一种小型船舶电力推进系统的仿真研究

张军贤， 俞万能

(集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021)

一种小型船舶电力推进系统的仿真研究

张军贤， 俞万能

(集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021)

针对以往学者对船舶电力推进系统的研究侧重于推进电机的性能优化和恒转矩负载下静态性能研究的现状，该文结合实验室现有的设备和数据，在永磁同步电机矢量控制技术发展的基础上，利用Matlab 中的Simulink模块库搭建一套完整的永磁同步电机、螺旋桨和船体仿真模型，研究转速给定输入下电力推进系统从起动到稳定的工作过程。仿真结果证实了该系统具有良好的动静态性能和抗扰性能，符合实际船舶电力推进系统的工况，为后续的研究工作奠定了基础，具有实用价值。

电力推进 矢量控制 永磁同步电机 螺旋桨 Simulink

1 引言

近年来，船舶电力推进在大功率器件和电力电子控制技术的日益成熟下取得了飞速发展，有着许多传统推进系统不可比拟的优势，成为国内外各大高校和船舶制造行业研究的热点[1～3]。而永磁同步电机除了具备较好的驱动性能和诸多优点外，还符合国家高效节能的政策，成为船舶电力推进电机的理想选择。

目前针对永磁同步电机在船舶电力推进上的研究已较为普遍，并且由以往舰船上的吊舱式系统逐步趋向于小型船舶应用方面发展，而实际造出的电力推进船舶数量却非常有限[4]。电力推进系统是一个由推进电机、螺旋桨和船体三部分组成的复杂系统，以往学者的研究偏重于推进电机的性能和控制优化方面，忽略了螺旋桨和船体两部分的匹配，以及不同海况对电力推进系统的影响。对于推进电机的负载转矩，也通常采用恒转矩输入予以模拟，从而对稳态系统下的静态性能进行分析，造成与实际电力推进系统存在一定偏差，研究范围狭隘，说服力不足，进而也就不能对电力推进系统进行全面贴切的仿真。

本文在前人研究的基础上，针对电力推进控制系统的特点和船舶螺旋桨的负载特性，搭建完整的船机桨仿真模型，深入研究船舶在各种工况下的推进要求，模拟电力推进系统从起动到稳定的工作过程，分析电机在负载转矩输入下的跟随特性和对船速的响应，研究系统的动静态性能和对负载扰动的抗扰性能，进一步验证模型建立的正确合理性。

2 船舶电力推进系统结构

图1为船舶电力推进系统组成框图，它是通过原动机带动发电机，发电机供电给推进电机，再由推进电机直接驱动螺旋桨转动，从而推动船舶前进的一种方式。现代船舶电力推进系统有利于实现船舶动力装置的最优化配置和布局设计，具有机动性能好、推进效率高、节能环保、控制灵活、易于实现自动化、安全性与经济性好等优点[3]。

船舶电力推进的变频调速控制系统，主要由变频器、推进电机和螺旋桨构成。电机的各项性能参数由检测控制设备反馈给变频器，然后通过对输出电压的频率调节实现对永磁同步电机转速的控制[5,6]。永磁同步电动机拖动螺旋桨旋转，从而实现船舶的推进和航速的调整。

图1 电力推进系统结构框图

3 电力推进系统结构分析

船舶电力推进系统采用低速大转矩伺服系统提供转矩，其性能和功率直接影响船速和排水量，因而要求推进系统必须效率高，以节约能源，保证船舶较好的续航能力[7]。永磁同步电机在针对船舶电力推进系统这种负载转矩变化和对空间要求都比较大的场合能够更好满足推进负载的要求，具有其他推进电机无法比拟的优越性能。由文献[3]永磁同步电机的物理模型和参数计算公式建立如图2所示的数学仿真模型。

