电力推进船舶制动电阻设计研究

2016-10-13冒如权

船电技术 2016年8期

关键词：螺旋桨变频器转矩

冒如权

电力推进船舶制动电阻设计研究

冒如权

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

针对船舶制动过程中制动电阻的设计问题，本文建立了船桨仿真模型，对船舶制动过程中的能量回馈进行了仿真，提出了制动电阻设计方法，并通过仿真验证了所提方法的有效性。

电力推进螺旋桨制动过程制动电阻

0 引言

船舶电力推进是目前船舶推进方式的一种，其主要特点是采用推进电动机驱动螺旋桨负载，推进电动机的运行工况随着船舶航速要求的变化而变化。在船舶制动运行工况下，推进电动机处于再生制动状态，电动机转子、螺旋桨等旋转部件所存储的机械能可通过电动机转换成电能回馈到变频器直流侧电容中时，使直流母线电压上升。若这部分回馈能量不及时释放就会引起变频器过压保护动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。船舶的制动不仅关系到变频器装置的安全运行，而且直接影响船舶的安全运行和船员的人身安全[1]。对于采用二极管不控整流的变频器而言，需要能耗制动电阻对回馈的能量进行快速处理，以消除回馈能量对船舶电力系统的影响，实现船舶快速的机动性能。制动电阻的设计和选择对于变频器和船舶安全运行至关重要。

文献[2]对船舶电力推进系统的制动过程机理进行了分析，但未说明制动电阻的选择原则。文献[3]推导了制动电阻的取值范围，但未考虑螺旋桨的水动力特性对制动过程的影响，所得结论只适用于全回转螺旋桨的应用场合。

本文建立了基于matlab/simulink 的船舶电力推进系统螺旋桨能量回馈仿真系统模型，对制动过程的能量回馈进行准确的仿真和分析，并在此分析的基础上提出了制动电阻设计选择原则。以某实船参数为例，对制动能量和制动电阻进行了仿真验证。

1 船舶制动能量回馈分析

在船舶制动过程中，船舶是在船舶阻力和螺旋桨的推力作用逐渐减速的。由推进电机和螺旋桨的工作特性可知，推进系统进入制动状态后，在电机转速降为零之前，推进电机将向变频器馈能，馈能大小与船舶工作的螺旋桨特性有关。因此对需要螺旋桨的水动力特性和船舶的阻力特性进行研究。

1.1船-桨数学模型

船桨数学模型主要包括螺旋桨进速比模型、推力和转矩计算模型、船舶阻力模型以及船速模型。船桨模型框图如图1所示。

进速比表达式如下：

式中，h为进程；v为前进速度，即螺旋桨在水中实际前进的速度，单位为m/s；为螺旋桨转速，单位为r/s；为螺旋桨直径，单位为m。

在螺旋桨动态过程中， v与的变化并不同步，的取值范围为，对仿真来说很不方便和实用。为满足螺旋桨动态仿真要求，需对螺旋桨敞水特性进行改进，采用四象限螺旋桨特性的形式来表达[4]。在和v不同时为零时，改进的进速比J相应的定义如下：

1.1.2推力和转矩计算模型

由参考文献[5]可知，推力和转矩与桨直径、转速、进速v、海水密度有关。螺旋桨的推力和转矩方程如下式所示：

式中，为螺旋桨的推力，单位为N；为螺旋桨的转矩，单位为N·m；为海水的密度，单位为kg/m3，通常取1025 kg/m3。K、 K分别为改进后的螺旋桨推力系数和转矩系数。

在螺距比H/D给定的情况下，K与K均是进速比J的函数，可表示为下面的函数关系：

本文选用诺尔特斯特洛姆系列试验图谱，该系列桨的推力系数和转矩系数特性曲线可通过切比雪夫多项式拟合得到[5]。

如果螺旋桨参数和诺尔特斯特洛姆试验值不同，即船舶螺旋桨的盘面比/A≠0.45，桨叶数≠4，可按以下公式进行修正。

本文的研究对象确定为TF boys这一偶像团体的粉丝群体。TF boys是目前首屈一指国内偶像团体，他们在团体的高热度和广泛的关注度以及粉丝的强大力量方面有着其他组合不可比拟的优势，且其粉丝群体内部的属性构成完善，因此，TF boys的粉丝社群无疑本研究最合适的研究对象。

换算系数表达式如下：

式中0为图谱螺旋桨桨叶数4，(/A)0为图谱螺旋桨盘面比0.45，为待算螺旋桨桨叶数，/A为待算螺旋桨盘面比。

1.1.3伴流系数计算模型

伴流的存在使得船后螺旋桨附近流场中水流对桨的相对速度和船速不同，从而使螺旋桨产生的推力与敞水桨产生的也不同。伴流系数表达式如式(9)所示：

由于桨的负荷是变化的，伴流系数的计算方法如下[6]：

1.1.4推力减额系数计算模型

推力减额系数的大小与船型、螺旋桨尺度、螺旋桨负荷以及螺旋桨与船体间的相对位置等因素有关，通常都是根据船模自航试验或经验公式来决定的。

由于桨的负荷是变化的，推力减额系数t的计算方法如下：

式中：t为正航时的推力减额系数，t为到航时的推力减额系数；n为螺旋桨额定转速，单位为r/s。

1.1.5船舶阻力模型

船舶阻力的大小与船型、船体表面粗糙度等因素有关。用理论方法来计算船舶阻力是很困难的，通常都是根据船模自航试验或经验公式来决定的。船舶所受总阻力的数学模型可简化为：

