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吊舱bobty综合体育式船舶电力推进实验系统的设计

文章来源:    时间:2022-08-26

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bobty综合体育总第 211期 2012年第 1期 舰 船 电 子 工 程 Ship E lectronic E ng ineering V o1 . 32 No. 1 8 5 吊舱式船舶 电力推进 实验 系统 的设计 朱楼沈爱弟 (上海海事大学航 运技术 与控制工程交通行业重点实验室上海201306) 摘要介绍了吊舱式 电力推进实验系统的硬件装置设计 、 推进系统控制策略 、 回转 系统控制策略 以及船 桨模 型仿真。此系统应用变 频传动、 电机控制、 可编程控制器、 总线通信等技术, 主要构成部件有驾控台、 机旁台、 吊舱推进子系统、 回转控制子系统等, 整合了物理硬件 设备和软件仿真, 实现 了就地控制和远程控制 , 为研究 吊舱式 电力推进系统提供了实验平 台。 关键词 电力推进; 吊舱式; 可编程控制器; 船桨模拟仿真 中图分类号TP391. 9 D esign of Podded E l ectric P ropulsion E xperimental S ystem Z H U L ou SHE N A i di ( Shanghai M aritime U nivers ity ,K ey L abo ratory of M arin e T echnology and C ontrol E ngineering , M in istry of C omm unications ,P . R .C h ina,Shanghai 201306) Abst ract T his pap er describ es the podded electri c propul sion testing sy stem ,w hi ch in cludes the design of hardw are device,th e con trol m ethods of propul sion sy stem and rotar y system and the propeller model emu lation.T his system is designed relating to the technology of var— iable frequency drive,motor control ,programmable con trol ler ,fieldb us comm unication and s o on ,b esides ,it ind udes th e main constitute parts of con trol table ,on-site table ,pod propul sion sub system ,rotary subsy stem ,in tegrates the phys ical hardware an d softw are s imulation , makes local control and remote con trol reliable。

provides a p ractic e platform for podded electric propuls ion s ystem. K ey W ords elec tric propu lsion ,PO D ,programmable con trol ler ,propel ler em ulation Class N um ber T P 391. 9 l 引言 吊舱式电力推进系统l1 是将推进电机装在 吊舱内, 螺 旋桨轴和推进电机转子在一条直线上, 一起旋转。其定子 被固定在吊舱壳体上或带动另一个螺旋桨反向对转, 整个 推进模块可以360。 旋转 , 集推进和操纵功能于一体, 既有利 于船舶动力系统的简化和布局, 优化船舶总体设计, 改善操 纵灵活性_2 ] ,又能操纵船舶的船向吊舱式全回转电力推进器的现状及展望, 获得该航向上的最大推 力, 且可实现船舶的动力定位口 ]。在吊舱式推进系统中, 船 舶的推进系统和转舵装置集成为一体, 节省了船舱内的空 间 4 ] , 因此应用范围更加广泛。 吊舱式电力推进实验系统能够帮助研究人员对推进控 制系统进行合理有效的数值分析和试验论证。文献I -5] 的 吊舱式电力推进系统具有硬件装置和船桨仿真模型, 但是 缺少安全保护和故障报警装置。

文献[6] 中的是双三相半 实物吊舱式电力推进仿真系统 , 此系统整合了物理硬件设 备和仿真软件, 在实时仿真的快速性和精确性, 以及在控制 方案设计、 船桨数学模型的建立和仿真算法的选择等方面 都有其特殊的作用。文献E7] 中介绍了一种采用“ 双变流器 一电机” 的能量互馈式交流传动的电力推进实验平台, 能够 对螺旋桨在各种工况下的特性进行实验研究。本文设计了 吊舱式船舶电力推进实验系统, 整个系统硬件结构由驾控 台、 机旁台和船体模型组成, 主要控制系统有推进控制子系 统和 回转控制子系统 。 2 系统结构与主要功能 本实验系统主要由驾控台、 机旁台和船体模型构成, 如 图 1 所示 。 驾控台和机旁台发出系统操作命令 , 在任一部分均可 完成推进电机和回转电机的操作, 但任一时刻只有一处操 作有效。优先级别为机旁台的操控权限高, 驾控台的优先 级次之 。 在驾控台和机旁台操作面板上设置了推进起动、 推进 锁定、 功率限制、 回转起动等带灯按钮, 操作这些按钮可以 激活控制系统的实时响应 , 向推进子系统和回转子系统发 出推进和回转命令, 通过灯的亮灭可以反映系统的操作变 化情况。

