船舶电力推进装置仿真研究.docx

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船舶电力推进装置仿真研究

船舶电力推进装置仿真研究

上海海事大学

硕士学位论文

姓名：

高闽娟

申请学位级别：

硕士专业：

电力电子与电力传动

指导教师：

薛士龙

20060601

Ｙ１００７９８１

摘要

本文以船舶电力推进装置为研究对象，采用交流异步电机模拟螺旋桨工作特性，对螺旋桨仿真电机进行数学建模，实现基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片的螺旋桨仿真电机交流变频调速控制。

采用ＣＣ．Ｌｉｎｋ现场总线及串行通讯技术实现装置实时监控，开发了监控人机友好界面。

本文共分为六章。

第一章引言。

介绍了本课题的课题来源及研究背景；第二章船舶电力推进装置仿真总体设计。

深入研究船舶电力推进装置仿真的设计及硬件安装；第三章螺旋桨仿真电机数学建模。

对螺旋桨的工作特性及异步电机的机械特性做了简单描述，并在此基础上建立螺旋桨仿真电机数学模型，根据实验数据确定本课题交流异步电机的机械特性，参照某艇螺旋桨相关数据，设定螺旋桨特性；第四章基于ＤＳＰ的螺旋桨仿真电机控制。

深入研究基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片的电机交流变频调速控制，包括硬件设计、软件编程和设备调试；第五章船舶电力推进装置实时监控设计。

研究并实现设备间的实时数据通讯，其中包括ＤＳＰ与ＰＣ机的串行通讯，ＰＬＣ与ＰＣ机的串行通讯，ＣＣ．Ｌｉｎｋ现场总线等，并在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下应用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ软件开发实时监控人机友好界面；第六章总结和展望。

经过实验测试证明，螺旋桨仿真电机工作正常，可模拟设定工况下螺旋桨特性。

设备间成功实现数据实时传输，实时监控界面可正常显示装置状态及发送控制指令。

关键词：

电力推进，螺旋桨，ＤＳＰ，实时监控

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｍａｒｉｎｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｉｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＡＣａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰｆｏｒｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅ，ｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｓｃｒｅｗｐｒｏｐｅｌｌｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈｒｏｕｇｈｓｅｔｔｉｎｇｕｐｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌ．ＣＣ－Ｌｉｎｋｆｉｅｌｄｂｕｓａｎｄｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｍｏｎｇｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｉｎｍａｒｉｎｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．ＵｎｄｅｒｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｏｆＷｉｎｄｏｗｓ，ｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｍａｒｉｎｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ．

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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：

Ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ，ＤＳＰ，Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ２

论文独创性声明

本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。

其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。

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保密的论文在解密后遵守此规定。

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第一章弟一早

１．１课题背景及来源引言ｊＩ苗

２０世纪８０年代中期以来，随着电力电子技术、电机、交流调速技术和数字控制技术的发展，船舶电力推进系统在调节性能、机动性、运行效率、推进功率等方面都有突破性进展，应用范围不断扩大，引起了国际造船和航运界的重视。

我国很多高校、船舶研究机构以及船舶制造厂纷纷进行船舶电力推进系统的研究。

其中对研究结果进行反复测试与验证是对该系统研究的重要环节之一。

此类试验过程往往需要在真实复现船舶各种不同工作状态下进行，即令船舶螺旋桨运行在不同的工况，这对试验条件提出了很高的要求，大大增加了研究成本。

针对此矛盾，本课题设计了船舶电力推进装置仿真系统，采用异步电机代替真实螺旋桨，应用ＤＳＰ实现螺旋桨仿真异步电机的控制，使其真实复现螺旋桨工作特性。

同时本课题还对船舶电力推进装置实时监控系统进行了研究和设计。

本课题得到了上海市教委科研项目——“船舶电力推进混合仿真系统”相关研究资金的支持。

１．２课题研究领域的国内外现状

１．２．１船舶电力推进系统的发展

随着电力电子技术的日益成熟，船舶电力推进系统发展突飞猛进。

上个世纪９０年代国际上几个主要的设计公司如：

ＡＢＢ、西门子、阿尔斯通、ＳＴＮ．ＡＴＬＡＳ公司，在船舶电力推进的开发方面展开了激烈的竞争，９０年代中期相继在推进机械装置上取得重大突破，各自推出了不同形式的吊舱结构。

