CN111143985B - 一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶电力推进技术领域，具体涉及一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法。本发明根据已知的螺旋桨推力曲线，将螺旋桨期望推力转化为期望转速输入给变频器，变频器控制电机带动螺旋桨旋转，同时进速系数计算器会根据螺旋桨的进水速度和螺旋桨转速计算出实时的推力系数和转矩系数，来计算螺旋桨旋转的转速、推力和转矩，从而在螺旋桨负载不断改变的情况下，研究电力推进系统的动力学响应特性。本发明可以真实的反应在螺旋桨负载实时变化的情况下，异步电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数、螺旋桨转速、输出推力和转矩实时变化及动力学响应的特性，对于研究船舶的电力推进系统的响应特性及动力定位能力的改善具有重要意义。

Description

一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法

技术领域

本发明属于船舶电力推进技术领域，具体涉及一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法。

背景技术

随着我国在船舶排放方面的标准制定的越来越严格，管道铺设水深的增加和铺设难度的加大，传统锚泊系统已经满足不了管道铺设作业的要求，绿色环保的电力推进系统由于其调速范围广、驱动力大、体积小、布局灵活和安装方便的特点在铺管船上得到广泛的应用；同时其也是动力定位船舶中最重要的系统之一。因此在考虑螺旋桨负载实时改变的情况下，研究电力推进系统的动力学响应，具有极其重要的工程价值和现实意义。船舶使用电力推进系统有以下几个优点：

(1)操纵灵活，机动性好；使用电力进行推进，方便通过驾驶室对船舶进行直接控制，不但让舰舶的控制变得非常灵活机动，同时也大幅度地降低了操作失误的概率。此外，相比于普通推进，电力推进大幅度减少了操控的步骤，因而其解决危急情况的性能比较高，加大了推进时的安全性能。

(2)容易得到很好的拖动性，降低成本；电力推进的船舶具有低速性、动车和停车的快速性、恒功率性、恒电流性；推进设备的总电能能够使用若干发电机组来共同提供，增大了装置的可选性，提升了舰船的生存能力。

(3)可以采用中高速不反转原动机；螺旋桨的转速不可以过高，通常是在300rpm以下，否则它的工作效率将会下降；中高速原动机小巧轻便，方便舱室的布置；并且其维护管理和检修方便。

(4)柴油机和螺旋桨之间不存在刚性连结；这样原动机和发电机就能够根据需要安置在船上的任意位置，从而可以最为有效、合理地使用船上的空间。

因此，考虑一种研究螺旋桨负载实时变化情况下的电力推进系统动力学响应的方法对于船舶的电力推进系统来说十分关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：构建仿真系统；所述的仿真系统包括变频器模块、异步电机模块、减速器模块、进速系数计算器模块和螺旋桨模块；

步骤2：将推进器的期望转速输入到变频器模块，变频器模块输出变频变幅的三相交流电压；

其中，f为输出频率，

n_a为期望转速，n_e为额定转速；A_m为输出电压幅值，

A_e为额定幅值；t为运行时间；

步骤3：将变频变幅的三相交流电压输入到异步电机模块，得到电机转速和电磁转矩；

步骤4：将螺旋桨进速和螺旋桨实时转速输入到进速系数计算器模块中，得到螺旋桨的进速系数J、推力系数K_T和转矩系数K_Q；

螺旋桨的进速系数为：

其中，V为螺旋桨进速；D为螺旋桨直径；n为螺旋桨实时转速；

推力系数为：

转矩系数为：

步骤5：将异步电机模块输出的电机转速ω和电磁转矩T_e输入到减速器模块，得到经减速器模块后异步电机的转速n₀和经减速器模块后异步电机的电磁转矩T₀；将经减速器模块后异步电机的转速n₀、电磁转矩T₀、推力系数K_T、转矩系数K_Q和上一时刻的螺旋桨转矩M₀一同输入到螺旋桨模块，得到螺旋桨转速n、螺旋桨转矩M和螺旋桨输出推力T；

螺旋桨转速为：

螺旋桨的输出推力为：

T＝K_Tρn²D⁴

螺旋桨的转矩为：

M＝K_Qρn²D⁵

其中，B_m为阻尼系数；ρ为海水密度；

步骤6：将螺旋桨模块输出的螺旋桨转矩M反馈到减速器模块中，得到减速器模块减速后的螺旋桨转矩；将经减速器模块减速后的螺旋桨转矩，反馈到异步电机模块来作为异步电机模块的机械输入，实现异步电机模块对螺旋桨模块输出转速及推力的调节；

