电力推进船的动力系统建模与仿真

1、船电技术 2004年 第 3期 7电力推进船的动力系统建模与仿真李昌斌(广东肇庆海事局 526200摘 要 :文章对船舶电力推进系统的基本理论进行了探讨,提出了电力主推进系统的数学模型,应用电力拖动理 论,建立了简单的电力推进系统 Matlab/Simulink模型并对之进行性能模拟和研究。 关键词 :电力推进; 船舶; 建模;1 引言随着电力电子技术的高速发展,大功率交流 电机的变频调速技术日趋成熟,基于晶闸管整流 /IGBT器材方案实现的船舶电力推进技术,在国 内外受到高度重视并得以迅速发展, 并在机动性、 可靠性和运行效率等方面都有了突破性的进展, 从而使船舶电力推进技术的应用领域不断扩

2、大, 船舶电力推进技术已显示出广泛的应用前景。与 传统的柴油机推进船舶相比,电力推进船舶具有 无可比拟的优势。本文对电力推进技术的基本理 论进行了探讨,同时对电力主推进系统进行了建 模和性能模拟,以便对建立船舶电力推进系统进 行预先的初步研究和论证。2 船舶电力推进系统数学建模2.1 螺旋桨的数学建模 1船舶推进模型中的推进电机、螺旋桨和船体 三个组成部分共同构成船机桨系统,在这个系统 中,仅考虑推进装置的回转部分运动和船的直线 运动两种运动,它们相应的动力学方程分别为:f p d M M M dt dn I =2T sR P dtdV m= 式中, I 为主推进电机模型的回转部分的转动惯量,

3、 dtdn为回转部分的转速变化率, d M 为推进电机的驱动力矩, p M 为螺旋桨上的水阻力矩, fM为推进轴系的摩擦力矩。 m 为船体的总质 量; dts dV 为船舶航速的变化率; P 为推进装置的收稿日期:2004-01-09有效推力; T R 为船体阻力。 其中, d M 、 p M 和 P 的计算式如下nNeM d 9550= 52D n K M Q p = 1(42t D n K P T =式中, T K 、 Q K 分别为螺旋桨的推力系数和 扭矩系数, 为海水密度, D 为螺旋桨的直径, t 为螺旋桨的推力减额系数。螺旋桨负载特性就是指它的转矩、功率和转 速之间的关系曲线。采用

4、的简化处理分析如下: (1自由航行特性自由航行特性就是船舶在静水中航行的特 性,可以用以下的方程描述2n K M y y = 3' n K P y y =式中:y M -转矩, N·m; y P -功率, kW ; n -转速, r/min;', y y K K -常数 (2系泊特性系泊特性是满载的船舶在航速等于零时所 得到的螺旋桨阻转矩 x M 与转速之间的关系。可以用下式描述: 2n K M x x = 3' n K P x x = 2.2 直流电动机的数学建模 2在稳态运行下,直流电动机有下列方程式 电枢电动势:n e C E = 电磁转距:I C T

5、m e =电压平衡方程式:IR E U +=联立求解上述方程式可以得到电动机的机 械特性方程式为 n n T C C RC U n em e e =028 船电技术 2004年 第 3期 式中:R 为电枢回路总电阻, 为励磁磁通, I 为电枢电流, e C 为电动势常数, m C 为转距常数, =e C Un 0为理想空载转速, n 为转速降。 需要指出的是,当他励电动机励磁恒定时, 电枢电流 I 正比于电磁转矩 e T ,此时可用转速特 性 (I f n =,即IC R C U n e e = 上式表示直流他励电动机的机械特性 .当负载转矩发生变化时,电气传动系统将由 一个稳态运行状态变化到

6、另一个稳态运行的状 态,在这个过渡过程中,电机的转速、电流及转 矩等物理量随时间变化的规律, 称为其动态特性。 (1直流电动机传动系统动态特性数学分析 已知电力拖动系统的数学模型为dtdnGD T T L e =3752 直流他励电动机机械特性方程为: e m e T C C Rn n =0由此可得到dtdn C C RGD T C C R n n m e L m e =37520(2-0 当 L e T T =时,系统稳态电流为 s I ,稳态转速为s n 。即 L me s T C n n (0=, =m L s T I ,令 =m e m C C GD T 2, m T 称为过渡过程机电

7、时间常数 , 单位为秒,这样式(2-0可以写成:s mn n dtdnT =+ (2-1 设 0=t 时,电动机的初始转速为 ini n ,初始电流 为 ini I ,解微分方程(2-1得到mts ini s en n n n += ( (2-2将转速方程式 I n n e (0=代入式(2-2并除以 m C 得到s mI I dtdIT =+ (2-3 解(2-3得到ms ini s eI I I I += ( (2-4将(2-0除以 m C ,并考虑初始转矩为 eini T , 稳态转矩为 es T ,即得mes eini es e e T T T T += ( (2-5式(2-2 、 (