bobty综合体育驾控 台设置 了万 向车钟来控制船舶的航速和航 向, 另外操作面板上还配有船舶航速表、 推进转速表、 回转 角度表和推进功率表等仪表来显示其工况, 并能输出转速 和舵角信号供控制系统进行 闭环 调节 。 系统设计完成的主要控制功能和监测功能有: 1) 操控部位转换 收稿 日期 : 2011年 7 月 4 日, 修回 日期: 2011年 8 月 11 日 基金项 目: 上海 市创新行动计划项 目( 编号 : 09170501900) ; 上海市重点学科建设项 目(编号 : $30602) 资助。 作者简介 : 朱楼 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 船舶 与港 口检测技术。沈爱弟 , 男 , 研究生导师 , 高级工程 师, 研究方 向: 电力推动。 86 朱楼等: 吊舱bobty综合体育式船舶电力推进实验系统的设计 总第 211期 实验室电源柜部 分 } l丽 l I 推 进 I 回 转 幽 角 度 网 幽万 志 钟 睦 剑 l 操作面板 I 驾控台I l机旁台角 度 l 吊舱控制 园 回 转 雁 圈 雁 习 睦 剑 l 操作面板 l 糯 馗 _ 1 鳖 D P 信 号厂 船 面 DP 总 线 匮 . 控 制 I I/ 言 号 L 型 回转控制 l s7-300PL C l l E T200M l 图 1 吊舱式电力推进实验 系统布局图 式。

在系统进入紧急停船模式时, 推进 自动停车, 吊舱 向 180。 倒车方向回转 ,自动控制角度吊舱式全回转电力推进器的现状及展望, 直至停船。 3) 安全保护与故障处理。完成功率限制, 紧急停车和 各级故障处理工作。在出现安全故障时, 其他操作功能被 禁用, 直至故障排除, 重新上电启动。 船体模型主要由推进控制子系统和回转控制子系统构 成。变频器和推进电机, 共同组成了推进控制子系统, 继电 器组和回转电机, 组成了回转控制子系统。系统采用异步 交流变频电动机作为船用推进电动机 , 步进电机作为回转 电机。可编程逻辑控制器 (PL C)作为主站, 变频器作为从 站 , 实现对变频器的控制。由于 Profibus— DP 总线具有结构 简单, 安装方便 , 易于维护, 选择范围广等优点, 适合远距离 数据传输, 因此系统利用其作为传输指令和信号的通道。 系统处于驾控台(机旁台) 控制时, 根据需要, 机旁台 (驾控台)可以提出或者取消控制 申请, 待驾控台(机旁台) 同意之后, 控制功能转移完成, 驾控台(机旁台)的操作功能 被移除。 2) 航行模式选择 主要在港内航行模式、 正常航行模式以及紧急停船模 式之间进行切换, 根据操控需要, 船舶进入相应 的航行模 式 , 获得此时的航行数据和工况。