式中：C为船舶摩擦阻力系数，k为船型修正系数，∆C为船体粗糙度补贴数，C为剩余阻力系数，为湿表面积。

1.1.6航速模型

电力推进船舶中的推进电动机、螺旋桨和船体构成了船-机-桨系统。船-机-桨系统的运动是有船舶运动和推进系统运动综合而成的，其动力学方程为：

其中，为考虑了推进电机、螺旋桨等回转部件的转动惯量；M为推进电动机的驱动力矩；M为螺旋桨水阻力矩；为船体质量，单位为kg；为随船一起运动的附着水质量，单位为kg。一般按照经验取附着水质量为船体质量的5%～15%。

1.2船-桨仿真模型

根据上节的船-桨数学模型，可利用matlab仿真软件建立仿真模型。输入为螺旋桨转速，输出为螺旋桨推力和转矩以及船速。

船舶制动能量回馈过程的仿真模型如图2所示：

图2 船舶制动能量回馈过程仿真模型

1.3船舶制动电阻设计

制动电阻阻值是船舶制动回路中的重要参数。电阻越大，电流越小，制动力矩就越小，制动力矩太小时就起不到制动的效果，会造成变频器母线电压上升。反之，如果一味地减小制动电阻阻值，不仅会造成浪费，而且流过制动元器件的电流就会太大而导致变频器烧毁，所以制动电阻阻值的选型是设计船舶电力推进系统的一个重要内容。

制动电阻计算步骤如下：

a) 确定制动单元能力，列出相关参数

包含：制动单元动作电压U、制动单元过压阈值U、制动单元功率模块最大允许电流值I、制动单元峰值功率、制动单元平均功率、制动单元工作周期。一般情况下，变频器制动单元载流能力与变频器逆变单元是匹配的。

b) 根据船舶工作周期，确定制动电阻工作周期，一般为30 s/90 s。

c) 根据计算或仿真的制动功率和制动能量，确定船舶工作周期的制动峰值功率P。

d) 确定制动电阻阻值和功率

根据U、P，计算制动电阻最大阻值R=U2/P。根据U、I，计算制动电阻最小阻值R。制动电阻R取值可在(R，R)之间取值。

制动电阻的额定功率应大于P。

2 船舶制动过程仿真

通过对船舶制动能量回馈过程中的分析可知，在停车和倒车等制动过程中，存在船带桨的水动力状态，此时船桨所存储的机械能经推进电机转换为电能。

仿真参数如下：船舶质量为6000吨，总长112.1 m，水线长107.4 m，两柱间长104.1 m，型宽17.5 m，型深7.6 m，首吃水4.5 m，尾吃水4.5 m，湿表面积3032 m2，排水体积6914.7 m3，方形系数0.8435，长宽比5.949，宽度吃水比3.889，采用双机双桨，推进电机最大功率810 kW/台，螺旋桨额定转速155转，最大转速189.9 rpm，巡航速度13节，螺旋桨直径D=2.76 m，螺距H/D=1.2，盘面比A/Ad=0.5，桨叶数为4。

2.1 船舶制动过程仿真

船舶在停车和倒车时都存在制动过程，而只有在制动过程中螺旋桨转速与转矩方向相反时，才会有能量回馈到变频调速系统。本文以倒车的制动过程为例说明。

在额定航速情况下，推进电机工作在150 r/min，通过变频器控制，在48 s内把推进电机从150 r/min调整至-90 r/min，由于螺旋桨与推进电机的转子直接相连(机桨同轴)，则螺旋桨也会在48 s内从150 r/min到-90 r/min，因为转速为斜坡下降，螺旋桨转速从150 r/min到0的时间为30 s，即制动时间为30 s，仿真时间设为2000 s。仿真结果如所示：

由图3~图8可知，A-B时间段螺旋桨转矩和转速方向相同，螺旋桨还是起着推进器的作用，推进电动机输出正功率。B-C-D时间段螺旋桨出现负转矩，螺旋桨转速与转矩方向相反，此时螺旋桨不再起推进作用，而是作为水轮机运转，此时推进电动机向器反馈能量。从D时刻起，螺旋桨开始反转，此时航速继续减小到0直至反向行驶。图6所示为推进电机的输出功率，由图可知，在横轴坐标下即为制动回馈功率的曲线，最大制动功率为91.8 kW，实际制动时间为17 s。