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1、上海海事大学硕士学位论文吊舱式电力推进控制系统人机界面开发及其仿真控制姓名：包艳申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：郑华耀;黄学武20060501摘要Y1 0 0 8 5 2 3现代电力推进技术与早期电力推进最大的不同就是建立了综合全电力推进系统(简称I P S)，它全面融合了现代最先进的数控技术、网络技术以及动力和机电领域的最新进展，已引起国际造船和航运界的重视。交通部重点实验室一上海海事大学航运仿真中心在推广产学研成果的同时，积极探索多模式机舱的仿真系统。近年来，在交通部专项基金支持下，我中心开始进行了“多模式机舱仿真系统实验室”建设，其核心研究是“多模式船舶综合电力系统和
2、电力推进系统”，它以吊舱式电力推进系统为研究对象，具有前瞻性，对于推动造船界和航运界加速选用与推广电力推进船舶有现实意义。本文课题是“多模式机舱综合仿真系统”的子项目，建设过程中又得到了国家教育部博士点基金项目“船舶动力推进系统动态仿真研究”的资助。该课题要根据船舶电力推进技术发展的新特点和趋势，设计并实现船舶综合电力推进监控系统，完善电力推进仿真装置开发技术。本文围绕此课题主要完成以下内容：将吊舱式电力推进船舶与传统采用的柴油(或燃汽)动力推进系统进行分析比较，汲取先进的船舶控制理念，通过不断试验完善，取得了较好的实效；基于构筑的电力推进仿真系统硬件框架和实船知识，设计出综合监测控制系统的软
3、件功能框架，完成各功能模块的设计及控制程序的编写和调试工作：基本实现推进和操舵控制方式的逻辑切换和控制功能，模拟了广阔海域和机动操作的运行控制方式；对指示灯、操纵杆外观功能进行仿真模拟，设计出了实用美观的监控操纵和运动仿真界面，该界面对于新一代推进装置船舶的高级管理人j 的培养有实用价值；最后完成了对新建系统的软硬件的可靠性测试。本文第一章介绍项目背景：第二章分析吊舱式电力推进装置的仿真对象，并介绍自行研制的“综合电力推进监控系统”的结构组成和任务功能，着重强调“半实物在环”的特点；第三章阐述了监控系统应用程序丌发策略，着重强调了其具有“实时控制”、“在线仿真”等特点，即本系统采用工控机来完成
4、对外部设备的动态数据采集和实时控制仿真；第四章探索了该电力推进系统的主机调速方案，提出了一种电机转速控制优化算法。第血章叙述了综合电力推进监控系统人机界面的丌发，主要包括主机操纵界面和船舶运动仿真界面两部分。最后，对毕业论文所做的工作予以总结、对本课题持续开展进行展望。吊舱式电力推进系统集调速、控制和执行于一体，课题丌发了较为完整的监测控制功能，完成了与硬件的联合调试，实现了功能(硬、软)模块化，设备标准化，反映了当代船舶的发展方向，对提高我们的科研水平，以及推广应用将有良好的社会效益与经济效益。关键字：吊舱式推进器，监控，数据采集，人机界面，面向对象T h eH M Id e v e l o
5、 p m e n to fs i m u l a t i o na n dr e a lt i m ec o n t r o lf o rP O Dp r o p u l s i o ns y s t e mA B S T R A C TT h em a x i m a ld i f f e r e n c eb e t w e e nm o d e r ne l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g ya n de a r l ye l e c t r i cp r o p u l s i o ni sb u i l d i n gI
6、 n t e g r a t e dP o w e rS y s t e m(I P S)I P Sm e l t st o g e t h e rt h ea d v a n c e dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y,n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h en e wd e v e l o po fd r i v ea n de l c t r o m a c h n i ca r e a I n t e r n a t i o n a ls h i pb u i l d i n
7、ga n dm a r i t i m ec o m p a n i e sh a v ep a i dg r e a ta t t e n t i o n st oI P S W i t hp o p u l a r i z i n gt h ef r u i t so fr e s e a r c h e s，S M S C(S h a n g h a iM a r i t i m eS i m u l a t i o nC e n t r e ak e yl a b o r a t o r i e so ft h eM i n i s t r yo fC o m m u n i c a
