太陽(yáng)能游覽船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真

鄭仁求，俞 萬(wàn)能，陳景鋒

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

太陽(yáng)能游覽船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真

鄭仁求，俞 萬(wàn)能，陳景鋒

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

針對(duì)新型太陽(yáng)能游覽船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，分析了該船舶的電力系統(tǒng)構(gòu)成并在此基礎(chǔ)上分別建立電力推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)電機(jī)、推進(jìn)控制策略以及螺旋槳負(fù)載的數(shù)學(xué)模型.結(jié)合逆變裝置模型，建立電力推進(jìn)系統(tǒng)整體仿真模型，根據(jù)實(shí)船的實(shí)際參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行仿真分析.結(jié)果表明，所提出的模型能夠及時(shí)響應(yīng)電機(jī)負(fù)載的變化，且抗干擾性強(qiáng).

太陽(yáng)能游覽船舶；電力推進(jìn)；螺旋槳負(fù)載；系統(tǒng)仿真

0 引言

近年來，由于電力推進(jìn)的船舶具有經(jīng)濟(jì)性好，噪音低、振動(dòng)小，可提高船舶的機(jī)動(dòng)性和操縱性，機(jī)艙布置靈活，安全性好，有利于船舶控制環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用[2].利用太陽(yáng)能作為電能來源在陸上已得到了廣泛的應(yīng)用[1]，但由于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率偏低，能量供應(yīng)不足以及電能貯存比較困難，因此太陽(yáng)能在大中型船舶上的應(yīng)用受到限制.而對(duì)于風(fēng)景區(qū)旅游觀光船舶，太陽(yáng)能發(fā)電加上鋰電池蓄能基本能夠滿足船舶用電的需求.船舶電力推進(jìn)和太陽(yáng)能技術(shù)的結(jié)合，是旅游船舶的發(fā)展方向.

目前針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究較多，文獻(xiàn)[3-4]建立了由十二相同步電機(jī)、電壓型逆變器、螺旋槳及船舶負(fù)載組成的推進(jìn)系統(tǒng)的各部分及系統(tǒng)的仿真模型.文獻(xiàn)[5]以船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)為研究對(duì)象, 建立永磁同步電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的數(shù)學(xué)模型及基于Simulink的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型.文獻(xiàn)[6]建立了船舶電站、永磁同步電機(jī)和船槳組成的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.以上文獻(xiàn)的研究均偏向大型電力推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)一般采用永磁同步電機(jī).文獻(xiàn)[7-8]對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)速度控制展開了研究，沒有進(jìn)行船舶螺旋槳負(fù)載分析，缺乏對(duì)整體船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真研究.而在小型游覽船舶中，推進(jìn)電機(jī)也有采用異步電機(jī)的，如文獻(xiàn)[9]基于異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制來進(jìn)行小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真.因此，筆者針對(duì)太陽(yáng)能游覽船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)湖沿海游覽船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行研究,重點(diǎn)分析其電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真.

1 太陽(yáng)能游覽船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.由太陽(yáng)能電池板吸收光能發(fā)出直流電，通過充電機(jī)供給蓄電池組充電，蓄電池組儲(chǔ)存的能量作為整船的電力源.蓄電池組需要進(jìn)行能源管理控制，從而達(dá)到各電池組充放電的控制.因?yàn)樾铍姵亟M發(fā)出的直流電正好滿足了無(wú)刷直流電機(jī)的要求，所以蓄電池組直接通過左右電機(jī)控制器給左右電機(jī)供電而無(wú)需轉(zhuǎn)換裝置.蓄電池組另一部分能量供給負(fù)載部分，包括照明系統(tǒng)以及其他一些用電設(shè)備，推進(jìn)部分通過左右推進(jìn)手柄控制，PLC采集到左右推進(jìn)手柄改變的電阻信號(hào)，進(jìn)而由控制器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速的性能，帶動(dòng)螺旋槳運(yùn)動(dòng).

圖1 太陽(yáng)能電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 游覽船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)分析

2.1 無(wú)刷直流電機(jī)

三相星形連接的無(wú)刷直流電機(jī)的控制示意圖如圖2所示，采用的是全橋式驅(qū)動(dòng).電動(dòng)機(jī)的定子A、B、C 三相繞組星形連接，并分別與三個(gè)功率橋臂(V1～V6)的中點(diǎn)相連接，D1～D6為續(xù)流二極管，轉(zhuǎn)子為一個(gè)兩極永磁體，在定子上三個(gè)位置傳感(H1、H2、H3)相互間隔120°對(duì)稱放置.隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，位置傳感器下的磁場(chǎng)極性會(huì)隨著永磁體的磁場(chǎng)變化而變化，從而產(chǎn)生三路相位相差 120°電角度的開關(guān)位置信號(hào).經(jīng)控制電路邏輯運(yùn)算后，產(chǎn)生三相換相邏輯信號(hào)并觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，從而使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)并輸出轉(zhuǎn)矩和功率.

