本發明涉及一種船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置及其控制方法。

背景技術：

作為船舶推進裝置的執行機構，螺旋槳與原動機和船體匹配設計的性能好壞直接影響到船舶的航行性能和機動性。在船舶螺旋槳推進裝置的設計開發過程中，通過模擬螺旋槳運行過程中的動態特性，可以反復在模擬環境中進行考核驗證，降低實際環境變化帶來的成本和風險,提高在安裝之前發現實際系統潛在問題的可能性。

實際的螺旋槳不會單獨的進行工作，而是同船體產生相互的影響，這導致螺旋槳與船體與它們單獨工作時動態特性完全不同。因此，應把船體和螺旋槳作為一個整體進行螺旋槳負載特性研究。常見的螺旋槳負載模擬裝置往往只考慮螺旋槳負載轉矩的動態模擬，一般通過采用交流變頻裝置控制發電機提供螺旋槳負載轉矩，來模擬螺旋槳的負載特性。而在現有的文獻和資料中,并沒有公開的同時考慮推進電機特性、螺旋槳特性和船槳相互作用的螺旋槳四象限負載模擬裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述存在的問題,提供一種能夠模擬螺旋槳起動、停車、加減速、倒車等動態特性的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置。

本發明的目的還在于提供一種船舶螺旋槳四象限負載模擬裝控制方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置，包括上位機，AppSIM實時仿真器、推進電機、負載電機、螺旋槳、軸聯器、與推進電機配套相連的交流變頻器1，與負載電機配套相連的交流變頻器2、推進電機控制系統、負載電機控制系統、用于檢測推進電機輸出轉速和負載電機輸出轉矩的轉速轉矩傳感器、電機固定臺架，推進電機與負載電機通過軸聯器相連，軸上安裝有轉速轉矩傳感器，其中靠近負載電機側的軸上裝有螺旋槳；上位機與AppSIM實時仿真器雙向通信連接，轉速轉矩傳感器的信號輸出端分別與推進電機控制系統、負載電機控制系統和AppSIM實時仿真器連接，AppSIM實時仿真器與負載電機控制系統連接，提供期望轉矩給定；推進電機控制系統通過變頻器1控制推進電機完成相應控制需求，負載電機控制系統通過變頻器2控制負載電機轉矩，使負載電機能夠跟蹤給定的期望轉矩；

所述的推進電機與負載電機采用同等型號的三相正弦波永磁同步電機；推進電機與負載電機工作在電動機及發電機工況；所述的推進電機和負載電機采用低速電機；所述的螺旋槳采用固定螺距形式；螺旋槳的軸改為實心軸；所述的轉速轉矩傳感器采用JN338型數字式轉速轉矩傳感器；傳感器的輸出信號以頻率量給出，和上位機進行接口；所述的AppSIM實時仿真器通過PCI板卡接受來自轉速轉矩傳感器檢測的轉速轉矩信號，作為輸入量發送到船槳模型，船槳模型輸出螺旋槳轉矩作為負載電機的轉矩給定期望值，并通過CAN通信在上位機界面顯示電機電壓電流、螺旋槳轉速轉矩和直流母線電壓值。

一種船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置的控制方法，包括以下步驟：

(1)上位機接受用戶對螺旋槳旋轉工況與船舶航行工況的選擇命令，將用戶輸入的信息發送給推進電機控制系統和AppSIM實時仿真器；

(2)推進電機控制系統接受轉速轉矩傳感器返回的轉速值通過驅動變頻器1控制螺旋槳的轉速跟隨期望給定值；

(3)轉速轉矩傳感器信號通過船槳模型計算出螺旋槳負載轉矩給定值并發送給負載電機控制系統，負載電機控制系統驅動變頻器2控制螺旋槳的轉矩跟隨期望給定值；

(4)用戶初始設定的螺旋槳旋轉工況與船舶航行工況為正車正航模式，通過上述步驟可以模擬螺旋槳第一象限的負載轉矩特性和推進電機的轉速特性；

(5)改變螺旋槳的轉速大小，并保證螺旋槳與船舶運行工況為正車正航模式，模擬螺旋槳第一象限加減速工況的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

(6)改變螺旋槳的轉速方向，并保證螺旋槳與船舶運行工況為倒車正航模式，模擬螺旋槳第二象限的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

(7)改變船舶的航行方向，并保證螺旋槳與船舶運行工況為正車倒航模式，模擬螺旋槳第四象限的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

(8)同時改變螺旋槳轉速方向與船舶航行方向，并保證螺旋槳與船舶運行工況為倒車倒航模式，模擬螺旋槳第三象限的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

(9)通過上述步驟動態模擬螺旋槳啟動、停車、加減速工況以及四象限運行的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性。