１９９０年由芬兰ＡＢＢ公司和ＫｖａｅｒｎｅｒＭａｓａ船厂联合研制的Ａｚｉｐｏｄ系统开创了吊舱推进系统的先河。

进入２１世纪以来，Ａｚｉｐｏｄ系统又有了新的发展【¨。

然而目前我国的电力推进技术还处于起步阶段，电力推进技术的应用并不广泛，使用的新产品和船型不多，推进系统的全套设备一般都要由国外引进组装，核心技术仍掌握在外国公司手中。

２０００年，上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造了一艘１９５００吨化学品船，名为“柏劳斯佩拉”，这是我国制造的首艘吊舱式电力推进船舶。

２００２年广船国际为ＣＯＳＣＯ建造的１８０００吨级半潜船“泰安口”，是中国建造的第二艘电力推进船舶，采用两套ＳＳＰ吊舱电力推进系统，由德国ＳＩＭＥＮＳ公司和Ｓｃｈｏｔｔｅｌ公

司联合研制，采用双螺旋桨形式，分别装在一加长轴的两端，转向相同，吊舱尺寸不超过螺旋桨直径的３０％＂－－－＇４０％，设有船艏侧推器两套，每套功率８００ＫＷ。

“泰安口”号的姐妹船“康盛口＂号也采用了电力推进方式【２】ｏ

本课题的展开，有利于国内船舶电力推进系统的研究，可大大降低研究成本，为系统的测试过程提供更多的便利。

１．２．２电力电子技术的发展

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

进入９０年代电力电子器件的研究和开发已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。

理论和试验证明电气产品的体积与质量反比于供电频率的平方根，频率提高对其设备的制造省材，运行节能和系统性能改善意义十分深远。

电力电子器件高频化是其创新的主导方向，硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势。

目前先进的模块已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，在一致性与可靠性上达到极高的水平。

现日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的ＩＰＭ智能化功率模块产品推出【３】ｏ

电力电子技术随着新元器件的研发及现代计算机、控制技术的迅速发展而应用领域更加广泛，应用性能更加完善可靠，并引起了电力系统的重大变革，新的大功率电力电子器件的研发和应用将成为２１世纪电力研究的前沿。

１．２．３变频调速技术的发展

２０世纪６０＂－－＇７０年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能变频调速系统应运而生。

为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，２０世纪８０年代，交流调速已处于与直流调速相抗衡的地位，交一交变频调速、交一直一交变频调速、正弦波脉宽调制（ＳＰＷＭ）变频调速、空间电压矢量变频调速、直接转矩控制变频调速等系统飞速发展。

我国从２０世纪９０年代开始，交流变频调速装置的研发有了迅速发展。

由于变频调速具有良好的动态响应，调速精度高，通信功能强，工作效率较以往的交流调速方式更高，可以预见，在电气传动领域，变频调速将会取代直流调速１４Ｊ。

随着各种控制策略的不断提出，对电力电子器件及可高速处理复杂控制规律２

的处理器的要求越来越高，因此具有高频开关特性的电力电子器件以及高速数字处理器成为高性能变频调速系统的重要物质基础。

１．２．４数字控制器的发展

数字控制技术是自动控制理论和计算机技术相结合的产物。

交流电机的数字控制系统包括信号的测量、滤波、整形，核心算法的实时完成及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。

早期用于电机控制的数字控制器是各种类型的单片机，如Ｉｎｔｅｌ公司的５１系列和１９６系列单片机，特别是８０Ｃ１９６ＭＣ具有片内波形发生器（ＷＦＧ），可产生３对独立的ＰＷＭ信号，适合于交流电机控制。

但是当需要大量数据计算处理或浮点运算，对快速性要求较高时，单片机则无法满足需求，为了进一步提高运算速度，８０年代初出现了数字信号处理器（ＤＳＰ），使很多功能和算法可以采用软件技术来完成，为交流电机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能够达到更高的性能。

