推進(jìn)制動(dòng)控制和制動(dòng)電阻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

夏星煜，高 琛

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推進(jìn)制動(dòng)控制和制動(dòng)電阻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

夏星煜1，高 琛2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北宜昌 443000）

本文通過(guò)對(duì)船舶電力推進(jìn)制動(dòng)控制的研究，介紹了一種能耗制動(dòng)方式；并通過(guò)理論分析，闡述了其能耗制動(dòng)電路的可行性和實(shí)用性。本文還基于能耗制動(dòng)電路的分析，對(duì)制動(dòng)電阻的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了理論分析計(jì)算，最后通過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)搭建起了制動(dòng)過(guò)程的仿真模型，并對(duì)于不同制動(dòng)電阻的模型分別進(jìn)行仿真分析，證明了制動(dòng)電阻的優(yōu)化能降低實(shí)船對(duì)推進(jìn)制動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)要求。

推進(jìn)制動(dòng)控制 泵升電壓 制動(dòng)電阻

0 引言

利用船舶上的發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的方式稱為電力推進(jìn)方式。電力推進(jìn)系統(tǒng)由于其優(yōu)異的性能，現(xiàn)已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇巴七M(jìn)系統(tǒng)。

制動(dòng)性能是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，制動(dòng)方式主要有兩種[4]：機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)的原理比較簡(jiǎn)單，主要是利用摩擦力進(jìn)行制動(dòng)，但是其制動(dòng)裝置體積大，停車(chē)的準(zhǔn)確性低，本文不做討論。電氣制動(dòng)是控制電動(dòng)機(jī)參數(shù)，使其產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。在對(duì)制動(dòng)準(zhǔn)確性要求較高的場(chǎng)合，多采用這種方式。

電氣制動(dòng)又分為能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)[5]，這兩種方法對(duì)控制的要求較高，考慮到實(shí)際船舶運(yùn)行并不需要頻繁的制動(dòng)，本文提出一種實(shí)用的能耗制動(dòng)方法。

1 系統(tǒng)能耗制動(dòng)方式的研究

1.1泵升電壓的產(chǎn)生與抑制

當(dāng)系統(tǒng)出于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在文獻(xiàn)[3]中，其所儲(chǔ)存的機(jī)械能會(huì)通過(guò)機(jī)電轉(zhuǎn)換為電能，除開(kāi)一小部分由于電機(jī)內(nèi)部損耗的能量，大部分能量則通過(guò)變頻器中的開(kāi)關(guān)器件模塊回歸到變頻器的直流母線側(cè)，此時(shí)逆變單元處于能量回流狀態(tài)。

目前主流的交直交電壓源型變頻器，前段電壓由于有電容鉗位不會(huì)突變，且整流模塊中的二極管只能單相導(dǎo)通，所以直流母線側(cè)的電能無(wú)法回饋給電網(wǎng)，只能儲(chǔ)存在濾波電容中，從而導(dǎo)致直流母線側(cè)電壓升高，并會(huì)造成電荷的積累。

在系統(tǒng)緩慢制動(dòng)的情況下，電容電壓上升的并不明顯，但當(dāng)系統(tǒng)緊急制動(dòng)時(shí)，短時(shí)間會(huì)有大量的能量回饋，泵升電壓此時(shí)較為明顯，嚴(yán)重情況可能會(huì)燒毀整個(gè)變頻器，使整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。因此,為了保證系統(tǒng)能可靠有效地應(yīng)對(duì)各種極端工況，我們必須要想辦法減小其泵升電壓，以達(dá)到變頻器直流母線側(cè)的工作范圍要求。

為了避免泵升電壓過(guò)高而導(dǎo)致設(shè)備的損壞，我們必須想辦法把電容器上所儲(chǔ)存的能量消耗掉，在其電容器兩端并聯(lián)一個(gè)電阻能有效地消耗電容上的電能，即采用能耗電路制動(dòng)方式[1],在直流母線之間搭建與電容器并聯(lián)的能耗電阻,構(gòu)成能耗放電電路。原理如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)回饋電能給變頻器，電能到直流母線單元的電容器儲(chǔ)存，直流母線電壓升高，如果在此時(shí)將開(kāi)關(guān)器件IGBT導(dǎo)通，則制動(dòng)電阻與電容兩端并聯(lián)，能量通過(guò)電阻發(fā)熱損耗，從而能有效地降低變頻器直流母線側(cè)電壓，達(dá)到降低泵升電壓的目的。