本發明的有益效果在于：

本發明提供的螺旋槳負載模擬裝置及其控制方法不僅可以模擬螺旋槳的啟動、停車、加減速工況以及四象限運行的負載轉矩特性，還通過將推進電機與負載電機同軸連接，進而模擬推進電機的轉速特性。進一步地，本發明將螺旋槳負載與船舶的相互影響考慮在內，使其轉矩特性更接近實際情況。

本發明提供的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置及其控制方法具有結構簡單,操作方便,可靠性高，易于實現等優點。

附圖說明

圖1為本發明船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置及其控制方法的原理結構圖。

圖2為AppSIM實時仿真器中船槳模型的原理結構圖。

圖3為螺旋槳負載模擬裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述。

本發明提供的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置，包括：上位機，AppSIM實時仿真器，推進電機、負載電機、螺旋槳，軸聯器、與推進電機配套相連的交流變頻器1，與負載電機配套相連的交流變頻器2、推進電機控制系統、負載電機控制系統、用于檢測推進電機輸出轉速和負載電機輸出轉矩的轉速轉矩傳感器。

本發明所述的推進電機與負載電機通過軸聯器相連，軸上安裝有轉速轉矩傳感器，其中靠近負載電機側的軸上裝有螺旋槳。上位機與AppSIM實時仿真器雙向通信連接，轉速轉矩傳感器的信號輸出端分別與推進電機控制系統、負載電機控制系統和AppSIM實時仿真器連接，AppSIM實時仿真器與負載電機控制系統連接，提供期望轉矩給定；推進電機控制系統通過變頻器1控制推進電機完成相應控制需求，負載電機控制系統通過變頻器2控制負載電機轉矩，使之能夠跟蹤給定的期望轉矩。

本發明提供的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置的控制方法,包括以下步驟：

步驟1.上位機接受用戶對螺旋槳旋轉工況與船舶航行工況的選擇命令，將用戶輸入的信息發送給推進電機控制系統和AppSIM實時仿真器；

步驟2.推進電機控制系統接受轉速轉矩傳感器返回的轉速值通過驅動變頻器1控制螺旋槳的轉速跟隨期望給定值。

步驟3.同時，轉速轉矩傳感器信號通過船槳模型計算出螺旋槳負載轉矩給定值并發送給負載電機控制系統，負載電機控制系統驅動變頻器2控制螺旋槳的轉矩跟隨期望給定值。

步驟4.假定用戶初始設定的螺旋槳旋轉工況與船舶航行工況為正車正航模式，通過上述步驟可以模擬螺旋槳第一象限的負載轉矩特性和推進電機的轉速特性；

步驟5.改變螺旋槳的轉速大小，并保證螺旋槳與船舶運行工況為正車正航模式，可模擬螺旋槳第一象限加減速工況的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

步驟6.改變螺旋槳的轉速方向，并保證螺旋槳與船舶運行工況為倒車正航模式，可模擬螺旋槳第二象限的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

步驟7.改變船舶的航行方向，并保證螺旋槳與船舶運行工況為正車倒航模式，可模擬螺旋槳第四象限的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性；

步驟8.同時改變螺旋槳轉速方向與船舶航行方向，并保證螺旋槳與船舶運行工況為倒車倒航模式，可模擬螺旋槳第三象限的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性。

步驟9.通過上述步驟可以動態模擬螺旋槳啟動、停車、加減速工況以及四象限運行的負載轉矩特性以及推進電機的轉速特性。

本發明提供一種船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置及其控制方法,其原理結構如圖1所示。

本發明提供的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置，包括：上位機，AppSIM實時仿真器，推進電機、負載電機、螺旋槳，軸聯器、與推進電機配套相連的交流變頻器1，與負載電機配套相連的交流變頻器2、推進電機控制系統、負載電機控制系統、用于檢測推進電機輸出轉速和負載電機輸出轉矩的轉速轉矩傳感器、電機固定臺架。

所述的推進電機與負載電機采用同等型號的三相正弦波永磁同步電機，在繞組絕緣能力上具有能承受變頻電壓中的尖峰過電壓脈沖以及諧波電流的附加發熱等特性。該變頻電機的冷卻可以采用自通風方式、強制通風方式或水冷卻方式，視連續運行還是短時運行以及安裝環境的不同而決定。

所述的螺旋槳采用固定螺距形式，簡化了螺旋槳的結構，不再需要用來改變槳葉螺距角的一套液壓油缸部件；螺旋槳的軸改為實心軸，不需鉆深孔供應驅動油缸的液壓油；取消了包括螺距角的反饋裝置在內的整套液壓控制系統的所有部件。定距槳推進器結構簡單，價格低廉，基本上沒有任何附屬設備。

