CN104199308B - 双推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台 - Google Patents
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Abstract
一种轴桨推进和吊舱式推进两种推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台。通过轴桨推进子系统、吊舱转台子系统和监控子系统三部分协调配合实现一体化，可在实验室中模拟实际海况，完成船舶推进过程运动控制的相关实验。本发明既能节约现有船舶电力推进模拟实验平台的制造成本，又能对轴桨推进和吊舱推进两种推进形式进行充分研究分析，便于对比两种推进形式的优势与劣势；本平台推进电机为永磁同步电机，推进变频器采用直接转矩控制，负载变频器采用能够进行电能回馈的四象限变频器，满足船舶电力推进调速系统的高效率、高性能、低耗能的应用需求；此外，负载电机不但可模拟螺旋桨负载特性，还可模拟其他类型的运动控制系统载荷，因此本系统还可作为多种运动控制系统的实验平台，开展基于直接转矩控制的永磁同步电机变频调速系统的实验研究。
Description
技术领域
本发明涉及船舶电力推进模拟实验技术领域，特别涉及一种综合轴桨推进和吊舱式推进方式的一体化船舶电力推进模拟实验平台。
背景技术
电力推进是船舶推进方式之一，通过电动机直接或经减速齿轮装置带动螺旋桨推动船舶行进，可广泛用于各种民用船舶和军用舰船。与传统的机械推进方式相比，电力推进省去了主机与螺旋桨之间的长传动轴系，具有以下突出的优点：1. 经济性好；2. 操纵性好；3. 安全性好；4. 节省空间；5. 噪音低；6. 适合环保；7.电能储备大；8. 有利于实现综合全电力推进系统（高海波. 船舶电力推进系统的建模与仿真. 武汉理工大学博士学位论文. 2008）。电力推进可以分三种形式：舵桨推进、轴桨推进和吊舱式推进。舵桨推进的推进电机在舱内，推进器可以自由转动，能产生任何方向的推力，但功率范围有限。轴桨推进的变速电动机与螺旋桨轴相连接，适用于船舶所需的推进功率比较大，超出舵桨推进能提供的功率范围。吊舱式推进的推进电动机在水下的吊舱内，无机械传动的机构，推进与操舵装置集为一体，系统可以自由转动，能产生任何方向的推力（叶国泉, 沈林涛. 吊舱式电力推进装置的应用. 上海造船. 2007, (1):19-21）。为便于进一步研究对比轴桨推进和吊舱式推进的适用条件和优势劣势，本发明将轴桨推进与吊舱式推进集成在一个实验平台中，两种推进形式共用一套监控子系统，可在一个平台上进行两种推进形式的实验，一方面节约实验平台的制造成本，另一方面可以更为深入理解两种推进形式的各个方面。两种推进形式中推进电机均采用永磁同步电机，与常规电动机相比，永磁电动机具有功率密度高、转矩密度高、体积小、重量轻、噪声低、效率高、维护性好等优势（宋义超, 史振宇, 张鹰. 潜艇推进电机技术特点与发展分析. 船舶工程. 2013, 35(3):55-58），更适合大功率低速推进的要求。
发明内容
本发明通过以下的技术方案实现：双推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台由轴桨推进子系统、吊舱转台子系统和监控子系统三部分组成，其中监控子系统是实现双推进形式一体化的核心部件。所述的监控子系统为轴桨推进子系统与吊舱转台子系统所共用，轴桨推进PLC（Programmable Logic Controller）控制站用于轴桨推进子系统中推进电机的转速控制和负载电机的转矩控制，而吊舱推进PLC控制站用于控制吊舱回转速度与角度以及吊舱中推进电机的转速，从而两种推进形式既共用同一个上位机监控子系统形成一体化实验平台，下位机PLC控制部分又各自独立，互不影响。所述的监控子系统具有控制和监测的统一人机操作界面，通过集控台上的面板操作和鼠标操作可以控制电机的运行和监测各子系统设备的运行情况。所述的监控子系统的软件由集控台中的IPC（IndustrialPersonal Computer）监控软件和船桨仿真模型两部分组成，监控操作与仿真模型的计算均在同一个IPC上进行，IPC监控界面用WinCC编程实现，船桨仿真模型用MATLAB实现，两个部分之间通过软件接口进行数据传送。此外，所述的监控子系统不仅在同一个监控界面上可同时监视和控制两个子系统的设备，集控台面板上的车钟也为两个子系统所共用，车钟推进时既可以用于轴桨推进的转速给定，也可以用于吊舱转台子系统中推进电机的转速给定，车钟旋转时用于吊舱转台的角度给定。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：1、便于开展轴桨推进和吊舱式推进方面的科学研究与实践教学，更为客观地摸索实际系统内在规律，以及实际中出现的问题和控制难点，实现理论研究与实际应用紧密结合相互验证的目的；2、便于对两种推进形式进行对比实验，有效节约平台制造成本。3、负载电机不但可以模拟螺旋桨负载特性，还可以模拟其他类型的运动控制系统载荷特性，因此本发明还可作为多种运动控制系统的实验平台，开展基于直接转矩控制的永磁同步电机变频调速系统的实验研究。