3) 安全保护与模拟故障处理 为船舶的安全运行提供保护, 并在此基础上, 模拟船舶 运行时可能遇到的各种故障, 测试各相应处理方式的工作 性能和处理故障的能力。 系统的设计应该满足以下性能指标: 1) 远程操作与就地操作之间的无扰切换。能够及时 响应操作台切换命令 , 完成功能移交和功能切除。 2) 港内航行模式的选择。航行模式主要有港 内航行 模式、 正常航行模式和紧急停船模式。每种航行模式对应 不同的航行工况, 系统能够根据工况的变化, 切换航行模 3实验系统控 制方 案 吊舱式电力推进实验系统的控制方案主要由推进控制 子系统和回转控制子系统两部分组成。其结构如图 2 所 示 。 鼢 匝 : 广—— —— 转速反馈 卜 _————] _ _ J= : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 匾 角 命 粤 L —画 面 —— i 手 动 开 关 恒 转 控 制 子 系 统i 3. 1推进控 制子 系统 推进控制子系统主要功能是接收来 自驾控台和机旁台 的推进命令, 控制推进控制器、 变频器,驱动推进电机完成 动力输出吊舱式全回转电力推进器的现状及展望, 整个系统包括推进控制器、 变频器和推进电机。

bobty综合体育 其中推进控制器实质上是一个加速度转速函数发生器 , 可 以防止推进电机在启动和加速过程中加速过快, 造成电机 过载和对推进轴系的转矩冲击。变频器通过控制输出频率 来驱动 电机 的转速变化 。 3. 1. 1推进 电机 的转速控制策略 推进电机决定螺旋桨的转速 , 其控制策略是首先通过 推进控制器对来 自车钟的转速设定信号作加速速率限制及 功率限制处理, 然后控制推进变频器的输出频率 , 使推进电 机运行在设定的转速。其转速控制策略如图 3所示。 : 航速测量装置 攀 矩 : —— 回 转 力 矩 ; 舵角指示航向指 ; 航 向测量装置 .I 图 3推进 电机转速控 制策略 首先对当前电站余量及故障因素对转速的限制进行计 算, 将其与各控制台给定的加速速率限制进行比较, 取较小 值与电机转速回馈信号进行比较后, 通过转速调节器对变 频器输出频率进行控制, 从而实现对电机转速的实时控制。 2012年第 1期 舰 船 电 子 工 程 87 3. 1. 2推 进电机加 减速速 率控制 当推进系统处于加速或减速运动时, 为使电机轴上的 加速(减速)力矩尽可能平稳, 要求变频器输出频率以一个 给定的函数关系平稳变化。

通常设为线性函数: (£ )一 + ( 一, 2 )÷(o £ ) (1) f 式中: t 为加(减)速时间; 转速设定值。根据转速差 间: 为前次转速设定值; — , 合理选定加(减) 速时 为新的 j * 1 f£ l 为最大加(减) 速时间。将 一l堕二 l (2) n max 式中: 一为螺旋桨最大转速; £ t 分割成 ~等份, 步长为 t / m。式(1)离散化为: 厶 , z ( 正 ) 一 + ( 一 ) — 』 。 三 志 三 三 N ( 3) 3. 1. 3推进 电机 安全限制 推进控制必须满足推进电机和船舶电力系统 的安全 性, 这也是奠定电力推进系统稳定运行的基础。 1) 转速限制 推进电机的转速与螺旋桨匹配, 无论直接连接还是通 过传动机构连接, 一旦转速超过电机的最大允许转速, 应立 即限制转速, 通常在负荷(力矩)控制模式下进行。 A = const当推进系统实际负荷 小于给定负荷M 时,推进电 机转速上升吊舱式全回转电力推进器的现状及展望, 一 旦超 速 , 立 即限制转速 。 2) 力矩 限制 推进电机的最大输出力矩必须小于电机的最大允许输 出力矩, 否则 , 电机可能超出临界力矩 , 处于不稳定工作区 域。

