对小型船舶综合全电力推进实验平台的研制

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1、小型船舶综合全电力推进实验平台的研制李俊科俞万能严华集美大学轮机工程学院，福建厦门，361021[摘要]介绍了小型船舶综合电力推进实验平台的机械和电气设计方案及相应的船桨模型。本平台主要由推进、模拟负载和测量三个子系统组成。推进系统主要由变频驱动装置、操作监控台、推进电机构成；模拟负载系统由交流电动机、四象限变频驱动装置、监控系统及负载模型软件组成；测量系统由转速传感器、转矩传感器以及PLC组成。各个子系统之间相对独立，即可以单独进行系统各个环节控制优化以及故障诊断技术研究，也可以联合一起进行系统动态性能以及集成

2、技术研究。该实验装置的研制成功将为综合全电力推进系统的教学与研究提供良好的陆地验证平台。[关键词]船舶；电力推进；实验；设计[中图分类号]：TM712[文献标识码]A0前言长期以来，柴油机推进装置在船舶推进方式选择中占绝对主导优势，但随着能源的日益枯竭以及对船舶运输的环保节能要求，而且纯内燃机技术己趋于成熟，无更大突破性的发展潜力，在此背景下，电力推进技术开始崛起。电力推进船舶具有良好的性能和明显的节能效果，国内外对电力推进船舶的开发和研究方兴未艾，电力推进系统是当今船舶研究的热点之一，并将逐步进入船舶推进主流。

3、目前世界上采用的电力推进的船舶，其电力系统绝大多数是采用综合电力系统，即船上的电力系统在所有工况下同时向电力推进装置和全船其他用电设备供电，以实现全船能源的综合利用和统一管理。综合全电力推进系统将船舶电力系统和推进系统组成一个整体,实现能源综合利用和统一管理,为船舶电力推进系统的发展指明了方向。采用全电力推进的船舶电力系统的推进电机负荷与船舶电站容量具有可比性,推进电机的运行将直接影响船舶电站的安全运行,对二者控制系统之间的协调提出了更苛刻的要求。文献[1-3]对舰船的电力推进系统中电动机调速控制展开了研究,但缺

4、乏对整体船舶电力系统的仿真研究。文献[4]从混合仿真系统的角度研究了电力推进系统数学模型和仿真,为全电力推进模拟器研制进行了积极探索。文献[5]建立了柴油发电机组和负荷系统的数学模型,对发电机机端频率和电压进行了仿真,但只考虑了静态负荷模型。文献[6]整体上研究了船舶电力推进系统的数学模型,实现了动态和静态特性计算与仿真,但没有进行柴油发电机组并联过程的仿真。从船舶综合全电力推进系统整体着手对船舶电站、推进电机及螺旋桨数学模型进行深入研究。以上文献的研究对象大多都是进行电力推进系统的原理仿真,很少着重于电力推进系

5、统控制功能的实现上，而针对螺旋桨负载，研究通过控制实现更好推进性能论述更是不多。文献[7]介绍了推进控制的功能以及对电站的连锁保护，并没有从螺旋桨的推进特性的要求分析推进控制，文献[8]阐述综合电力推进系统的控制功能，主要包括电站智能化控制(即功率管理系统)、推进系统控制和变频调速系统的控制。为了实现更好的电力推进系统的推进功能以及推进性能，对推进控制要求的分析，设计以PLC为核心的控制系统，并进行实验验证。1小型船舶综合电力推进实验系统组成小型船舶综合电力推进实验平台由推进电机子系统、螺旋桨负载仿真子系统、工控

6、机(船桨模型)以及操纵模拟驾驶台等子系统构成。推进电机子系统由一台作为推进电机的三相异步电动机和对该电机进行调速控制的变频器和可程序逻辑控制器(PLC)构成；螺旋桨负载模拟子系统由一台与推进电机同轴刚性相连的作为负载电机的三相异步感应电机、控制该电机的四象限变频器和PLC、转速传感器、扭矩传感器、工控机以及螺旋桨模型构成；操纵驾驶模拟台由触摸屏、操纵手柄以及各种指示灯仪表构成。整个综合电力推进实验平台如图1和图2所示。推进电机子系统作为真实的船舶电力主推进系统，模拟船舶上的推进环境；螺旋桨负载仿真子系统从两同轴电

7、机轴上的转速传感器(光电编码器)得到转速信号，送至工控机中船桨仿真模型，得到一个与真实的螺旋桨负荷相同的负载转矩，经由PLC系统中的D/A模块转换成4～20mA电流信号输出给四象限变频器作为其转矩给定信号，再由变频器控制负载电机使推进电机提供相应的负载转矩，使得推进电机如同带动水中的螺旋桨运行一样，实现在陆地上进行船舶电力推进的模拟实验。该实验装置中，交流异步电机充当负载，当模拟船舶推进时，负载电机被推进电机拖动，处于再生发电制动状态。由于负载为异步电动机，要使其稳定工作于某一工作点，机械转速的电角频率必然大于变

8、频器供电的电角频率，此时电机转速由推进电机和负载电机共同决定。对于螺旋桨负载仿真子系统而言，PLC将采集到的转速送入船桨模拟模型中，计算出一个负载转矩，并将其作为变频器的转矩给定值，驱动负载电机提供负载转矩，属于一个转矩随动控制系统，需要控制的是负载电机在发电机状态下的转矩。图1综合电力推进实验平台图2推进操作控制台Fig.1Theintegratedelectricpr