8、t i o n)，h a sb e e na c t i v e l yd e v e l o p i n gM u l t i-m o d eM E R S(M a r i n eE n g i n eR o o mS i m u l a t i o n)i n t e g r a t e dS i m u l a t i o nS y s t e m。R e c e n ty e a r s，S M S Ch a sc o m m e n c e dt h ec o n s t r u c t i n go fM u l t i-m o d eM E R SI n t e g r a t
9、e dS i m u l a t i o nL a bw i t hf i n a n c i n gs u p p o r to ft h eM i n i s t r yo fC o m m u n i c a t i o n T h ec o r eo ft h ep r o j e c ti s“M u l t i m o d eI n t e g r a t e dP o w e rS y s t e ma n dE l e c t r i cP r o p u l s i o nS y s t e m”T h el a y o u to fn e we l e c t r i c
10、a lp r o p u l s i o ns i m u l a t i o nl a bi sf o r e s e e i n g，w h i c ha d o p t sP O Da sas i m u l a t e do b j e c t T h i sr e s e a r c hi sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ra c c e l e r a t i n gt op o p u l a r i z ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o n T h i sp a p e rd e s c r i
11、 b e sr e s e a r c hj o b si n v o l v e di nt h ei m p o r t a n ts u bi t e m so fM u l t i m o d eM E RI n t e g r a t e dS i m u l a t i o nS y s t e m，a n da l s os u p p o r t e dt h ed o c t o r f u n do ft h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o no ft h eP e o p l e sP u b l i co fC h i n aw h
12、 i c hr e s e a r c h e do nD y n a m i cL o a dS i m u l a t i o no fM a r i n eE l e c t r i cP r o p u l s i o n T h ep r o j e c ta i m st oi n v e s t i g a t ea n dr e a l i z eM a r i n ei n t e g r a t i o nM o n i t o ra n dC o n t r o lS y s t e mi na c c o r d a n c ew i t ht h en e wc h
13、a r a c t e r i s t i c sa n dt r e n d so ft h ei m p r o v e m e n to fe l e c t r i cp r o p u l s i o n，a n dh e n c et or e s u l ti nm o r ep e r f e c td e v e l o p i n gt e c h n i q u e sf o rm a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns i m u l a t o r s T h ep a p e rf o c u s e do
14、nt h i st a s ka n dc o v e r e dt h e s ec o n t e n t s：c o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a ld i e s e le n g i n ew i t ht h eP O Dp r o p u l s i o n，r e f e r r i n gt os o m en e wm a r i n ec o n t r o li d e a s，d e s i g n i n gt h ef r a m eo fs o f t w a r ea n dc o n t r o lf l o w