所述的聯軸器由兩半部分組成，分別與推進電機的轉軸和定距槳推進器的螺旋槳軸聯接。在高速重載的動力傳動中，聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態性能的作用。

所述的變頻器1、變頻器2采用SPWM(正弦脈寬調制)交流變頻控制方式，包括進線斷路器、進線電抗器、控制變壓器、進線接觸器、控制續電器、控制開關及按鈕、指示燈、電動機轉速表、電動機轉矩表、端子排及DSP邏輯驅動板等元器件。

所述的轉速轉矩傳感器采用JN338型數字式轉速轉矩傳感器。由于該傳感器能夠實現信號的無接觸傳遞，可以提高轉速轉矩的測量精度和可靠性。傳感器的輸出信號以頻率量給出，便于和上位機進行接口，檢測精度高，穩定性好，抗干擾能力強。

所述的AppSIM實時仿真器通過PCI板卡接受來自轉速轉矩傳感器檢測的轉速轉矩信號，作為輸入量發送到船槳模型，船槳模型輸出螺旋槳轉矩作為負載電機的轉矩給定期望值，并通過CAN通信在上位機界面顯示電機電壓電流、螺旋槳轉速轉矩和直流母線電壓值。

本發明還可以包括：

所述的推進電機可工作在電動機及發電機工況，主要取決于電機轉速與轉矩方向。推進電機采用矢量控制方式對轉速進行控制，調速范圍在0-300rpm，可正反轉。

所述的負載電機可工作在電動機及發電機工況，主要取決于電機轉速與轉矩方向。負載模擬電機可正反轉運行對螺旋槳負載轉矩進行控制，按螺旋槳四象限特性需求進行柔性切換。

所述的推進電機和負載電機采用低速電機，不需要在軸聯器上安裝減速器，簡化了負載模擬裝置的結構復雜性，有助于提高螺旋槳負載模擬的控制精度。

所述的變頻器1、變頻器2直接利用實驗室電網進行整流逆變操作，進而驅動電機完成相應的控制需求，省去了原動機發電裝置，簡化了負載模擬裝置的結構復雜性。

所述的螺旋槳四象限負載模擬裝置采用臥式安裝結構，各旋轉元件之間以聯軸節相連，保障可正反轉雙向傳遞扭矩；系統各部件機械連接可靠牢固，螺旋槳外安裝螺旋槳防護罩。

本發明提供的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置及其控制方法的工作原理為：

轉速轉矩傳感器檢測螺旋槳轉速和負載轉矩，將信號發送給推進電機控制系統、負載電機控制系統和AppSIM實時仿真器。實時仿真器中存有船槳負載模型，負載模型可根據船機槳關系計算出負載電機所需的負載轉矩給定值，此給定值由AppSIM實時仿真器輸出，送給負載模擬電機控制系統。負載電機接受螺旋槳實測轉矩和負載電機轉矩給定值，通過驅動變頻器2使得轉矩傳感器檢測值等于負載電機轉矩給定值。推進電機控制系統輸入螺旋槳實測的轉速信號和上位機給定的轉速信號，通過驅動變頻器1使得轉速傳感器檢測值等于轉速給定期望值。

本發明提供的螺旋槳負載模擬裝置需要在AppSIM實時仿真器中求解船槳模型來提供負載電機轉矩給定值，其原理結構如圖2所示。

該船槳模型輸入量為螺旋槳轉速測量值，通過螺旋槳轉速和軸向進速計算進速比、推力系數、轉矩系數可以求得船舶航行時螺旋槳推進器輸出的有效推力和負載轉矩，有效推力通過船舶運行模型可以給出螺旋槳的軸向進速。其中轉矩縮比環節是考慮到本發明提供的負載模擬裝置為小比例系統，需要在保證實際螺旋槳系統與小比例系統具有相同動態響應特性基礎上，對實際螺旋槳負載轉矩進行縮比處理。

本發明公開了一種船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置，包括上位機，AppSIM實時仿真器，推進電機、負載電機、螺旋槳，軸聯器、與推進電機配套相連的交流變頻器1，與負載電機配套相連的交流變頻器2、推進電機控制系統、負載電機控制系統、用于檢測推進電機輸出轉速和負載電機輸出轉矩的轉速轉矩傳感器。本發明還公開了一種螺旋槳四象限負載模擬控制方法，可以動態模擬螺旋槳啟動、停車、加減速工況以及四象限運行的負載轉矩特性。本發明提供的船舶螺旋槳四象限負載模擬裝置及其控制方法具有結構簡單,操作方便,可靠性高，易于實現等優點。