模型系统，发电机和仪表盘等等。在仿真系 统申- i 原动机和发电机用软件仿真，由“岸”上供电。船舶推进负载仿真系统包 括涡流测功计、惯性仿真电机、测速装置、d s p 控制单元，由这些模拟实际的螺 旋桨推进系统。系统包含三台仿真电机，其中一台电机是用于吊舱推进系统的同 步电机；一台5 5 k w 永磁电机，仿真对象是1 3 m w 的船用推进电机；一个l l k w 的惯性电机用于船舶推进器的特性仿真。 本电力推进仿真系统有两层，楼上驾驶室安装了两组电力推进控制系统如图 2 4 ，楼下安装了一个吊舱模型( 如图2 5 ) 及半实物电力推进仿真装置，该多仿 真系统模仿了船舶上的主机遥控方式。 该系统结构采用多台工控机分别完成各自的数据采集与控制功能，然后通过 双重网络拓扑结构将其联成一个完整的电力推进数模仿真系统。即整个系统由七 台仿真工控机：驾驶台数据采集与控制计算机、集控台数据采集与控制计算机、 吊舱现场控制台数据采集与控制计算机、推进电机控制计算机、船机桨特性仿真 计算机、电源管理与仿真电站控制计算机、综合监控与报警计算机组成。各仿真 与控制计算机之间采用双重网络拓扑结构，其中实时控制信号采用f i e l db u s 通信， 其他信号采用e t h e r n e t 网络结构。 图2 4 电力推进仿真装置图2 - 5 吊舱模型 驾驶台数据采集与控制计算机主要用于采集驾驶室中央控制台和船翼控制台 上的各种操作数据，控制台上各种指示灯和电子显示仪表，以及电力推进数模仿 真系统的相关界面与参数的显示。 2 软件系统 电力推进模拟器的全部功能本质上是通过软 件来实现，图2 - 6 是该仿真器的软件系统图，软 件系统配置如下： 1 ) 电力推进仿真软件 电力推进仿真软件是电力推进器的主体软 件，是实现计算机数学仿真的应用系统。软件系 统包括：监测控制系统软件，船舶电站的供配电 与应急综合管理软件，系统谐波分析软件，机舱 安全控制软件，船舶常水阻力和运动仿真软件( 包 括推进控制，动态定向) 等。 2 ) 计算机系统软件 图2 - 6 电力推进控制软件系 计算机系统软件是指为了方便用户和充分发挥计算机的交互效能；由计算机 厂家提供的一系列软件，包括操作系统，编译程序，诊断程序和网络通讯程序等。 本计算机操作系统采用w i n d o w s 2 0 0 0 。 3 ) 仿真软件开发支持系统软件 仿真软件丌发支持系统功能是支持仿真软件的开发、调试、维护和实时运行。 本仿真器由v b 6 0 作为支持系统软件。 4 ) i o 接口软件 利用研华p c l 7 2 2 、7 2 7 、8 1 2 p g 提供的接口驱动程序，在v b 6 0 下编制的i o 数字量输入输出和模拟量输入的信息处理以及口线诊断程序。 2 5 综合电力推进监控系统硬件框架 1 硬件框架 综合电力监测控制系统如图2 7 所示，由以下几个分系统组成：( 1 ) 1 0 0 m 以 太网系统；( 2 ) 操纵系统，包括推进控制分系统和操舵控制分系统等两个系统； ( 3 ) 监测报警系统，包括前机舱监测分系统、后机舱监测分系统、辅助设备监控 系统等三个分系统。 ( 1 ) 1 0 0 m 以太网系统组成 系统由显示终端、网关控制器、通信介质三部分组成。 系统在驾驶室及机电长室各设显示终端1 套。考虑抗电磁干扰等因素，显示 终端均选用工业级液晶显示器( l c d ) 。全船电力推进系统的所有测点数据均可传送 到该终端，并可通过其查询历史数据。协议选用t c p i p 。 幽2 - 7 监测报警系统组成框图 目f ：q r ( 2 ) 推进控制系统组成 推进控制系统主要由驾驶台、机旁控制两部分。 驾驶台设有驾驶操作控制板( b o p ) 、备用控制板( b k p ) 、驾驶台桥翼操纵 板( w b o p ) 各2 块，应急车钟、车钟记录仪各2 套，仪表板2 块，主车钟( 同 组合操纵杆) 2 套。驾控操作控制板上有：机桨组合操纵杆( 旋转操舵、前后 操推进转速) 、操作模式选择开关( 自动舵d p 操纵海上航行模式) 、驾驶室和e c r 的控制地点转换开关、驾驶室控制确认按钮、推进