15、 T h el o g i cc o n v e r to ft h ec o n t r o lm o d e so fp r o p u l s i o na n da z i m u t ha n g l ew a sr e a l i z e da n dt h e i rc o n t r o lf u n c t i o n si no c e a na n dm a n e u v e rm o d e sw e r ea l s oc o m p l e t e d T h eh u m a n-m a c h i n ei n t e r f a c e sc o m p o
16、 s e do fo p e r a t i o nd i a g r a m s p r o p u l s i o ne q u i p m e n ti n d i c a t i o na p p a r a t u sa n ds h i pm o t i o nc u r v e sw e r ed e s c r i b e d，w h i c hw a su s e f u lf o rt r a i n i n gs e n i o rm a n a g e r so ft h en e wg e n e r a t i o no fe l e c t r i cp r o
17、p u l s i o n F i n a l l y，t h er e l i a b i l i t yt e s to ft h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a sa l s of i n i s h e d T h ep a p e ri so u t l i n e db e l o w I nf i r s tc h a p t e r，t h et a s kb a c k g r o u n d sa r ec o m m e n d e d I nc h a p t e r 2，t h es i m u
18、 l a t e do b j e c to fP O De l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi sa n a l y z e da n dc o n s t r u c t i o n l o g i c a lr e l a t i o n s h i po fM a r i n eI n t e g r a t i o nM o n i t o ra n dC o n t r o lS y s t e mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d，e m p h a s i z i n gi t sf e
19、a t u r eo fH a r d w a r eI nT h eL o o ps i m u l a t i o n A f t e r w a r d s，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g ns t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e di nc h a p t e r 3，e m p h a s i z i n gi t sf e a t u r e so fr e a l-t i m ec o n t r o la n do n l i n es i m u l a t i o n
20、T h a t st Os a y,I n d u s t r i a lC o n t r o lC o m p u t e rw a sr e s p o n s i b l ef o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dr e a l t i m ec o n t r o l，w h i l es o f t w a r ei n t e r f a c ep r o v i d e du s e r sw i t hl i v e l ya n df r i e n d l yH M l I nC h a p t e r 4、s p
21、 e e d-r e g u l a t i n gs y s t e mf o rt h em a r i n em a i ne n g i n ew i l lb es t u d i e da n da no p t i m i z i n ga r i t h m e t i co fm o t o rs p e e dw i l lb ep u tf o r w a r d C h a p t e r 5i sd e v o t e dt oa ni n t r o d u c t i o no ft h es y s t e mh u m a n-m a c h i n ei n