8、2-4 、 (2-5分别为转速、电枢 电流和电磁转矩随时间的变化函数。可见只要知 道各物理量的初始值、稳态值和系统的机电时间 常数,就可以描绘出动态特性。 2.3 船舶阻力的计算船舶阻力与船舶的船型参数和船舶航速相 关。 目前, 计算船舶阻力的方法有很多种, 其中, 爱尔法是一个较好的估算民用船舶阻力的方法, 比较适合于海上中、 低速船舶, 也便于仿真计算。 其计算式为:C V R S3605. 1264. 0= 式中, 为船舶排水量, S V 为船舶航速, C 为爱尔系数。爱尔根据大量船模及实船的试验结果, 将 C 值表示成速长比 LV和瘦削系数 =32WLL 的函数,并规定:该船的船型参数

9、应在一定的标 准范围内, 如果超出这个范围, 对 C 要加以修正。3 基于 Matlab/Simulink的建模方法 34Simulink 是 Matlab 的一个方便的、 交互式的、 可视化的程序编制系统。对于非线性动态系统的 模拟仿真极其有用,可以在图形界面下,利用鼠 标操作,以画方框图的方式建立系统模型和建立 仿真操作, 可以应用于线性、 非线性、 连续离散、 多变量和多速率系统。上述的电力推进系统数学 模型,是通过建立微分方程形式的数学模型,然 后再将其转化为传递函数形式的数学模型,应用 Simulink 中的传递函数模块,进行仿真计算。虽 然比较简单,但是在建立微分方程形式的电机数船

10、电技术 2004年 第 3期 9学模型时,必须对电力推进系统进行深入分析才 能建立这个模型。应用电力系统工具箱中的电机 模块,可以方便的建立电力推进模型,省略了对 电机进行建模分析。 图 1是 Simulink 电力系统模块集特有的电机 模型,标有 F+和 F-的回路是电机的励磁回路。 标有 A+和 A-的是电动机的电枢回路。标有 TL 的是电机拖动的负载的扭矩, 标有 M 的是一个输 出模块,其输出是一个多维向量,包括电机的拖 动扭矩,电机的电枢电流及电机的转速等动态参 数。很显然,建立一个电力系统的拖动模型关键 就是确定负载的扭矩即图中电机模型 TL 的变化 规律。电机的参数设置对话框可分

11、别为电枢的电 阻和电感,励磁回路的电阻和电感,整个系统的转动惯量(包括电机、轴系、螺旋桨三部分的总 转动惯量 ,电机的粘滞系数,电机的反抗扭矩, 电机的初始转速。2为在 Simulink 中构建的船舶直流电机电力拖动系统的模型结构图。 图 2 某船直流电机电力推进系统模型对系统运行一个 10秒的仿真,运行结果如图 3。 图 3中自左至右分别为直流电机的定子电 流、角速度、拖动转矩随时间的变化过程。从图 中可以看出,在启动回路中的电阻作用下,电机的定子电流得到了多次的衰减,同时角速度和拖 动扭矩也呈现相同的变化规律。经过 7秒多的过 程,电机进入稳态运行状态。10 船电技术 2004年 第 3期

12、 依据文章第二部分的数学建模理论,利用 Simulink 可以建立螺旋桨的 Simulink 模型如图 4所示。 Simulink 模型的 Subsystem 包含着确定螺 旋桨的推力系数 T K 和扭矩系数 Q K 。 在这里通过 将选定螺旋桨的推力系数和扭矩系数及其相对应 的进速系数存入数据库,在系统的运行过程中, 求出对应的插值系数和扭矩系数。螺旋桨的扭矩 输入再输出给外层的电机模型,电机模型应用公 式(2-4即可进行电机模块的仿真。可见,通过 螺旋桨模型的扭矩输出就可以把 Power System Blocket 所提供的电机模型和螺旋桨的 Simulink 模型有机的结合起来 5。4

13、 结论 建立电力推进系统的微分方程形式的数学 模型,然后再将其转化为传递函数形式的数学模 型, 应用 Matlab 语言的仿真工具箱所提供的传递 函数仿真模块,只需填入传递函数的相关参数,即可进行模型的仿真计算。但不同形式的电力推 进系统的差别很大,如何建立各种形式的电力推 进模型,值得探讨。而且电力推进系统是一个很 复杂的系统,要完善整套系统的仿真数学模型, 也是一件很困难的事情,还需要进一步的研究。参考文献:1 李殿璞 . 船舶运动与建模 . 哈尔滨 :哈尔滨工程大学出版社 ,1987.2 肖章权 . 船舶轮机系统建模与仿真 :博士学位论文 .武汉 : 武汉交通科技大学轮机工程学院 ,19

14、98. 3 张伟 . 船舶电力推进仿真研究 硕士学位论文 .武汉 :武汉理工大学能源与动力工程学院 ,2003. 4 李礼贤 . 电力拖动与控制 . 北京 :电子工业出版 ,1996. 5 陈桂明等 . 应用 MATLAB 建模和仿真 . 北京 :科学出版社 .2001.Modeling and Simulation of Power System in Electric Power Push ShipLi Changbin(Zhaoqing Maritime Bureau, Guangdong 526200, ChinaAbstract : This paper discusses the basic theory of electric power push system of ship and bring forward the ma