步骤7：将螺旋桨实时进速变化的曲线方程输入到进速模块中，重复步骤4至步骤6进行实时计算，得到螺旋桨负载变化情况下的电力推进系统的动力学响应。

本发明还可以包括：

所述的步骤3中将变频变幅的三相交流电压输入到异步电机模块，得到电机转速和电磁转矩的方法具体为：

将拥有三相电压输入的异步电机模块，通过转子侧线圈转化到定子侧，进行三项-两项变换，再引入一个额外的输入量ω₁，转换到旋转正交坐标系d、q上可得：

磁链方程：

电压-电流方程：

电磁转矩方程：

T_e＝n_pL_m(i_sqi_rd-i_sdi_rq)

电力拖动系统的运动方程：

选取转速ω、定子电流i_s和转子磁链ψ_r作为状态变量，获得以ω-i_s-ψ_r为状态变量的状态方程。

状态变量：

X＝[ω ψ_rd ψ_rq i_sd i_sq]^T

输入变量：

U＝[u_sd u_sq ω₁ T_L]^T

输出变量：

Y＝[ω ψ_r]^T

转子电磁时间常数：

电动机漏磁系数：

状态方程：

输出方程：

通过动态结构图得到异步电机的实时输出转速，通过电磁转矩方程得到电磁转矩，实现异步电机模块的电机转速和电磁转矩的输出。

本发明的有益效果在于：

本发明根据已知的螺旋桨推力曲线，将螺旋桨期望推力转化为期望转速输入给变频器，变频器控制电机带动螺旋桨旋转，同时进速系数计算器会根据螺旋桨的进水速度和螺旋桨转速计算出实时的推力系数和转矩系数，来计算螺旋桨旋转的转速、推力和转矩，从而在螺旋桨负载不断改变的情况下，研究电力推进系统的动力学响应特性。本发明可以真实的反应在螺旋桨负载实时变化的情况下，异步电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数、螺旋桨转速、输出推力和转矩实时变化及动力学响应的特性，对于研究船舶的电力推进系统的响应特性及动力定位能力的改善具有重要意义。

附图说明

图1在Matlab/Simulink下仿真系统的模块构成图。

图2为一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法的流程图。

图3为状态变量在d、q坐标系之中的流程图。

图4为在Matlab/Simulink下的仿真系统图。

图5为螺旋桨进速曲线变化图。

图6为推力系数动态变化过程图。

图7为转矩系数动态变化过程图。

图8为电机转速动态响应过程图。

图9为螺旋桨转速动态响应过程图。

图10为螺旋桨输出推力动态变化过程图。

图11为螺旋桨负载转矩动态变化过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于船舶电力推进技术领域，具体涉及一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法。将推进器的期望转速输出给变频器，与额定转速相比，变频器输出变频变幅的交流信号，来驱动异步电机带动伞形减速齿轮和螺旋桨旋转得到螺旋桨转速；螺旋桨转速反馈到进速计算器中，根据螺旋桨的特点与螺旋桨进速计算出相应时刻的推力系数和转矩系数，从而得出螺旋桨的输出推力和螺旋桨转矩，经减速器减速后的螺旋桨转矩反馈到异步电机中作为机械输入。将螺旋桨实时进速变化的曲线方程输入到进速模块中，依据本发明方法进行实时计算，得到螺旋桨负载时变下的全回转电力推进系统的响应。具体包括变频器输出的三项电压、异步电机输出的电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数、螺旋桨转速、输出推力和转矩的实时变化和动力学响应特点。这对于研究船舶的电力推进响应特性以及动力定位具有较高的价值和现实意义。

本发明在根据已知的螺旋桨推力曲线，将螺旋桨期望推力转化为期望转速输入给变频器，变频器控制电机带动螺旋桨旋转，同时进速系数计算器会根据螺旋桨的进水速度和螺旋桨转速计算出实时的推力系数和转矩系数，来计算螺旋桨旋转的转速、推力和转矩，从而在螺旋桨负载不断改变的情况下，研究电力推进系统的动力学响应特性，其对于船舶电力推进系统的研究和船舶动力定位能力的改善来说尤为重要。

本发明依据模块化的建模思想，利用Matlab/Simulink对该方法进行仿真，将仿真系统划分为变频器模块、异步电机模块、减速器模块、进速系数计算器模块和螺旋桨模块，如图1所示。船舶操控人员下达一定的船舶运动控制指令后，DP计算机会通过相应控制策略来得出每台推进器的期望推力；根据螺旋桨的推力曲线，可将期望推力进而表示为期望转速，将推进器期望转速输出给变频器，变频器输出变频变幅的交流信号，来驱动异步电机带动伞形减速齿轮和螺旋桨旋转得到转速，进速计算器模块在依据进速和螺旋桨转速计算出相应时刻的推力系数和转矩系数，从而得出螺旋桨的输出推力和转矩，按照实际的螺旋桨进速变化曲线方程给定到进速系数计算器模块当中，从而研究螺旋桨负载下的电力推进系统动力学响应。