目前最常用的是德州仪器公司（ＴＩ）的ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ。

９０年代ＴＩ公司推出了一种专门用于数字电机控制（ＤＭＣ）的ＤＳＰ产品：

ＴＭＳ３２０Ｆ／Ｃ２４Ｘ系列，大大提高了运算速度，可用于对快速性和实时性要求很高的控制【引。

１．２．５通讯技术的发展

现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

它在制造业、流程工业、交通等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

现场总线是２０世纪８０年代中期在国际上发展起来的，它实现了现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系。

ＣＣ．Ｌｉｎｋ是三菱公司在ＦＡ领域中开发的现场网络，其最大通讯速度可达１０Ｍ，扫描时间不超过４ｍｓ【６】，可靠性高、实时性强。

串口通信技术也是现代系统通讯中常用的通讯方式之一，可方便地实现ＰＣ机与下行设备间的数据传输。

１．３课题主要研究内容

本课题主要完成了以下一些工作：

?

船舶电力推进装置仿真的构建

依据船舶电力推进系统的结构组成，根据本课题的研究目的及要求，构建船舶电力推进装置仿真系统，以交流异步电机代替船舶螺旋桨负载。

根据设计要求，完成设备的选型与采购，绘制设备接线图，完成设备安装。

?

螺旋桨仿真电机控制策略

根据船舶螺旋桨及异步电动机的工作特性，实验测得本课题异步电机机械特性，参考某艇螺旋桨参数，推导并确定本课题螺旋桨仿真电机的数学模型。

依据此数学模型，应用ＤＳＰ对仿真电机进行交流变频调速控制，实现模拟螺旋桨特性的目标。

?

船舶电力推进装置仿真实时监控设计

本课题利用现场总线及串口通信技术实现船舶电力推进装置间的实时数据传输，在上位ＰＣ机的Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统中，使用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ软件开发船舶电力推进装置仿真实时监控人机友好界面，并对此实时监控系统进行实验测试。

４

第二章船舶电力推进装置仿真总体设计

２．１船舶电力推进装置仿真结构

船舶电力推进，通常是由原动机带动发电机发电，然后直接或经变流器给推进电动机供电，由推进电机带动推进器旋转，使船舶运动。

目前的船舶电力推进系统主要由驱动用电动机，螺旋桨和变速控制系统三部分组成。

驱动用电动机主要有两种：

同步电动机和鼠笼式感应电动机。

同步电动机用于低速传动，它可以和螺旋桨直接相连；鼠笼式感应电动机则用于中高速传动（额定转速范围在９００＂－一１８００ｒ／ｍｉｎ）它和螺旋桨之间通常需经减速装置连接。

针对这两种不同的电动机开发出两种相应的变速控制系统【７１。

电网

系统状态显示

控制指令发送

系统参数设定

图２－１船舶电力推进装置原理结构图

依据船舶电力推进系统的结构组成，根据本课题的研究目的及要求，设计了船舶电力推进装置仿真。

仿真系统中以交流异步电机代替真实螺旋桨负载，原理结构图如图２—１。

仿真装置由ＤＳＰ电机控制模块（控制螺旋桨仿真电机）、变频器（控制推进电机）、螺旋桨仿真电机、推进电机、上位ＰＣ机、实时监控系统等部分组成。

其中螺旋桨仿真电机控制部分采用目前使用较为广泛，数据处理能力强的ＤＳＰ数字控制器，以实现对螺旋桨仿真电机的交流变频调速控制。

实时监控系统部分采用了具有更高实时性、可靠性的ＣＣ．Ｌｉｎｋ开放式现场总线技术，以实现设备间数据实时传输，使用ＲＳ．２３２串口通讯完成上位计算机与ＤＳＰ、主站ＰＬＣ间的数据交互。

除此之外，本系统还包括上位ＰＣ机，ＰＬＣ，扭矩测量仪，触摸屏，实船操纵台等设备。

上位ＰＣ机通过ＲＳ．２３２串行接口与主站ＰＬＣ、ＤＳＰ电机控制板进行数据交互，应用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ软件开发船舶电力推进人机友好监控平台，通过该监控平

台对系统参数进行初始设置，对螺旋桨工况进行设定，通过此平台对船舶运行状态进行监视及指令控制等。

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