22、 t e r f a c e，w h i c hc o n s i s t so fo p e r a t i o ni n t e r f a c ea n ds h i pm o t i o ni n t e r f a c e T h el a s tc h a p t e rs u m su pt h ew o r kt h a th a sb e e nc o m p l e t e d，a n dt h ec o n t i n u a n c ee x p l o i t a t i o nw o r k T h en e w l yM a r i n eI n t e g r
23、a t i o nM o n i t o ra n dC o n t r o lS y s t e mi n t e g r a t e dt h ef u n c t i o n so fs p e e dr e g u l a t i o n，c o n t r o la n de x e c u t i o n，w h i c hd e v e l o p e dm o r em o n i t o rf u n c t i o na n df i n i s ha s s o c i a t i o nd e b u gw i t hh a r d w a r e，a n da l s
24、 or e a l i z es o f t w a r em o d u l a r i z a t i o na n de q u i p m e n tm o d u l a r i z a t i o n T h ep r o d u c tr e f l e c t st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ec o n t e m p o r a r ys h i p p i n ga n dh a sag o o de c o n o m i c a le f f e c to nt h ei m p r o v e m
25、 e n to ff u t u r es c i e n t i f i cr e s e a r c h B a oY a n(P o w e rE l e c t r o n i c sa n dE l e c t r i c a lD r i v e)D i r e c t e db yP r o f Z h e n gH u a y a o，A s s o c P r o f H u a n gX u e w uK E Y W O R D S：P O Dp r o p u l s i o n，M o n i t o ra n dC o n t r o l，d a t aa c q u
26、 i s i t i o n，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e O O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。作者签字：2 錾日期：豆：妻：塑论文使用授权性声明本人同意上海海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保留论文。保密的论文在解
27、密后遵守此规定。日期：!：!第一章绪论1 1 课题来源能源匮乏和环境污染将成为人类在新世纪要面临的主要问题。从7 0 年代开始，能源危机在全球范围内曾爆发过两次，这引起了各国对节能技术的高度重视。从那时起，为了满足世界上货物贸易增长的需要，船的大小和速度都在不断提高。然而节能却需要主机推进功率有一定限制。从造船方面，解决策略是要研究一种高效灵活的推进系统。主流方式的电力推进船舶已经有上百年的历史。2 0 世纪前期，汽轮机初次在舰船上应用，由于大功率机械减速装置在制造工艺上尚有一定的困难，所以从护卫舰到航空母舰等许多军用舰船，以及油船、客货船等许多大型民用船舶都采用了电力推进，并发展了各种形式的
28、电力推进装置。第二次世界大战后，随着科学技术的进步，已可批量生产满足舰船动力要求的卤轮减速装置，而当时技术条件下的电力推进装置又由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故舰船又大量采用柴油机、汽轮机或燃气轮机的直接传动推进。在近十年中，伴随着电力电子器件的飞速发展，大功率逆变器及交流调速技术的发展也同趋高性能化。现代电力电子技术不仅彻底改变了船舶能量变换的面貌，而且使原先船舶电力推进存在的一些缺点发生根本性的转化，其优点和长处得到进一步发扬。同时进入实用阶段的永磁电机给舰船电力推进设备带柬更小的体积和重量；超导技术和燃料电池的研究己在某些技术领域有了一
29、定的进展“1。今天船舶所采用的电力推进已经不是以往的简单重复，无论是船舶总体系统的组成或是推进装置自身的性能都有了长足的进步和提高。现代电力推进技术与早期电力推进最大的不同就是建立了综合全电力(推进)系统(I n t e g r a t e dP o w e rS y s t e m 简称I P S)，也即把舰船电力推进和日常用电的发电设备综合为一个统一的电网加以考虑和设计。“。它全面融合了现代最先进的数控技术、网络技术以及动力和机电领域的最新进展，已引起国际造船和航运界的重视。美国、英国以及北约组织的有关机构都在从事这方面的研究和规划；我国海军工程大学在舰船I P S的电力集成发电模块上也取