3.2 推进电机PMSM矢量控制策略

矢量控制是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使其互相垂直，分别进行调节，最终通过控制定子电流改善电机的转矩控制性能。这种控制方式能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制[8]。id=0的矢量控制方式最为简单，适合基速以下的速度控制系统,是目前交流永磁同步电机控制中主要的控制方式。矢量控制用到的主要变换有以下两个：

图2 永磁同步电机数学模型

在id=0的控制方式下，永磁同步电机的转矩公式为

由此可知，电磁转矩输出与定子电流成正比，控制时只要准确地检测转子的空间位置，控制逆变器使定子的合成电流位于q轴上，那么就能通过控制定子电流的幅值对永磁同步电机电磁转矩实现很好地控制。图2为永磁同步电机的矢量控制框图，主要包括坐标变化模块、电流PI控制模块、SVPWM模块、PWM波形生成模块、速度PI控制模块和PMSM电机模块[9]。

图3 永磁同步电机矢量控制框图

3.3 船桨数学模型

通过分析螺旋桨与船体间的相互作用，并根据螺旋桨的工作特性可以得到图3所示的船桨数学模型。输入量是螺旋桨转速和船进速，输出量是补偿修正后的螺旋桨负载转矩和船速[10]。根据实验室现有的某电力推进船数据，其船桨主要参数为：螺旋桨直径D=0.9m,伴流系数ω=0.157，水体密度ρ=1 000kg/m3,推力减额系数t=0.145,阻力系数Kr=694.2，船舶排水量默认为92T，桨设计转速为584r/min。

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4 电力推进系统仿真

4.1 船机桨模型的构建

综合以上对永磁同步电机数学模型、船桨数学模型以及矢量控制技术的分析，建立图4所示的仿真模型，其中永磁同步电机的参数如下：额定电压380V；电机功率P=2kW；电子绕组Rs=2.875Ω；d相电感绕组Ld=8.5e-3；q相电感绕组=8.5e-3；转动惯量J=0.8e-3kg·m2；转子磁场磁通Ψf=0.175Wb；磁通密度B=0；磁极对数Pn=4；仿真时间100s。推进电机的给定转速为600rad/s，其经过机械转速转变、单位转换和传动比转换后与螺旋桨的设定转速相对应。另外，由于模型库中的永磁同步电机额定转矩与实际数据计算出的螺旋桨负载转矩存在较大量纲差，为了实现船机桨的同步仿真，二者通过一个比例缩小环节进行连接，同时在70s和90s时分别给推进电机加入一个正负扰动来模拟不同海况对系统的影响。图5为永磁同步电机-螺旋桨推进系统仿真模型。

图4 船桨数学模型

图5 永磁同步电机-螺旋桨推进系统仿真模型

4.2 系统仿真波形分析

图6 永磁同步电机转速响应曲线

图7 永磁同步电机输出转矩响应曲线

图8 永磁同步电机三相电流响应曲线

图9 螺旋桨进速比响应曲线

图10 螺旋桨推力输出曲线

根据上述的船机桨模型得出主要参数的仿真波形如图6～图13所示。

图11 螺旋桨负载转矩输出曲线

该仿真过程可以分为起动、稳定和抗扰三个工作阶段。

起动阶段：电机转速在0.02s即达到给定值并稳定下来，且超调较小，无偏差。由于船速初始状态输出为0，在惯性状态下变化缓慢，所以经船速和桨转速计算出的进速比较小，而螺旋桨推力和负载转矩则随着转速的上升先达到最大值；同时推进电机为了跟随负载的变化，转矩和电流在稳定下来后也随之达到最大。在此阶段中，永磁电机起动速度和对负载的响应速度均较快，表现出良好的起动性能。

稳定阶段：电机转速不再变化，船速则在推力作用下逐渐上升，螺旋桨进速比和船舶阻力也随着船速逐渐增加。由于螺旋桨推力和负载转矩与进速比成反比，故二者呈现出一种缓慢下降的趋势，同时永磁电机的输出转矩和电流幅值也做出相应变化。当螺旋桨推力和船舶阻力达到平衡后，船速稳定输出，其它参数均进入稳定输出状态。该阶段是个缓慢变化的过程，系统具有良好的稳态性能。