附图说明
图1 为双推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台的整体结构图。
图2 为双推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台的监控系统示意图。
具体实施方式
为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
双推进形式一体化船舶电力推进模拟实验平台整体结构如图1所示，包括轴桨推进子系统、吊舱转台子系统和监控子系统三部分。
所述的轴桨推进子系统又分为推进子系统与负载子系统两部分。推进子系统用于模拟轴桨推进系统中的变速电动机部分，负载子系统用于模拟螺旋桨负载。所述的推进子系统采用一路推进单元，由推进变频器、推进电机和PLC构成，采用ABB公司的六脉冲变频器（直接转矩控制方式）和永磁同步电动机，驱动模拟螺旋桨的负载电机。推进变频器由实验室岸电供电，驱动推进电机。负载子系统由负载变频器、负载电机和PLC组成，采用ABB公司的四象限变频器和永磁同步电机。负载电机和推进电机通过法兰连接构成对拖加载模式。负载电机用于模拟螺旋桨的负载特性，将PLC采集到的转速送入船桨仿真模型中，计算出一个螺旋桨负载转矩值，经折算后变为负载电机的转矩指令，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，实现对螺旋桨负载特性的模拟。
所述的吊舱转台子系统用于模拟吊舱的真实运行情况，实现演示目的。除可自行按照设定好的流程进行教学演示外，还可通过无线网接收上级控制系统的指令进行工作。吊舱本体内部装有推进电机与螺旋桨，螺旋桨外有罩体保护。吊舱上部与转台连接，能够通过监控系统实现任意角度的旋转，并且旋转速度可调。所述的吊舱转台子系统包括回转机构、推进机构、控制系统等设备。回转机构主要由回转支撑、回转驱动结构组成。推进机构由推进电动机、推进减速机、螺旋桨、导流筒及框架构成。推进电动机采用永磁同步电机。吊舱推进PLC控制站用于吊舱的电气控制，采用变频器对推进电机进行调速驱动。系统能够通过无线网接收上一级控制系统的控制指令，完成各种动作。吊舱角度控制采用绝对值编码器作为回转角度检测传感器；推进电机采用增量型编码器作为螺旋桨转速检测传感器。
所述的监控子系统，如图2所示，监控系统设备和轴桨推进PLC控制站布置于集控台中。集控台为台式结构，提供操作面板和IPC实时监视界面。可在集控台操作完成电力推进系统模拟操纵实验，同时获得系统状态指示和报警。所述的监控子系统与轴桨推进PLC控制站间的信号传输通过工业以太网完成，与吊舱推进PLC控制站间的信号传输通过无线网络完成，两个PLC控制站与各自控制的子系统的信号传输通过PROFIBUS实现。
Claims (2)
1.一种双推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台，其特征在于，由轴桨推进子系统、吊舱转台子系统和监控子系统三部分组成，其中监控子系统是实现双推进形式一体化的核心部件；以及
所述的吊舱转台子系统包括回转机构、推进机构、控制系统；回转机构由回转支撑、回转驱动结构组成；推进机构由推进电机、推进减速机、螺旋桨、导流筒及框架构成；吊舱推进PLC控制站用于控制吊舱回转速度与角度以及吊舱中推进电机的转速；吊舱转台子系统通过无线网接收监控子系统的控制指令，完成各种动作；以及
所述的监控子系统的集控台面板上的车钟为轴桨推进子系统与吊舱转台子系统所共用，车钟推进时既可以用于轴桨推进的转速给定，也可以用于吊舱转台子系统中推进电机的转速给定，车钟旋转时用于吊舱转台的角度给定。
2.根据权利要求1所述的双推进形式一体化的船舶电力推进模拟实验平台，其特征在于，所述的监控子系统为轴桨推进子系统与吊舱转台子系统所共用，轴桨推进PLC控制站用于轴桨推进子系统中推进电机的转速控制和负载电机的转矩控制，而吊舱推进PLC控制站用于控制吊舱回转速度与角度以及吊舱中推进电机的转速，两种推进形式既共用同一个上位机监控子系统形成一体化实验平台，下位机PLC控制部分又各自独立，互不影响；所述的监控子系统具有控制和监测的统一人机操作界面，通过集控台上的面板操作和鼠标操作可以控制电机的运行和监测各子系统设备的运行情况；所述的监控子系统的软件由集控台中的IPC监控软件和船桨仿真模型两部分组成，监控操作与仿真模型的计算均在同一个IPC上进行，IPC监控界面用WinCC编程实现，船桨仿真模型用MATLAB实现，两个部分之间通过软件接口进行数据传送。
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