30、德了一系列开创性的成果，研制成功1 2 相交流整流型充电发电机系统，交直流集成双绕组发电机等电力集成设备。上海海事大学航运仿真中心在推广模拟器的产学研成果的同时，迫切需要探索多模式机舱的仿真系统，改变单一模式的格局、提升原有设备和系统的科技含量。2 0 0 2 年起，在交通部专项实验室基金的支持下开始“多模式机舱仿真系统实验室”的建设，从推进形式分为四大类型机舱模式：M O D E l 为定距桨推进系统，M O D E 2 为变距桨推进系统，M O D E 3 为新型电力推进系统，M O D E 4 为小型机舱物理仿真系统。其中核心部分的研究是“多模式船舶综合电力系统和电力推进系统”。新规划的
31、针对新型电力推进装置的仿真实验室阻吊舱式电力推进系统为研究对象，具有前瞻性。它对于培养新一代推进装置船舶的高级管理人才有实用价值；同时作为研究性的基地，能为企业提供仿真试验和测试环境，对于推动造船界和航运界加速选用与推广电力推进船舶有现实意义。该电力推进仿真系统采用多重网络拓扑结构，整个系统包括驾驶室中央控制台，船翼控制台，集控室控制台，机旁控制台，吊舱仿真模型，推进电机及其控制系统，负载电机及其船机桨仿真系统，电源管理及其电站仿真系统，监控与报警系统等。本课题基于构筑的电力推进仿真系统硬件框架，结合先进船舶的控制模式，开展了吊舱式电力推进人机交互界面的开发和监测控制软件的设计。1 2 电力推
32、进领域的国内外现状吊舱式电力推进的历史仅1 0 多年，时间很短，发展迅猛，市场潜力大，它已被广泛应用在各类民船的电力推进系统中：破冰船、航道工程船、近海支援船、油轮、豪华游轮、小艇、调查船、起重机船、L N G 运输船等“，国外多家大公司纷纷成立了专门从事吊舱推进业务的子公司，如A B B A z i p o d 公司、S i e m e n s 公司和S T N A t l a s 公司。A B B 公司于1 9 9 0 年和K v a e r n e r M a s a 船厂联合研制的A z i p o d系统开创了吊舱推进系统的先河，占据着吊舱式电力推进器的很大一部分市场，进入2 1 世
33、纪以来，A z i p o d 系统又有了新的发展。A B B 公司的C o m p a c t A z i p o d 系统投放市场，使用最新的水冷式A C S 6 0 0 W 变频器驱动永磁电动机，实行直接转矩控制(D T C)。A z i p o d 系统的成功以及市场的潜力引来其他电力推进器设计商们的竞争。目前，A z i p o d 系统最大的竞争对手是由K a m e w a 公司和A l s t o m 公司联合开发的M e r m a i d 推进器，功率范围为5 2 5 M W,该系统的独特设训在于轴封甚至整个吊舱都可以在水下进行替换，每个推进器的叶片也可以在水下替换。而由德
34、国S i e m e n s公司和S c h o t t e l 公司联合丌发的S S P 系统是一种采用双螺旋桨形式的吊舱推进系统。在2 0 0 1 年年初，热内亚M a r i o t t i 船厂为R a d i s s o n S e v e n S e a s 建造的5 0 0 0 0 吨级的“S e v e n S e a s V o y a g e r”号，使用了两套7 0 0 0 k W 的D o l p h i n 系统。目前，D o l p h i n 系统功率为3 1 9 Mw，适用于各类高速高性能的船型。现在，又有一种新的系统一2一D c N 系统，是由法国政府防御部门
35、提出来的，它采用静态模块吊舱概念，可以提供1 0 0 0 k W 到2 5 M W 的功率，螺旋桨的转速在8 0 f f m i n 到2 5 0 f f m i n 之问。吊舱舱体的尾部有一个舵形的鳍状物，以此提高稳定性。D C N 系统目前还主要在理论设计阶段。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。现在国内主要从事这方面研究的是海军工程大学，他们提出了电力集成的技术思想，在常规潜艇中研制成功了1 2 相发电机整流供电系统，给直流推进电动机供电，实现电力推进；在核潜艇上采用交直流集成双绕组发电机供电
36、系统进行混合电力推进。此外，国内己生产电力推进船舶的厂家有上海爱德华船厂和广东的广船国际，他们采用的是西门子的S S P 吊舱式电力推进系统。烟台船运公司选用了A L S T O M公司的M e r m a i d 推进系统，而烟大线渡船则采用A B B 公司的A z i p o d 推进器。中国船舶工业总公司和中国水产科学研究院为北京颐和园管理处建造的太和号游船采用了交流变频推进方式，即用蓄电池作为电源，通过变频控制交流电机带动螺旋桨柬推进船舶”3。从满足游船需要的角度来说，该船的噪音、振动指标均符合要求。就大型船舶的电力推进系统核心技术，全部为国外造船业所垄断，中国造船业急需要自主产权的电