抗扰阶段：在第70s和90s时，分别给推进电机外加一个正30%和负50%的扰动，从仿真波形图可以看出，电机输出转矩和电流能够迅速跟随负载扰动的变化，克服扰动带来的影响使系统稳定下来，而螺旋桨和船速的输出几乎不受影响。这表明当船舶遇到不同的海况时，系统对外部扰动具有很好的抑制作用。

在此仿真过程中，永磁同步电机、螺旋桨和船体存在紧密配合关系，三者之间相互影响。仿真中系统所表现的特性与实际船舶电力推进系统的工况相符。

5 结论

本文根据电力推进系统的船舶负载特性，在前人对永磁同步电机和螺旋桨负载研究的基础上，采用矢量控制方式，建立了PMSM-螺旋桨船体仿真模型。仿真结果验证了系统具有较好的机桨匹配性能、快速起动性能、抗干扰性能和较为理想的动静态性能，符合实船上电力推进控制系统的工况性能。该机-桨模型的搭建也为进一步研究永磁同步电机的优化控制、机速与船速的数学关系、电机功率和系统节能、电机与螺旋桨的匹配及相互影响等课题建立了参考应用平台，奠定了良好的基础。

图12 船舶阻力曲线

图13 船速输出响应曲线

[ 1 ] 王杰，刘桃生等．舰船推进系统中永磁同步电机的滑膜控制[J]．电气传动，2013，43(7):53-57.

[ 2 ] 邓穗湘，沈雄．永磁同步电机在船舶电力推进中的应用和仿真[J]．航海技术，2005,4:43-45.

[ 3 ] 喻林．小型电力推进船舶PMSM控制系统的研究与设计[D]．大连：大连海事大学，2008.

[ 4 ] 胡淼．船舶电力推进永磁同步电机控制系统的研究[D]．大连：大连海事大学，2013．

[ 5 ] Zhao Y T，Liu Y C，Ren J J． Study on direct torque control applied in the electrical propulsion ship[J]．Advanced Materials Research，2012，354-355．

[ 6 ] Huang H， Shen A D，Chu J X．Research on propeller dynamic load simulation system of electric propulsion ship[J]．COE，2013，27(2): 255-263.

[ 7 ] 史婷娜．低速大转矩永磁同步电机及其控制系统[D]．天津：天津大学，2008.

[ 8 ] 管良勇，徐国卿，袁登科．永磁同步电机矢量控制系统设计与仿真[J]．机电一体化，2008,12：51-53.

[ 9 ] 郭继宁，李新文．船舶电力推进永磁同步电机矢量控制系统仿真研究[J]．硅谷，2012，8：86-87．

[10] 李俊科．电力推进船舶螺旋桨模拟负载的研制[D]．厦门：集美大学，2012．

Simulation Research on Electric Propulsion System of a Small Ship

ZHANG Jun-xian， YU Wan-neng

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

Aim at the status quo that most past studies for ship electric propulsion system has focus on optimizing the performance of propulsion motor and researching the static performance under constant torque load, in order to study the working process of electric propulsion system from start to steady within the given speed input, this article combines with the existing equipments and data in the laboratory, on the basis of technology development of vector control for permanent magnet synchronous motor, and utilizes the Simulink module library in Matlab to build a complete set of simulation models, which include permanent magnet synchronous motor, propeller and ship hull. The simulation results prove that the system has good static and dynamic performance, as well as anti-disturbance, and conforms to actual conditions of marine electric propulsion system. The research lays a foundation for sequential studies and has the practical value.

Electric propulsion Vector control PMSM Propeller Simulink

福建省科技重点项目(2012D035，2013H34)；厦门市科技项目(3502Z20123023)。

张军贤(1989-)，男，硕士研究生。

U665

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