張敬南 叢望

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

為了使所設(shè)計(jì)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)的要求，結(jié)合螺旋槳模擬裝置對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行演示驗(yàn)證是必不可少的[1]-[4]。螺旋槳模擬裝置必須能真實(shí)地模擬實(shí)際工況下螺旋槳的特性才能對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)起到有效的檢驗(yàn)。直流電機(jī)構(gòu)建了螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬系統(tǒng)為推進(jìn)系統(tǒng)提供螺旋槳負(fù)載模擬轉(zhuǎn)矩取得了很好的效果[5,6]。但是考慮到直流電機(jī)自身缺點(diǎn)，在大容量螺旋槳負(fù)載的模擬方面受到了限制。而現(xiàn)代電力電子技術(shù)及交流電機(jī)變頻控制技術(shù)的迅速發(fā)展，基于交流電機(jī)變頻控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大容量螺旋槳負(fù)載模擬技術(shù)的研究成為可能。作者基于三相籠型異步電機(jī)進(jìn)行螺旋槳負(fù)載模擬的研究，對(duì)三相籠型異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩矢量控制策略進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。結(jié)合螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了螺旋槳典型工況的仿真研究，探討了采用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行船舶螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬的可行性。

1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩矢量控制

1.1 基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

實(shí)現(xiàn)矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換獲得等效的直流電機(jī)模型，從而實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈的分別控制，分別獲得轉(zhuǎn)矩分量和磁鏈分量的控制值，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以獲得實(shí)際系統(tǒng)的控制參數(shù)。矢量控制采用基于mt旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型[7]。設(shè)定m軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?Ψr的方向，t 軸與矢量 Ψr正交。mt旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系籠型異步電機(jī)狀態(tài)方程為

轉(zhuǎn)差角速度

坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度

角位移θ與坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為

由于 ψr的方向定義為 m 軸，故 ψr=ψmr，且 ψtr=0。電磁轉(zhuǎn)矩為

1.2 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制策略

圖1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制策略框圖

基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向?qū)崿F(xiàn)了異步電機(jī)的矢量解耦，為磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的控制提供了方便，基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)閉環(huán)矢量控制策略的原理框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和磁鏈控制環(huán)均采用了具有電流閉環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式。圖中，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出是電流轉(zhuǎn)矩分量給定值；AΨR為磁鏈調(diào)節(jié)器，輸出是電流勵(lì)磁分量給定值；ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器；ACMR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制的作用是將檢測(cè)到的電流進(jìn)行3/2轉(zhuǎn)換，得到mt坐標(biāo)系中的電流ism和ist分別與給定值作比較，并設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器構(gòu)成電流閉環(huán)，電流調(diào)節(jié)器的輸出是mt坐標(biāo)系下定子電壓的給定值，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變化獲得靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓值，再通過控制逆變器獲得輸出三相電壓。

異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測(cè)基于 mt坐標(biāo)系的電流與磁鏈關(guān)系確定，即根據(jù)式（1）中第三式和式（2）~式（4）來確定轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和空間位置。

2 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型

螺旋槳推進(jìn)器的作用是把原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橛靡钥朔斑\(yùn)動(dòng)水阻力的推力，推進(jìn)器通過把水推向反方向而得到船舶前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)螺旋槳的工作原理[8]，定義螺旋槳的進(jìn)速為螺旋槳相對(duì)于水的軸向前進(jìn)速度為

式中，Us為在船速，單位m/s；w為伴流系數(shù)，是考慮船在水中航行時(shí)產(chǎn)生對(duì)螺旋槳的伴流影響而引入的系數(shù)。

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定義進(jìn)速比修正值'J為

式中： Dp為螺旋槳的槳徑，單位為m；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，單位為rps。

其軸向推力P和阻轉(zhuǎn)矩Mp可表示為

式中：ρ為海水密度，單位為 kg.s2/m4；Kp，Km分別為螺旋槳的推力系數(shù)和阻轉(zhuǎn)矩系數(shù)。相應(yīng)的推力系數(shù)和阻轉(zhuǎn)矩系數(shù)也變?yōu)樾拚?，?duì)應(yīng)曲線和曲線

根據(jù)式（9），螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與船舶的航行速度是有關(guān)的。當(dāng)只考慮船舶的直航運(yùn)動(dòng)時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)方程為

式中：m為船體質(zhì)量；k為附連水系數(shù)；Rf直航運(yùn)動(dòng)船舶所受阻力；t為推力減額系數(shù)，是考慮螺旋槳工作時(shí)使船體總阻力增加而引入的系數(shù)。

綜上，可得到船舶直航推進(jìn)時(shí)考慮船槳相互作用的螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算框圖如圖2所示。