本发明方法是这样实现的，如图2所示，具体步骤如下：

第一步，将推进器期望转速输入给变频器，变频器会输出变频变幅的三相交流电压。变频器模块的控制方程为：

输出频率：

输出电压幅值：

输出三相电压：

式中：n_a为期望转速，r/min；n_e为额定转速，r/min；A_e为额定幅值；t为运行时间，s。

第二步，将变频变幅的三相交流电压输入鼠笼式异步电机模块，带动电机旋转，并输出对应的电机转速和电磁转矩。

将拥有三相电压输入的的异步电机模块，通过转子侧线圈转化到定子侧，进行三项-两项变换，再引入一个额外的输入量ω₁，转换到旋转正交坐标系d、q上可得：

磁链方程：

电压-电流方程：

电磁转矩方程：

T_e＝n_pL_m(i_sqi_rd-i_sdi_rq) (6)

电力拖动系统的运动方程：

再选取重要且易得的状态变量，即：转速ω；定子电流i_s；转子磁链ψ_r。获得以ω-i_s-ψ_r为状态变量的状态方程。

状态变量：

X＝[ω ψ_rd ψ_rq i_sd i_sq]^T (8)

输入变量：

U＝[u_sd u_sq ω₁ T_L]^T (9)

输出变量：

Y＝[ω ψ_r]^T (10)

转子电磁时间常数：

电动机漏磁系数：

状态方程：

输出方程：

上述过程的动态结构图如3所示，由图3可得到异步电机的实时输出转速，再与在由式(6)得到电磁转矩，实现异步电机模块的电机转速和电磁转矩的输出。

第三步，将螺旋桨进速和螺旋桨转速一同输入到进速系数计算器模块中，得到进速系数，在依据所研究螺旋桨的特点，得到实时的推力系数和转矩系数。具体过程为：

螺旋桨的进速系数为：

推力系数为：

转矩系数为：

式中：V为螺旋桨进速，m/s；D为螺旋桨直径，m；n为螺旋桨实时转速。

第四步，将异步电机输出的转速和电磁转矩经减速器模块(减速比为3.846)后，与推力系数、转矩系数和上一时刻的螺旋桨转矩一同输入到螺旋桨模块，在依据所研究螺旋桨的特点，输出螺旋桨转速、螺旋桨转矩、螺旋桨输出推力。具体过程为：

螺旋桨转速为：

螺旋桨的输出推力为：

T＝K_Tρn²D⁴ (23)

螺旋桨的转矩为：

M＝K_Qρn²D⁵ (24)

式中：n₀为经减速器模块后异步电机的转速，r/s；M₀为上一时刻螺旋桨转矩，N·m；Bm为阻尼系数(这里取0.02)，N·m/(rad/s)；Te为经减速器模块后异步电机的电磁转矩，N·m；K_T为螺旋桨的推力系数；ρ为海水密度，kg/m³；K_Q为螺旋桨的转矩系数。

第五步，将输出的螺旋桨转矩反馈到螺旋桨模块当中，经减速器模块减速后的螺旋桨转矩反馈到异步电机模块来作为异步电机的机械输入，以进行下一迭代计算。

第六步，将实时螺旋桨转速与实时的螺旋桨进速反馈到进速系数计算器模块当中，计算实时的推力系数和转矩系数反馈到螺旋桨模块当中。

第七步，将实际的螺旋桨进速变化曲线方程给定到进速系数计算器模块中的螺旋桨进速计算模块下，从而研究螺旋桨负载时变下的电力推进系统动力学响应，在Matlab/Simulink下的仿真系统图如图4所示。

本发明所提出的一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，可以真实的反应在螺旋桨负载实时变化的情况下，异步电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数、螺旋桨转速、输出推力和转矩实时变化及动力学响应的特性。这对于研究船舶的电力推进系统的响应特性及动力定位能力的改善来说具有很高的价值和现实意义。

1、仿真条件设置

仿真条件下，设置额定异步电机转速为672(r/min)，鼠笼式异步电机额定功率3800kW，额定电压6600V，额定频率60Hz，减速比为3.846，仿真时间为30s。

2、仿真实验过程

给定期望异步电机转速为672(r/min)，螺旋桨进速曲线方程随时间变化情况如下所示：

螺旋桨进速曲线变化图如图5所示，按照本发明上述具体步骤进行实现，一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法。

