一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法。

背景技术：

作为船舶推进装置的执行机构，螺旋桨与原动机和船体匹配设计的性能好坏直接影响到船舶的航行性能和机动性。在船舶螺旋桨推进装置的设计开发过程中，通过模拟螺旋桨运行过程中的动态特性，可以反复在模拟环境中进行考核验证，降低实际环境变化带来的成本和风险,提高在安装之前发现实际系统潜在问题的可能性。

实际的螺旋桨不会单独的进行工作，而是同船体产生相互的影响，这导致螺旋桨与船体与它们单独工作时动态特性完全不同。因此，应把船体和螺旋桨作为一个整体进行螺旋桨负载特性研究。常见的螺旋桨负载模拟装置往往只考虑螺旋桨负载转矩的动态模拟，一般通过采用交流变频装置控制发电机提供螺旋桨负载转矩，来模拟螺旋桨的负载特性。而在现有的文献和资料中,并没有公开的同时考虑推进电机特性、螺旋桨特性和船桨相互作用的螺旋桨四象限负载模拟装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的问题,提供一种能够模拟螺旋桨起动、停车、加减速、倒车等动态特性的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置。

本发明的目的还在于提供一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装置，包括上位机，AppSIM实时仿真器、推进电机、负载电机、螺旋桨、轴联器、与推进电机配套相连的交流变频器1，与负载电机配套相连的交流变频器2、推进电机控制系统、负载电机控制系统、用于检测推进电机输出转速和负载电机输出转矩的转速转矩传感器、电机固定台架，推进电机与负载电机通过轴联器相连，轴上安装有转速转矩传感器，其中靠近负载电机侧的轴上装有螺旋桨；上位机与AppSIM实时仿真器双向通信连接，转速转矩传感器的信号输出端分别与推进电机控制系统、负载电机控制系统和AppSIM实时仿真器连接，AppSIM实时仿真器与负载电机控制系统连接，提供期望转矩给定；推进电机控制系统通过变频器1控制推进电机完成相应控制需求，负载电机控制系统通过变频器2控制负载电机转矩，使负载电机能够跟踪给定的期望转矩；

所述的推进电机与负载电机采用同等型号的三相正弦波永磁同步电机；推进电机与负载电机工作在电动机及发电机工况；所述的推进电机和负载电机采用低速电机；所述的螺旋桨采用固定螺距形式；螺旋桨的轴改为实心轴；所述的转速转矩传感器采用JN338型数字式转速转矩传感器；传感器的输出信号以频率量给出，和上位机进行接口；所述的AppSIM实时仿真器通过PCI板卡接受来自转速转矩传感器检测的转速转矩信号，作为输入量发送到船桨模型，船桨模型输出螺旋桨转矩作为负载电机的转矩给定期望值，并通过CAN通信在上位机界面显示电机电压电流、螺旋桨转速转矩和直流母线电压值。

一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)上位机接受用户对螺旋桨旋转工况与船舶航行工况的选择命令，将用户输入的信息发送给推进电机控制系统和AppSIM实时仿真器；

(2)推进电机控制系统接受转速转矩传感器返回的转速值通过驱动变频器1控制螺旋桨的转速跟随期望给定值；

(3)转速转矩传感器信号通过船桨模型计算出螺旋桨负载转矩给定值并发送给负载电机控制系统，负载电机控制系统驱动变频器2控制螺旋桨的转矩跟随期望给定值；

(4)用户初始设定的螺旋桨旋转工况与船舶航行工况为正车正航模式，通过上述步骤可以模拟螺旋桨第一象限的负载转矩特性和推进电机的转速特性；

(5)改变螺旋桨的转速大小，并保证螺旋桨与船舶运行工况为正车正航模式，模拟螺旋桨第一象限加减速工况的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

(6)改变螺旋桨的转速方向，并保证螺旋桨与船舶运行工况为倒车正航模式，模拟螺旋桨第二象限的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

(7)改变船舶的航行方向，并保证螺旋桨与船舶运行工况为正车倒航模式，模拟螺旋桨第四象限的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

(8)同时改变螺旋桨转速方向与船舶航行方向，并保证螺旋桨与船舶运行工况为倒车倒航模式，模拟螺旋桨第三象限的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