37、力推进系统核心技术。1 3 本课题的主要研究任务及设计方案我校在“网络型集装箱船舶机舱轮机模拟器”的基础上于2 0 0 2 年开始探索多模式机舱综合仿真系统。范围包括定距桨推进系统、船舶电力推进系统和自动化机舱物理仿真系统的综合。研究成功的“船舶机舱集成模拟系统”项目已经在江苏科技大学得到推广应用。2 0 0 5 年9 月，立体化的船舶电力推进实验室初步建成。它以吊舱式电力推进系统为研究对象。本研究课题正是在以上背景下进行的，其主要目的是，在现有的硬件框架上，研究开发吊舱式电力推进监测控制软件和操纵人机界面，使之实时响应操纵命令并且根据被模拟对象的数学模型进行仿真，同时通过数据交换，构成一个与
38、实船一致的、完整的监测控制系统。其主要工作包括：1 吊舱式电力推进船舶控制系统资料搜集、仿真模型与特性研究。吊舱式电力推进方面的资料目前国内极少，本课题借鉴和综合了一些先进船舶控制模式，不断试验完善，取得了较好的实效。2 数据采集与通道信息处理。吊舱式电力推进控制系统中的驾驶台、现场控制台、集控台、吊舱现场台的各种操作数据输入输出，各种指示灯和电子显示仪表显示，一共有2 8 8 个i o 通道，1 6 个A I 通道，2 6 个A 0 通道需要测试。研发的数据采集与系统，能完成底层驱动、A 1 通道的滤波、抗干扰处理、信号校谁补偿等任务。3 监测控制系统的研究。该部分研究主要分为操纵系统(包括
39、推进控制分系统和操舵控制分系统两个分系统)和髓测报警系统两部分。(1)船舶运动控制的仿真研究。基于现有的吊舱式电力推进系统框架和实船知识，实现驾控面板各功能键的功能及推进控制、操舵控制功能(包括推进器的启动停止、螺旋桨转速控制、转舵装置的启动停止、舵角控制等)，并将控制程序与控制对象模型的进行联调、评测，再进行修改和完善。(2)监测系统的研究。本课题设计了监测系统的结构框架、技术方案，实现故障报警功能，报警显示功能延时报警功能，报警回差功能，闭锁报警功能，报警自测试功能等。4 人机界面的开发。本课题采用V B 6 的语言丌发环境，针对驾驶室中央操纵台的操纵面板及其功能，设计出友好直观的操纵人机
40、界面和船舶运动仿真界面。研究人员通过该操纵界面可以进行远程操纵、自动控制和应急操作，实现软操作，提高船员在实际工作中驾驶能力；船舶运动仿真界面基于仿真数学模型，将船舶运动的航迹、航向、船速、各类参数实时反映出来，便于学员更好地理解新型吊舱式电力推进船的运动控制原理。1 4 本课题的实践意义和价值目前吊舱式电力推进系统的全套设备都由国外引进组装，技术核心完全掌握在外国人的手中。本课题开发设计的电力推进监测控制程序是整个吊舱式电力推进系统的一个重要的组成部分，是船舶操纵和控制系统的指挥中心。该系统能够帮助操作人员缩短对新型电力推进控制装置的摸索适应期，不仅适应仿真应用中的特殊要求，而且也有利于探索
41、相关的关键技术，它符合国际造船和航海事业发展的需要，前景看好。其中的推进控制技术、操舵控制技术、转速舵角信号处理技术经过不断改进，有望推广到实船的应用中。其中的动态操纵人机界面，消除单靠硬操作可能带来的风险，实现既可软操作义可硬操作的目的，提高了操作的可靠性，具有良好的实用价值。4第二章吊舱式电力推进仿真系统简介2 1 吊舱式电力推进系统概述所谓的吊舱式电力推进系统就是推进电机直接和推进螺旋桨相连，制成一个独立的推进模块并吊挂在船体底部，该推进模块可以3 6 0。水平旋转“。这样，推进的方位角可以人为地进行控制和调节，其直接后果是取消了舵机系统及相应的操纵机构。图2-1 所示的是吊舱式推进装置
42、与传统轴系各部件之间的对应关系。i磊、。-。、，一、，|。j 一。=-。I。、。一、。+：i 酋牵绻，、。选j例21m 舱式推进和传统推进的比较在吊舱式电力推进系统中，螺旋桨和推进电机共轴，两者之间没有任何其他环节，结构简单、紧凑，通常制成一个独立的推进模块。它可以在船舶试航前安装，甚至可以在海上进行卸装。吊舱式电力推进系统与传统的船舶推进系统相比有如下优点1：(1)推进器3 6 0。水平范围内旋转，因此可在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。(2)取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，从而节省了船舱空间，简化了安装。(3)空间配置灵活，可以在机舱整个空间内
43、立体布置，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容，为船体发计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵活性。(4)推进效率明显提高，倒航时，回转和操纵性能优良，提高了紧急停船的性能。(5)吊舱直接向外散热，推进电机不需要冷却，系统变得简单。(6)系统的噪声低，振动小，干扰小。(7)模块化设计原理使得推进模块可在船舶建造基本完成、准备试航前安装，必要时，可在海上安装和拆卸推进模块，这样船舶的建造时间可以大大缩短。2 2 仿真母型船概况该仿真试验以广州船厂建造的一条1 8 0 0 0 吨的半潜船“泰安口”轮为母型船，上层建筑及机舱位于艏部，装货甲板在舯部、艉部，设有动力定位(D P)系统。主发电机组供