3、仿真实验结果

上述仿真结果表明：

(1)本发明一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，可以得出输入期望转速后，在起始螺旋桨进速不变时，螺旋桨的转矩系数(和推力系数会急速上升，在5秒左右后趋于稳定；当螺旋桨进速增加时，推力系数和转矩系数都会发生相应的减小，进速增加的越快，推力系数和转矩系数下降的越快。

(2)本发明一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，可以得出起始螺旋桨进速不变时，螺旋桨转速n随着电机转速N和在0～10s内匀速增加；在13s左右时电机转速达到期望转速N＝672r/min趋于稳定，螺旋桨转速也随之达到n＝175r/min趋于稳定；在10s后以及20s后，螺旋桨的进速发生明显变化时，电机转速和螺旋桨转速通过变频器的调节几乎保持不变。

(3)本发明一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，可以得出在起始螺旋桨进速不变时，螺旋桨输出推力T和螺旋桨转矩Q在逐渐增大，增长速度都是先慢后快再慢；在13s左右时随着螺旋桨转速达到期望转速，螺旋桨转矩Q和推力T达到最大值；在10s后以及20s后进速增加时，螺旋桨负载转矩和推力会发生明显的减少；在响应过程中，转矩的起动可从零起逐渐增加，螺旋桨转矩和推力也实现了平稳光滑的输出。

如图2、图4所示，本发明由期望转速作为变频器的输入量来产生三项电压，输入到异步电机，异步电机的输出为电机转速和电磁转矩；进速系数计算器使用螺旋桨进速和螺旋桨转速作为输入，输出为推力系数和转矩系数；螺旋桨模块使用电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数和上一时刻螺旋桨转矩作为输入，输出了螺旋桨的实时转速、推力和转矩；使用螺旋桨实时进速变化的曲线方程输入到进速模块中，得到螺旋桨负载时变下的全回转电力推进系统的响应。

由期望转速作为变频器的输入量来产生三项电压；输入到异步电机，异步电机的输出为电机转速和电磁转矩，其特征在于：变频器选择了期望转速与额定转速的比值作为其产生三相变频变幅电压的输出的改变量，如式(1)、(2)、(3)所示；异步电机选择的输出为电机转速和电磁转矩，并且俩者又反馈到螺旋桨模块作为输入。

进速系数计算器使用螺旋桨进速和螺旋桨转速作为输入，输出为推力系数和转矩系数；其特征在于：进速系数计算器的输入为实时改变的螺旋桨进速和螺旋桨转速，输出为推力系数和转矩系数，计算方法如式(19)、(20)、(21)所示，而后推力系数和转矩系数又反馈到螺旋桨模块中。

螺旋桨模块使用了电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数和上一时刻螺旋桨转矩作为输入，输出了螺旋桨的实时转速、推力和转矩，其特征在于：推力系数、转矩系数、异步电机模块输出的电机转速、电磁转矩以及螺旋桨模块自身反馈的螺旋桨转矩共同作为螺旋桨模块的输入，螺旋桨模块输出为实时的推力、螺旋桨转速、螺旋桨转矩，计算方法如式(22)、(23)、(24)所示，螺旋桨模块输出的螺旋桨转矩要反馈回自身模块作为下一次计算的输入量，经过减速器模块减速的螺旋桨转矩要反馈到异步电机模块作为机械输入，螺旋桨模块输出的螺旋桨转速也要实时的反馈到进速系数计算器模块中作为输入。

使用螺旋桨实时进速变化的曲线方程输入到进速模块中，得到螺旋桨负载时变下的全回转电力推进系统的响应，其特征在于：需要根据螺旋桨进速实时变化的曲线方程输入到进速模块里去，从而确定推力及转矩系数，获得螺旋桨负载时变下的全回转电力推进系统的响应，具体包括：异步电机的转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数、螺旋桨转速、输出推力和转矩的实时变化和动力学响应特点。

第一步，将期望转速输入到变频器模块，通过公式(1)、(2)、(3)产生相应的频率和幅值的三相交流电压。

第二步，将三相交流电压输入到异步电机模块，通过公式(6)和选取的状态方程输出相应电机转速和电磁转矩。

第三步，将实时的螺旋桨转速和实时的螺旋桨进速一同输入到进速系数计算器模块中，通过公式(19)计算进速系数，再根据研究螺旋桨的特性，以公式(20)、(21)输出实时的推力系数和转矩系数。