(9)通过上述步骤动态模拟螺旋桨启动、停车、加减速工况以及四象限运行的负载转矩特性以及推进电机的转速特性。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的螺旋桨负载模拟装置及其控制方法不仅可以模拟螺旋桨的启动、停车、加减速工况以及四象限运行的负载转矩特性，还通过将推进电机与负载电机同轴连接，进而模拟推进电机的转速特性。进一步地，本发明将螺旋桨负载与船舶的相互影响考虑在内，使其转矩特性更接近实际情况。

本发明提供的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法具有结构简单,操作方便,可靠性高，易于实现等优点。

附图说明

图1为本发明船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法的原理结构图。

图2为AppSIM实时仿真器中船桨模型的原理结构图。

图3为螺旋桨负载模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置，包括：上位机，AppSIM实时仿真器，推进电机、负载电机、螺旋桨，轴联器、与推进电机配套相连的交流变频器1，与负载电机配套相连的交流变频器2、推进电机控制系统、负载电机控制系统、用于检测推进电机输出转速和负载电机输出转矩的转速转矩传感器。

本发明所述的推进电机与负载电机通过轴联器相连，轴上安装有转速转矩传感器，其中靠近负载电机侧的轴上装有螺旋桨。上位机与AppSIM实时仿真器双向通信连接，转速转矩传感器的信号输出端分别与推进电机控制系统、负载电机控制系统和AppSIM实时仿真器连接，AppSIM实时仿真器与负载电机控制系统连接，提供期望转矩给定；推进电机控制系统通过变频器1控制推进电机完成相应控制需求，负载电机控制系统通过变频器2控制负载电机转矩，使之能够跟踪给定的期望转矩。

本发明提供的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置的控制方法,包括以下步骤：

步骤1.上位机接受用户对螺旋桨旋转工况与船舶航行工况的选择命令，将用户输入的信息发送给推进电机控制系统和AppSIM实时仿真器；

步骤2.推进电机控制系统接受转速转矩传感器返回的转速值通过驱动变频器1控制螺旋桨的转速跟随期望给定值。

步骤3.同时，转速转矩传感器信号通过船桨模型计算出螺旋桨负载转矩给定值并发送给负载电机控制系统，负载电机控制系统驱动变频器2控制螺旋桨的转矩跟随期望给定值。

步骤4.假定用户初始设定的螺旋桨旋转工况与船舶航行工况为正车正航模式，通过上述步骤可以模拟螺旋桨第一象限的负载转矩特性和推进电机的转速特性；

步骤5.改变螺旋桨的转速大小，并保证螺旋桨与船舶运行工况为正车正航模式，可模拟螺旋桨第一象限加减速工况的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

步骤6.改变螺旋桨的转速方向，并保证螺旋桨与船舶运行工况为倒车正航模式，可模拟螺旋桨第二象限的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

步骤7.改变船舶的航行方向，并保证螺旋桨与船舶运行工况为正车倒航模式，可模拟螺旋桨第四象限的负载转矩特性以及推进电机的转速特性；

步骤8.同时改变螺旋桨转速方向与船舶航行方向，并保证螺旋桨与船舶运行工况为倒车倒航模式，可模拟螺旋桨第三象限的负载转矩特性以及推进电机的转速特性。

步骤9.通过上述步骤可以动态模拟螺旋桨启动、停车、加减速工况以及四象限运行的负载转矩特性以及推进电机的转速特性。

本发明提供一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法,其原理结构如图1所示。

本发明提供的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置，包括：上位机，AppSIM实时仿真器，推进电机、负载电机、螺旋桨，轴联器、与推进电机配套相连的交流变频器1，与负载电机配套相连的交流变频器2、推进电机控制系统、负载电机控制系统、用于检测推进电机输出转速和负载电机输出转矩的转速转矩传感器、电机固定台架。

所述的推进电机与负载电机采用同等型号的三相正弦波永磁同步电机，在绕组绝缘能力上具有能承受变频电压中的尖峰过电压脉冲以及谐波电流的附加发热等特性。该变频电机的冷却可以采用自通风方式、强制通风方式或水冷却方式，视连续运行还是短时运行以及安装环境的不同而决定。

所述的螺旋桨采用固定螺距形式，简化了螺旋桨的结构，不再需要用来改变桨叶螺距角的一套液压油缸部件；螺旋桨的轴改为实心轴，不需钻深孔供应驱动油缸的液压油；取消了包括螺距角的反馈装置在内的整套液压控制系统的所有部件。定距桨推进器结构简单，价格低廉，基本上没有任何附属设备。