1.2能耗電阻功能參數(shù)

能耗電阻的參數(shù)主要包括阻值和功率。文獻(xiàn)[2]由歐姆定律可知：在電壓一定的情況下,阻值越小,電流越大,流過(guò)PMSM的電流也就越大。如果流過(guò)PMSM的電流越大,制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力矩越大；反之則情況相反。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大,則制動(dòng)周期會(huì)過(guò)短,電阻的發(fā)熱現(xiàn)象就會(huì)很?chē)?yán)重，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小,則制動(dòng)周期就過(guò)長(zhǎng),船舶將得不到有效的停車(chē),造成很大的安全隱患。

為了使船舶能夠平穩(wěn)降速,設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置適當(dāng)?shù)臏p速時(shí)間和合適的能耗電阻。

1.3制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在此過(guò)程中,螺旋槳及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由于慣性驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電,則有以下能量轉(zhuǎn)換方程:

(2)

(4)

根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量矩定理有：

(6)

又因?yàn)椋?/p>

此時(shí)電阻消耗功率：

(8)

(11)

將10、11帶入4可得：

根據(jù)平方公式得：

(13)

將13帶入14得：

(15)

由式3、6、7、8、15聯(lián)立得：

(17)

那么,電阻上的瞬時(shí)電流只要不超過(guò)變頻器的額定電流, 變頻器就是安全的。電阻上的瞬時(shí)電流在直流電壓處于上限值時(shí)達(dá)到最大值。

聯(lián)立式10、13、17得最大電流值（18）式，那么能耗電阻最小值為（19）式。

(19)

那么能耗電阻的阻值范圍是：

2 系統(tǒng)制動(dòng)控制仿真研究

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)模型的建立

上圖為實(shí)船模型的仿真模型，做如下簡(jiǎn)化：

1)本文是對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)電阻的研究，只考慮在制動(dòng)電阻上消耗的功率大小，并只對(duì)制動(dòng)電阻兩端的電壓有一個(gè)限幅的要求，所以把變頻器整流單元之前的模型簡(jiǎn)化為一個(gè)直流電源。2)根據(jù)系統(tǒng)的對(duì)稱性，且兩條主推進(jìn)支路制動(dòng)控制是相互獨(dú)立的，因此只需要對(duì)單條推進(jìn)支路建立仿真模型。3)圖中的制動(dòng)單元與逆變器單元中的電力電子器件均為理想器件，即不考慮開(kāi)關(guān)損耗和通斷時(shí)間。4)該制動(dòng)方式的仿真選擇的是電機(jī)反轉(zhuǎn)制動(dòng)，即對(duì)船型設(shè)備要求最為苛刻，制動(dòng)效果最快最好的一種制動(dòng)方式。

仿真選取了開(kāi)關(guān)全通全斷式的控制方式，導(dǎo)通值設(shè)定1100 V，關(guān)斷值設(shè)定1050 V；直流母線電壓設(shè)定為1040 V,最高電壓不能超過(guò)其15%；制動(dòng)電阻的消耗功率不能超過(guò)300 kW，電阻大小分別選取4和8Ω，比較兩者的制動(dòng)效果。

2.2 制動(dòng)過(guò)程仿真分析

仿真設(shè)定從0 s開(kāi)始系統(tǒng)給出制動(dòng)指令，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步減少然后反向制動(dòng)，船速開(kāi)始降低。首先分析制動(dòng)電阻為8Ω時(shí)的情況。

圖3，4中可以看出，剛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)電機(jī)減速，電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇減小，大約運(yùn)行到28.5 s左右時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩降為0，而電機(jī)轉(zhuǎn)速還沒(méi)有降為0，此時(shí)電機(jī)電磁功率為負(fù)值，制動(dòng)單元開(kāi)始工作，消耗電機(jī)回饋的螺旋槳機(jī)械能；當(dāng)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速降為0并開(kāi)始反轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)處于反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，航速進(jìn)一步減少，電機(jī)電機(jī)功率為正值，制動(dòng)單元停止工作。