在推进电机稳定运行阶段 , 其输出力矩一般不大于最 大允许输出力矩。 = COnSt , 2。 < M < A 力矩 限制通常在转 速控制模 式 下进行 , 即当实 际转 速 小于给定转速 ; 时, 推进电机的力矩上升, 一旦超载, 立 即进行力矩限制 。 3) 功率限制 推进电机运行过程中, 输 出功率必须小于最大功率。 推进电机的最大允许转速与最大允许输出力矩的乘积等价 于电机的最大允许功率。 M = CO nSt 或 = const Pp< P 功率限制不仅对推进电机实施功率过载保护, 而且保 证电力推进实验系统的供电网运行稳定¨ 8 ] 。 3. 2回转控 制子系统 吊舱回转子系统的主要功能是接收来 自控制台的回转 命令, 控制回转电机运行完成吊舱 回转任务 , 在回转过程 中, 根据实验系统的要求, 回转系统必须满足以下性能指 标 : 1) 能够对于吊舱所处位置和角度进行准确定位 , 检测 到吊舱的实时位置。 2) 回转电机能够提供足够的转矩以使电机能够达到 所需的回转速度, 选用低频特性好的电机, 方便在临近设定 位置时, 吊舱能够准确定位。

bobty综合体育 3) 操作要灵活, 通信要顺畅, 要保证在回转的时候, 吊 舱的回转角度和位置都能够及时准确的反应到控制台上, 以使操作人员能够及时掌握所需信息。 3. 2. 1 吊舱回转方向控制 本文设计的吊舱式电力推进实验系统采用的是全回转 模式的吊舱_0] , 吊舱可以 360。 回转。对于吊舱 回转方向的 控制, 首先要计算出吊舱 当前位置, 再与 目标位置相减, 得 到本次运行所需要的角行程 A0, 根据角行程判断吊舱的回 转方向, A,0~ 0 时, PLC 通过正转输出端子向继电器组和回 转电机发出正转信号; 当△ < O时, PLC 通过反转输出端子 向继电器组和回转电机发出反转信号。 3. 2. 2吊舱 回转速度控制 控制系统在判断完吊舱的回转方向之后, 就要判断回 转电机的回转速度 。船舶在不同航速下应以不同的速度进 行回转到达指定位置。例如, 当船舶处于“ 港内航行” 模式 时 , 此时船速较低 , 在回转角行程 △ 回转电机应该缓速运转 。 3。 时 , 为了防止 超调 , 4船桨模型仿真 推进电机直接驱动螺旋桨, 在水中运动的螺旋桨产生 推力, 这一推力作用于船体, 使船舶发生运动。

bobty综合体育本实验系统 中, 需要得到航速、 航向和舵角等变量, 并且显示在操作面 板的相应仪表上, 以给操作人员和研究人员更为准确和直 观的数据, 及时掌握船舶模拟航行的状况。因此需要利用 船桨模型来进行仿真。 研究螺旋桨时, 首先要研究其推力特性和扭矩特性 , 这 是建立螺旋桨负载模型的基础E ] 。将螺旋桨的进程 比设 为 ,: J 一 其中 为螺旋桨相对于水的速度(m/ s) ; D 为螺旋桨直径 (m) ; 为螺旋桨转速(r/ min) 。为了防止在螺旋桨频繁的 正转和反转中 ‘,的定义域为一。 。 ~+ cx 。 , 使得推力系数 K 和转矩系数K 数值过大。由船舶推进原理可知, 都是通过推力系数 K 和转矩系数 K 计算出的, 因此得到 的有效推力 P 和阻转矩 T 失真。对于实际仿真来讲, 一 个自变量变换范围很大的函数不论对模拟仿真还是数字仿 真都是比较麻烦的, 因此定义 / nD p (4) 和 丁 为 r , 一 —: :一一 —: ~ / 1+ I , ( 5) ~/ ; 4-,z D; 可得相对转矩系数 和相对推力系数K 为 K; 一 一K ( 1一J )(6) K 舞 一 - Kf(1 一 ) (7 ) 其中f D为海水密度(kg/ m3) 。经过变换后吊舱式全回转电力推进器的现状及展望, 不直接利用 从而避免了查表时的精度漂移。 此时用 - , ...

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