[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 。

0 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。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 ～ 20 mA 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。

2 控制策略研究

在模拟过程中，推进电机工作在速度控制模式下，负载电机工作在转矩控制模式下，其中，船 - 桨模型由工控机内的螺旋桨动态模型数据库来提供，应用船 - 桨数学模型，按照螺旋桨的推力系数特性和转矩系数特性，由推进电机的转速和船舶航速计算出螺旋桨转矩，进而动态调节变频器的给定转矩，并与扭矩传感器实际测量的信号比较，采用矢量控制方式控制负载变频器和负载电机，可以实现对负载电机精确的转矩控制，再现螺旋桨的特性。为了拓展实验平台的试验功能，负载电机的控制模型还能仿真模拟如下传动设备的负载特性：（ 1 ）起重机负载转矩特性；（ 2 ）库仑摩擦负载转矩特性；（ 3 ）不同转动惯量的加速负载转矩特性；（ 4 ）角速度积分的负载转矩特性；（ 5 ）阶跃负载转矩特性。 

3 实验分析

1） 推进系统实验

推进控制系统实验结果如图 4 和图 5 所示。

在图4和图5中，横坐标是实验时间，纵坐标是转速给定和电机实际转速的标幺值，其中曲线 ① 是转速给定值，曲线 ② 是电机实际转速值。从图4所示曲线可以看出，当转速控制信号从0逐渐增加到最大（ 静止分级到全速），电机的转速完全跟踪控制指令，运行稳定，且跟踪速度很快，完全满足系统控制功能要求。从图5所示曲线也可以得出，当转速控制信号从0突然增加到最大（ 静止突然到全速），电机在10秒钟就完成从0到全速的过程，而当转速控制信号从正转最大突然到反向最大（ 正车全速突然到倒车全速）电机在18秒钟就完成从前进全速到倒退全速的过程，运行稳定，系统达到很好控制性能。

2） 负载系统实验

负载电机的控制模型能仿真螺旋桨负载特性，而且还能仿真模拟泵、风机、起重机等常见港航传动设备的负载特性。负载电机的转矩控制有3大类控制模型：（1）螺旋桨负载转矩特性；（2）综合负载转矩特性；（3）恒定功率转矩特性。负载控制系统的实验结果如图4和图5所示。

由图6曲线所示，可以知道当采用螺旋桨负载时，负载电机转矩随着推进电机的转速逐渐增加，当推进电机转速稳定时，负载电机转矩达到最大值，随着船舶航速继续增大，进速比也增大，负载电机转矩会减小直到稳定； 当船舶倒航时，在某一段时间里推进电机转速为正时负载电机转矩也为正值，即螺旋桨转矩为负值，而且在一定转速上出现最大负转矩。这是因为倒航时，船舶继续前进而螺旋桨在水压的作用下将力图维持原先的旋转方向，这时螺旋桨不再作推进器的工作，而是开始作水力电动机的工作。当推进电机转速变为负时，负转矩开始增加，直到推进电机转速稳定时螺旋桨负转矩达到最大值，反向船速也持续增加，进速比跟着增大，螺旋桨负转矩减小直到稳定。本系统的运行结果与实际运行时的船舶螺旋桨的工作特性相一致。 

由图7曲线所示，可以知道当采用位能性恒转矩负载时，位能性负载转矩负载由重力产生，具有固定的大小和方向，不随转速大小和方向而改变。

由图8曲线所示，可以知道当采用恒定功率负载时，在试验过程中按照设定的功率和起始转速，随着转速的增加，自动降低负载转矩，维持负载的输出功率不变

3 结论

介绍了电力推进实验平台的结构，分析了电力推进平台中的推进电机和螺旋桨模拟负载的控制技术。此平台能够完成模拟船舶电力推进运行的实验，另外还能进行恒功率或恒转矩等负载模拟实验，拓宽了此平台的使用范围。此平台还加入了必要的故障保护措施，如负载电机的高温和超速保护等。负载电机基本处于发电制动状态，有源前端（AFE）四象限负载变频器应用电能回馈技术，将整个试验系统的大部分机械能量回馈电网，因此可以大幅度减小试验系统的运行费用，降低实验室电源系统的容量，并且消除实验室热污染。可以看出此电力推进实验平台不仅能实现模拟实际螺旋桨，而且还具有许多优越性，它的研制成功具有重要意义与推广价值。

[参考文献]

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[2] 赵红 , 郭晨 , 吴志良 . 船舶电力推进系统的建模与仿真 [ J] . 中国造船 , 2006, 47( 4) : 51 - 55.

[3] 罗延明 , 金鸿章 , 罗耀华 , 等 . 基于直接转矩控制的船舶主推进电机控制仿真研究 [ J] . 船舶工程 , 2006, 28( 3) : 22 - 25.

[4] 郭燚 , 郑华耀 , 黄学武 . 船舶电力推进混合仿真系统设计 [ J] . 系统仿真学报 , 2006, 18( 1) : 57 - 61.

[5] 刘雨 , 郭晨 . 船舶综合全电力推进系统的动态仿真 [J]. 中国航海 , 20 10,33(1):24-29

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[7] 段征 , 刘贺 , 陈亚杰 . 电力推进控制与监测系统研究 [J]. 上海造船 ,2009(3):38-41.

[8] 李帆 , 鲍曙光 , 吴明 . PLC 在船用电力推进控制系统中的应用 [J]. 船电技术 ,2009,29(2) : 47-50