44、电的P O D 式S S P 电力推进系统，功率可达2 4 7 0 0 k W，可3 6 0 0 旋转。船上配备的l【级动力定位系统可控制S S P 推进系统和船艏侧推器，该电力推进系统为两台4 7 0 0 k WP O D 式推进器和两台8 0 0 k WP W M 式侧推器，主推进系统采用P O D 式推进器，利用C y c l o c o n v e r t e r 将6 6 k V 交流电转换成0 1 2 7 5 H z，3 3 k V交流电供给交流永磁同步电机，电机转速0-1 5 5 r p m。利用Y 型变压器将三相6 6 k V 电源转换成8 0 0 V 交流电，减少了高次谐波的
45、含量，再通过P W M 型交直一交变频器向1 2 0 0 r p m、三相异步电机供电，并用齿轮驱动螺旋桨。该船主要承运钻井平台、导管架甚至潜艇等特种货物，其最大特点就是可以下潜，下潜时，整个装货甲板浸入水中，只有尾部浮箱顶部及首楼在水线上面，因而对该船的安全性、操作灵活性、自动化程度要求很高。为此，该船推进系统的P O D 采用S i e m e n sS c h o t t e l 公司S S P 双桨型式，如图2 2 所示。吊舱采用前后两只转向的桨，中间是永磁电机，外壳配有整流鳍”“。图2-2S S P 电力推进系统般桨外形由于电力推进系统的动力装置是发电机组，所以可以将全船的电力系统进
46、行统一管理。发电机的数量及功率，不仅仅取决于主推进器的功率，而且要考虑各工况所用电力及工况问的关系，功率要有冗余。浚船的电气系统图见附录。从图中可以看出，三台主发电机中可以有选择地给中压配电板供电，既可单机供电又可三台机并车供电；自中压配电板通过变频器、逆变器为主推进器供电，实现主推进器的变频控制：旋转变换器是利用6 6 0 0 V 电动机驱动发电机产生4 4 0 V 的电源，与辅发电机一起为低压设备供电。主发电机不仅为主推进器供电，也可以为侧推器、低压设备及照明供电，这样，就可以根据外部负荷情况来选择投入使用的发电机的数量，使主发电柴油机在较高的负荷下工作，得到较好的经济性。有数据表明，低负
47、荷时电力推进柴油机的经济性约为常规C P P F P P 推进的两倍。而且，由于电力推进系统振动小、噪音低等优点，越来越受到船东、设计单位的关注。所以，选择该船作为仿真试验对象进行研究将对我国船舶电力推进的发展具有积极的推动作用。2 3S i e m e n sS S P 吊舱式推进系统简介S S P 推进器系统是S i e m e n s 公司和S c h o t t e l 公司合作的产物，为了反映出该推进器系统的合作开发的特点，取名为S S PP r o p u l s o r。国内最新设计制造的多条电力推进船均采用的S S PP r o p u l s o r。S S PP r o p
48、 u l s o r 是一种吊挂式推进器系统，其功率输出范围在5-2 0 M W 之间。图2 3 是该吊舱推进装置结构示意图。其最上面一层是安装在船体内的推进操作室，里面配有电动液压操作系统，可以改变推进装置的方位f 可起到舵的作用)：中间一层是方位模块(这个模块也安装在船体内)；下面一层则是伸入水中的推进模块。推进电机安装在推进模块推进轴的中部，此轴的前后两端装着两个相反转向的螺旋桨。整个装置的3 个部分有通道和梯子连接，人员可以上下通行，进行必要的操作和维修“。实践证明，S S P 推进器系统的推进效率明显高于传统的柴油机直接驱动螺旋桨系统。S S P 推进器系统的效率提高的主要原因有两个
49、“：一是它的前后配对螺旋桨设计；二是它采用了永磁式同步电动机。配对螺旋桨技术就是在一根轴上带两个螺旋桨，它们的转向相同，分别安装在轴的两端；换句话讲，就是安装在推进模块的前端和后端。焊接在推进模块上，位于两个螺旋桨之间的两个鲭，也有助于提高推进器的总体效率。7幽2 3 吊舱推进装置实船上推进所用的永磁同步电机是S i e m e n s 公司生产的P E R M A S Y N 电动机。现在这种电动机的额定功率最高可达2 0 M W，和传统的同步电机相比，同样功率下，该电动机的直径可减少4 0，重量可减少1 5。这样，装有该电机的推进模块的直径也相应地减少。这就使得螺旋桨的支撑轴和螺旋桨直径之
50、比减少到3 5 4 0 之间这对于提高S S P 推进器的推进效率是十分重要的。各种实验表明，S S P 推进器系统相对于传统的柴油机直接驱动螺旋桨系统，节能在1 0 以上。用于控制同步电动机的变速控制系统选用的是S I M A RD R I V EC Y C L O 变流器，其结构示意图见附录二。C Y C L O 变流器控制一台同步电动机和传统的直流电力推进系统相比，具有峰固、维修工作量小的特点。C Y C L O 变流器把船舶电网的恒频交流电转换成频率低、可调的交流电供给同步电动机的定子绕组。C Y C L O 变流器的输出频率可以在O 5 0 1 t z 之间无级调整，频率范围是和电动