圖5中可以看出，28.5 s開(kāi)始系統(tǒng)處于能耗制動(dòng)，制動(dòng)電阻端電壓開(kāi)始升高，當(dāng)達(dá)到1100 V時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，制動(dòng)電阻開(kāi)始消耗電能，端電壓降低。由于剛開(kāi)始能耗制動(dòng)時(shí)，電機(jī)的負(fù)電磁功率增加緩慢，直流母線電壓可以通過(guò)開(kāi)關(guān)通斷控制；但是當(dāng)負(fù)電磁功率進(jìn)一步增加時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的消耗功率已經(jīng)無(wú)法消耗回饋的電磁功率，因而導(dǎo)致直流母線和制動(dòng)電阻功率的進(jìn)一步增加，從圖6中可以看出大電磁功率時(shí)導(dǎo)致直流母線電壓沒(méi)有通過(guò)制動(dòng)電阻限制住，最高達(dá)到了1200 V，這樣對(duì)器件和設(shè)備都有較大的影響。然后分析制動(dòng)電阻為4Ω時(shí)的仿真結(jié)果。

從圖7、圖8中可以看出系統(tǒng)能耗制動(dòng)的時(shí)間較8Ω制動(dòng)電阻時(shí)差不多，但在隨后的制動(dòng)效果要優(yōu)于8Ω制動(dòng)電阻時(shí)的情況，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁功率變化要大一些。

把電阻值選小了之后可以看出，電阻兩端消耗的功率最高值達(dá)到300 kW，能滿足電機(jī)電磁功率的負(fù)增長(zhǎng)速度，有效的把直流母線電壓限位在了1100 V以下，但從圖中可以看出，電阻端消耗的功率對(duì)電阻的選擇和維護(hù)成本是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某船電力推進(jìn)系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，在參閱大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，

深入研究了大功率電力推進(jìn)船舶的制動(dòng)方法；重點(diǎn)研究了電力推進(jìn)船舶制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生泵升電壓的原理以及抑制方法，設(shè)計(jì)了能耗電路制動(dòng)的電路，精確計(jì)算了能耗電路制動(dòng)電路中能耗電阻的阻值；最后通過(guò)實(shí)船仿真驗(yàn)證了能耗制動(dòng)的可行性和不同參數(shù)對(duì)制動(dòng)效果的影響，并通過(guò)仿真結(jié)果的驗(yàn)證對(duì)制動(dòng)電阻進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真說(shuō)明在極端工況的情況下大電阻、小容量的能耗制動(dòng)電路可能會(huì)因?yàn)槟芎墓β什蛔愣鴮?dǎo)致泵升電壓的升高，選取小電阻、大容量的制動(dòng)電路雖然能限制住回饋制動(dòng)時(shí)的直流母線電壓大小，但是對(duì)設(shè)備選型和運(yùn)行及維護(hù)的成本都有很高的要求，所以日后實(shí)船需在滿足設(shè)計(jì)院的技術(shù)要求的前提下盡量選取低成本的制動(dòng)電路。

[1] S.Basu，K.D.Srivastava．Analysis of a fast acting circuit breaker mechanism part l：electrical aspects[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1972，PAS-91(3)：1197-1203．

[2] S.Basu，K.D.Srivastava．Analysis of a fast acting circuit breaker mechanism part II：electrical aspects[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1972，PAS·91(3)：1203-1211．

[3] TOSHIE TAKEUCHI, KENICHI KOYAMA, MITSURU TSUKIMA. Electromagnetic analysis coupled with motion for high-speed circuit breakers of Eddy current repulsion using the tableau approach. Electrical Engineering in Japan, 2005,152(4).

[4] 林安平，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中模糊矢量控制仿真研究. 碩士學(xué)位論文,大連大連海事大學(xué), 2007.

[5] 鮑利群,楊云益,孫詩(shī)男. 全電力艦一未來(lái)海軍艦船的發(fā)展方向.艦船工程研究, 2002.

Research on Braking Control and Braking Resistance Optimization

Xia Xingyu1, Gao Chen2

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China; 2.State Grid Hubei Maintenance Company,Yinchang 443000, Hubei, China）

Based on the research of the braking control of electric propulsion, this paper introduces a kind of energy consumption braking mode and expounds the feasibility and practicability of the energy consumption braking circuit. Besides, this paper theoretically analyzes the parameter optimization of braking resistance based on the analysis of energy consumption braking circuit. At last, through the analysis of the models with different braking resistors, this paper proves that the optimization of braking resistance can improve requirements for the parameters of brake control system in real ship .

propulsion braking control; pump up voltage; braking resistance

TM571

A

1003-4862（2017）01-0024-04

2016-07-15

夏星煜（1990-），男，工程師。研究方向：電機(jī)與電器。Email:694174166@qq.com