2.2 船槳數(shù)學(xué)模型

[9]可知螺旋槳負(fù)載數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得出船槳的運(yùn)動(dòng)模型，如圖3所示.進(jìn)速比J是描述船舶運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，它表示螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周的軸向進(jìn)程與槳徑的比值，它的計(jì)算與轉(zhuǎn)速n、螺旋槳直徑D及進(jìn)速vp有關(guān).其中扭矩系數(shù)KM、KP與推力系數(shù)J有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，可以采用切比雪夫多項(xiàng)式來表示，進(jìn)而求出轉(zhuǎn)矩M與有效推力Pe，通過Pe與船舶總阻力Rf的反饋，求出船速vs.從模型中可以看出輸入量只有螺旋槳轉(zhuǎn)速，輸出量為推進(jìn)電機(jī)(BLDCM)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm[10].本文游覽船舶螺旋槳槳徑為530 mm，螺距為400 mm.

2.3 太陽(yáng)能游覽船舶推進(jìn)控制策略

根據(jù)太陽(yáng)能游覽船舶屬于中小功率船型特點(diǎn)以及BLDCM工作原理，采用比較成熟的位置反饋與速度反饋的控制策略，其控制圖如圖4所示.通過檢測(cè)BLDCM轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，送到轉(zhuǎn)子位置譯碼電路，經(jīng)放大和邏輯變換，形成正確的換相順序信號(hào)，去觸發(fā)、導(dǎo)通相應(yīng)的IGBT功率開關(guān)元件，使之按一定的順序接通或關(guān)斷定子相繞組,從而使電機(jī)可按一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn).如果僅是位置反饋，電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較容易受預(yù)定速度控制信號(hào)的影響，加載時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)下降，所以引入了速度反饋環(huán)節(jié)，通過實(shí)際電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋與預(yù)定轉(zhuǎn)速控制信號(hào)相比較、放大后，用其差動(dòng)量去校正控制對(duì)象，直至控制轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)達(dá)到平衡.

在控制系統(tǒng)中，通過船槳模型將螺旋槳負(fù)載加載到電機(jī)中，驗(yàn)證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能否滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求，通過模擬海況，在控制系統(tǒng)中引入擾動(dòng)，驗(yàn)證系統(tǒng)能否快速響應(yīng)，重新達(dá)到穩(wěn)定.

圖4 BLDCM控制圖

3 控制系統(tǒng)仿真

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)BLDCM數(shù)學(xué)模型、負(fù)載數(shù)學(xué)模型以及推進(jìn)控制策略，參考Matlab/Simulink中SimPowerSystem工具箱提供的模塊庫(kù)，建立了游船電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真框圖，如圖5所示.電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)速的輸入.通過實(shí)船數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真.

3.2 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空載啟動(dòng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定以后，進(jìn)行海況模擬.在t=0.3 s時(shí)對(duì)螺旋槳負(fù)載加入階躍擾動(dòng)，可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速n、a相電流ia、a相反電勢(shì)ea、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te、螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm以及船速vs仿真曲線，如圖6～10所示.

從圖6、圖7仿真波形可以看出，在給定參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)速度快且平穩(wěn).圖8、圖9可以看出相電流和反電勢(shì)符合理論分析的梯形波和方波.圖10可以看出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩能夠隨之響應(yīng)，轉(zhuǎn)矩有一定的脈動(dòng)，這主要是由電流換向引起的，在模擬海況加入擾動(dòng)后，系統(tǒng)能夠很快恢復(fù)到平衡狀態(tài)，說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力.

4 結(jié)論

本文分析了太陽(yáng)能游覽船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)分析了推進(jìn)電機(jī)(BLDCM)模型和螺旋槳運(yùn)動(dòng)模型，在Matlab/Simulink中建立控制系統(tǒng)的仿真模型，采用了速度與位置反饋的控制策略，對(duì)負(fù)載與電機(jī)的整體進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)速度快且平穩(wěn)，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，說明仿真模型建立的可行性.加入擾動(dòng)后說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，仿真模型可以方便有效地實(shí)現(xiàn)多種控制算法和控制策略，為實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了有效的方法.

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(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

The Simulation Study of Electrical Propulsion System for Solar Tourism Boat

ZHENG Ren-qiu，YU Wan-neng，CHEN Jing-feng

(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

Based on the structure of a power system which was proposed for the electric propulsion system of new solar boat,the mathematical models of propulsion motor,control strategies and the propeller load for the electric propulsion system were set up respectively.Combining with the model of inverter device,the system simulation model of the electric propulsion system was established.The integrated simulation test was carried out using the values of various parameters of the actual boat.The simulation results showed that the established model could be able to respond to changes of motor load in time and have the strong anti-interference ability.

solar tourism boat；electric propulsion；propeller load；simulation

2013-09-10

[修回日期]2013-10-08 [基金項(xiàng)目]福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2012D035，2013H0034)；廈門市科技項(xiàng)目(3502Z20123023)

鄭仁求(1988—)，男，碩士生，從事船舶電力推進(jìn)及其控制研究．通訊作者：俞萬(wàn)能(1970—)：男，副教授，博士，從事船舶電氣自動(dòng)化研究. E-mail:wnyu2007@jmu.edu.cn．

1007-7405(2014)02-0122-06

U 665.13

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