圖2 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算框圖

為了突出螺旋槳負(fù)載模擬技術(shù)的研究重點(diǎn)，圖譜采用典型曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，重點(diǎn)研究船舶起航及反轉(zhuǎn)過程中螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩所體現(xiàn)的起航特性和反轉(zhuǎn)特性。

3 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬裝置仿真

基于圖2所示控制原理框圖構(gòu)建螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬系統(tǒng)的仿真程序。

螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)采用的模擬電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)：額定功率160 kW，額定電壓400 V（Y接），額定電流331 A，頻率30 Hz，額定轉(zhuǎn)速444 rpm。定子繞組電阻 0.0138 Ω，轉(zhuǎn)子繞組電阻0.00773 Ω，定、子漏電感0.152 mH，激磁電感7.69 mH。螺旋槳推進(jìn)裝置采用基于轉(zhuǎn)速矢量控制的異步電動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，本文不作介紹。推進(jìn)系統(tǒng)及螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1972 kg?m2。結(jié)合螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)起動(dòng)及反轉(zhuǎn)過程進(jìn)行螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬裝置的仿真，仿真曲線如圖3和圖4所示。

圖2 考慮船槳相互作用的螺旋槳轉(zhuǎn)矩模型

圖3 轉(zhuǎn)速與模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬過程中的電流與磁鏈

根據(jù)圖3所示，在螺旋槳起動(dòng)及反轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)矩負(fù)載模擬電機(jī)正確的模擬出負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況，恰當(dāng)?shù)倪x擇調(diào)節(jié)其參數(shù)，可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩跟隨性能，轉(zhuǎn)矩震蕩也較小。根據(jù)圖3（d）螺旋槳負(fù)載反轉(zhuǎn)特性的模擬中，反轉(zhuǎn)特性從第一象限（推進(jìn)系統(tǒng)正向電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）到第四象限（推進(jìn)系統(tǒng)回饋制動(dòng)狀態(tài)），以及第四象限到第三象限（推進(jìn)系統(tǒng)反向電動(dòng)狀態(tài)）的過渡平滑，沒有發(fā)生反復(fù)的震蕩現(xiàn)象。

根據(jù)圖4所示，m軸電流、t軸電流體現(xiàn)了正確的變化形式，定子電流的勵(lì)磁分量（m軸）建立磁場(chǎng)后，受擾動(dòng)波動(dòng)較小，磁鏈波形較為穩(wěn)定，如圖4（d）所示。當(dāng)負(fù)載模擬電機(jī)被拖動(dòng)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載模擬電機(jī)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，t軸電流小于0；減速過程中，推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)了回饋制動(dòng)，負(fù)載模擬電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，t軸電流大于0；當(dāng)轉(zhuǎn)速過零且反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載模擬電機(jī)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是根據(jù)圖4（c）所示，此時(shí)負(fù)載模擬電機(jī)三相電流相序反向，即負(fù)載模擬電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向反向，所以t軸電流依然保持大于0的狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過采用鼠籠式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬，結(jié)合船舶螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩負(fù)載模擬的仿真研究，仿真曲線正確且滿足特性要求，驗(yàn)證了基于轉(zhuǎn)矩矢量控制的籠型異步電機(jī)進(jìn)行螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬的可行性。

本文研究所采用的轉(zhuǎn)矩矢量控制的思想基于電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)矢量控制的思想，控制算法和控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；磁鏈閉環(huán)和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)均采用雙閉環(huán)形式，通過引入的電流內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)了限幅保護(hù)并加快了跟隨性能。

本文研究成果可以為大功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載模擬的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方案，有助于大功率船舶陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及其他機(jī)械負(fù)載模擬系統(tǒng)的構(gòu)建。

[1]賀慧英，沈建清. 艦船電力推進(jìn)負(fù)載試驗(yàn)技術(shù)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào). 2009, 30(4): 83-89.

[2]馬偉明. 電力集成技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2005,20(1): 16-20.

[3]LITTLE G T, YOUNG S S, NEWELL J M. The electric warship Ⅶ : the reality[J]. Journal of Marine Design and Operations, 2003(2): 3-16.

[4]Ren W., Steurer M., Woodruff S. Progress and challenges in real time hardware-in the loop simulations of integrated ship power systems[J].Power Engineering Society General Meeting, 2005.IEEE. 2005: 534~537.

[5]陳實(shí)如, 李殿璞. 船用螺旋槳負(fù)載動(dòng)態(tài)仿真裝置研究[J]. 2001.22(2): 37-40.

[6]劉勇.一種能模擬螺旋槳特性的新型負(fù)載模擬裝置的研制[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2002(16): 30-32.

[7]阮毅, 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[8]李殿璞. 船舶運(yùn)動(dòng)與建模(第 2版)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.