第四步，将异步电机模块输出的转速和电磁转矩经减速器模块减速后，与进速系数计算器模块输出的推力系数和转矩系数以及螺旋桨模块上一时刻输出的螺旋桨转矩一同输入到螺旋桨模块；根据研究螺旋桨的特性，以公式(22)、(23)、(24)输出螺旋桨实时的转速、输出推力、转矩。

第五步，将输出的螺旋桨转矩反馈到螺旋桨模块当中，作为下一次迭代计算的输入量。

第六步，将经减速器模块减速后的螺旋桨转矩，反馈到异步电机模块来作为异步电机模块的机械输入，从而实现异步电机模块对螺旋桨模块输出转速及推力的调节。

第七步，将螺旋桨模块输出的螺旋桨转速反馈到进速系数计算器模块当中，与螺旋桨实时的进速一同进行迭代计算，将输出的实时的推力系数和转矩系数反馈到螺旋桨模块当中。

第八步，将螺旋桨实时进速变化的曲线方程输入到进速模块中，依据上述步骤进行实时计算，得到螺旋桨负载变化情况下的电力推进系统的动力学响应。

本发明所提出的一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，可以如实的反应在船舶电力推进过程中，当螺旋桨负载时刻改变时，异步电机转速、电磁转矩、推力系数、转矩系数、螺旋桨转速、输出推力和转矩的实时变化和动力学响应特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建仿真系统；所述的仿真系统包括变频器模块、异步电机模块、减速器模块、进速系数计算器模块和螺旋桨模块；

步骤2：将推进器的期望转速输入到变频器模块，变频器模块输出变频变幅的三相交流电压；

其中，f为输出频率，

n_a为期望转速，n_e为额定转速；A_m为输出电压幅值，

A_e为额定幅值；t为运行时间；

步骤3：将变频变幅的三相交流电压输入到异步电机模块，得到电机转速和电磁转矩；

步骤4：将螺旋桨进速和螺旋桨实时转速输入到进速系数计算器模块中，得到螺旋桨的进速系数J、推力系数K_T和转矩系数K_Q；

螺旋桨的进速系数为：

其中，V为螺旋桨进速；D为螺旋桨直径；n为螺旋桨实时转速；

推力系数为：

转矩系数为：

步骤5：将异步电机模块输出的电机转速ω和电磁转矩T_e输入到减速器模块，得到经减速器模块后异步电机的转速n₀和经减速器模块后异步电机的电磁转矩T₀；将经减速器模块后异步电机的转速n₀、电磁转矩T₀、推力系数K_T、转矩系数K_Q和上一时刻的螺旋桨转矩M₀一同输入到螺旋桨模块，得到螺旋桨转速n、螺旋桨转矩M和螺旋桨输出推力T；

螺旋桨转速为：

螺旋桨的输出推力为：

T＝K_Tρn²D⁴

螺旋桨的转矩为：

M＝K_Qρn²D⁵

其中，B_m为阻尼系数；ρ为海水密度；

步骤6：将螺旋桨模块输出的螺旋桨转矩M反馈到减速器模块中，得到减速器模块减速后的螺旋桨转矩；将经减速器模块减速后的螺旋桨转矩，反馈到异步电机模块来作为异步电机模块的机械输入，实现异步电机模块对螺旋桨模块输出转速及推力的调节；

步骤7：将螺旋桨实时进速变化的曲线方程输入到进速模块中，重复步骤4至步骤6进行实时计算，得到螺旋桨负载变化情况下的电力推进系统的动力学响应。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨负载下电力推进器动力学响应的仿真方法，其特征在于：所述的步骤3中将变频变幅的三相交流电压输入到异步电机模块，得到电机转速和电磁转矩的方法具体为：

将拥有三相电压输入的异步电机模块，通过转子侧线圈转化到定子侧，进行三项-两项变换，再引入一个额外的输入量ω₁，转换到旋转正交坐标系d、q上可得：

磁链方程：

电压-电流方程：

电磁转矩方程：

T_e＝n_pL_m(i_sqi_rd-i_sdi_rq)

电力拖动系统的运动方程：

选取转速ω、定子电流i_s和转子磁链ψ_r作为状态变量，获得以ω-i_s-ψ_r为状态变量的状态方程；

状态变量：

X＝[ω ψ_rd ψ_rq i_sd i_sq]^T

输入变量：

U＝[u_sd u_sq ω₁ T_L]^T

输出变量：

Y＝[ω ψ_r]^T

转子电磁时间常数：

电动机漏磁系数：

状态方程：

输出方程：

通过动态结构图得到异步电机的实时输出转速，通过电磁转矩方程得到电磁转矩，实现异步电机模块的电机转速和电磁转矩的输出。

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