所述的联轴器由两半部分组成，分别与推进电机的转轴和定距桨推进器的螺旋桨轴联接。在高速重载的动力传动中，联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。

所述的变频器1、变频器2采用SPWM(正弦脉宽调制)交流变频控制方式，包括进线断路器、进线电抗器、控制变压器、进线接触器、控制续电器、控制开关及按钮、指示灯、电动机转速表、电动机转矩表、端子排及DSP逻辑驱动板等元器件。

所述的转速转矩传感器采用JN338型数字式转速转矩传感器。由于该传感器能够实现信号的无接触传递，可以提高转速转矩的测量精度和可靠性。传感器的输出信号以频率量给出，便于和上位机进行接口，检测精度高，稳定性好，抗干扰能力强。

所述的AppSIM实时仿真器通过PCI板卡接受来自转速转矩传感器检测的转速转矩信号，作为输入量发送到船桨模型，船桨模型输出螺旋桨转矩作为负载电机的转矩给定期望值，并通过CAN通信在上位机界面显示电机电压电流、螺旋桨转速转矩和直流母线电压值。

本发明还可以包括：

所述的推进电机可工作在电动机及发电机工况，主要取决于电机转速与转矩方向。推进电机采用矢量控制方式对转速进行控制，调速范围在0-300rpm，可正反转。

所述的负载电机可工作在电动机及发电机工况，主要取决于电机转速与转矩方向。负载模拟电机可正反转运行对螺旋桨负载转矩进行控制，按螺旋桨四象限特性需求进行柔性切换。

所述的推进电机和负载电机采用低速电机，不需要在轴联器上安装减速器，简化了负载模拟装置的结构复杂性，有助于提高螺旋桨负载模拟的控制精度。

所述的变频器1、变频器2直接利用实验室电网进行整流逆变操作，进而驱动电机完成相应的控制需求，省去了原动机发电装置，简化了负载模拟装置的结构复杂性。

所述的螺旋桨四象限负载模拟装置采用卧式安装结构，各旋转元件之间以联轴节相连，保障可正反转双向传递扭矩；系统各部件机械连接可靠牢固，螺旋桨外安装螺旋桨防护罩。

本发明提供的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法的工作原理为：

转速转矩传感器检测螺旋桨转速和负载转矩，将信号发送给推进电机控制系统、负载电机控制系统和AppSIM实时仿真器。实时仿真器中存有船桨负载模型，负载模型可根据船机桨关系计算出负载电机所需的负载转矩给定值，此给定值由AppSIM实时仿真器输出，送给负载模拟电机控制系统。负载电机接受螺旋桨实测转矩和负载电机转矩给定值，通过驱动变频器2使得转矩传感器检测值等于负载电机转矩给定值。推进电机控制系统输入螺旋桨实测的转速信号和上位机给定的转速信号，通过驱动变频器1使得转速传感器检测值等于转速给定期望值。

本发明提供的螺旋桨负载模拟装置需要在AppSIM实时仿真器中求解船桨模型来提供负载电机转矩给定值，其原理结构如图2所示。

该船桨模型输入量为螺旋桨转速测量值，通过螺旋桨转速和轴向进速计算进速比、推力系数、转矩系数可以求得船舶航行时螺旋桨推进器输出的有效推力和负载转矩，有效推力通过船舶运行模型可以给出螺旋桨的轴向进速。其中转矩缩比环节是考虑到本发明提供的负载模拟装置为小比例系统，需要在保证实际螺旋桨系统与小比例系统具有相同动态响应特性基础上，对实际螺旋桨负载转矩进行缩比处理。

本发明公开了一种船舶螺旋桨四象限负载模拟装置，包括上位机，AppSIM实时仿真器，推进电机、负载电机、螺旋桨，轴联器、与推进电机配套相连的交流变频器1，与负载电机配套相连的交流变频器2、推进电机控制系统、负载电机控制系统、用于检测推进电机输出转速和负载电机输出转矩的转速转矩传感器。本发明还公开了一种螺旋桨四象限负载模拟控制方法，可以动态模拟螺旋桨启动、停车、加减速工况以及四象限运行的负载转矩特性。本发明提供的船舶螺旋桨四象限负载模拟装置及其控制方法具有结构简单,操作方便,可靠性高，易于实现等优点。