一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法

1.本发明涉及船舶螺旋桨技术领域，尤其涉及一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法。


背景技术：

2.船舶螺旋桨是船舶的重要核心部件，它主要是依靠多片桨叶旋转推进水流从而为船舶提供动力。在船舶工程领域中，船舶螺旋桨的性能和设计对船舶的推动效率与能源消耗等方面有着重要影响。因此，对船舶螺旋桨进行深入研究，提高其性能和效率，对于提高船舶的推进效率和减少能源损耗具有重要意义。
3.近年来，随着经济全球化的发展和船舶运输量的增加，对船舶螺旋桨进行研究的需求也越来越迫切。在传统的船舶螺旋桨研究中，通常需要进行大量的理论分析和实验验证，这不仅需要消耗大量的时间和费用，而且往往难以得到精确和可靠的结果。因此，现阶段船舶螺旋桨的研究逐渐向数字化仿真方向发展，利用计算机模拟和仿真等技术，对船舶螺旋桨进行研究和优化设计，这将为船舶螺旋桨的优化设计和性能提升提供更加便捷和高效的方法。
4.现有技术中，混合动力船舶的模拟实验装置及其控制方法，包括由永磁同步电动机、永磁同步发电机、双向功率变换器、模拟负载等组成的电气系统；该实验利用电气元件模拟机械原件，电气耦合模拟机械耦合，具体操作是利用永磁同步电动机、永磁同步发电机和双向功率变换器来模拟双燃料主机和离合器，用变换器和模拟负载来模拟螺旋桨，将机械的特性用电气元件进行模拟。
5.目前的混合动力船舶的模拟实验装置还是使用机械齿轮箱，必然存在噪音大的问题，并且机械齿轮箱会对输入电压和电流有限制，所以连接过程中会使整个装置更复杂，从而导致操作复杂。
6.混合动力船舶的模拟实验装置及控制方法，具体操作是利用永磁同步电动机、永磁同步发电机和双向功率变换器来模拟双燃料主机和离合器，用变换器和模拟负载来模拟螺旋桨，将机械的特性用电气元件进行模拟。它利用永磁同步电动机和永磁同步发电机来模拟混合动力船舶的动力系统，通过控制永磁同步电动机的转速来控制负载的运动，从而达到模拟效果。控制方法采用了多种方式来控制永磁同步电机的转速，其中直接转矩法是在早期应用较多的一种控制方法，但它在低转速情况下控制精度急剧下降。该方法只能在基频以上使用，而不能在低转速时使用，这是该技术的一个缺点。
7.中国发明专利cn105974322a提出了一种基于自组态式动力电池混合动力船舶的测试装置，包括动力源、操控装置、推进测试传动系统；推进测试传动系统采用双电机刚性轴联方式，两台电机的联轴之间安装扭矩传感器，检测推进转矩，其中一台电机为交流异步变频电机，另一台为同步电机；两台电机分别在异步电机变频器和同步电机变频器控制下作四象限运行，既可以作为推进螺旋桨的驱动电机，又可以作为模拟螺旋桨的负载电机，通过操控装置设置电机运行方式。
8.其装置成本高：该装置需要使用高精度、高质量的传感器、仪表等设备，同时也需要包括电动机、燃油发动机、电池组、电控系统等核心组件，因此装置成本可能相对较高。
9.占用空间大：该装置需要占用一定的空间，而船舶本身的空间已经相对较小，会导致测试装置的搭建和使用存在一定的困难。
10.操作复杂：测试装置的操作可能相对复杂，需要专业人员进行操作和维护，会增加使用成本和难度。
11.数据准确性和可靠性：测试装置需要对多个参数进行测试和记录，可能存在数据误差、噪声干扰等因素，会对实验数据的准确性和可靠性产生影响。
12.另外，测试装置的维护和保养也需要一定的成本和精力，需要定期检查、校准和更换故障或老化的部件。
13.中国发明专利cn109946604a提出了一种基于opc通讯技术的船舶螺旋桨负载模拟装置，该装置主要包括推进电机、推进电机变频器、负载电机、负载电机变频器、速度传感器、扭矩传感器、plc可编程控制器、上位机控制系统包括螺旋桨模拟模块、与螺旋桨模拟模块相连接的海况模拟模块和与螺旋桨模拟模块相连接负载电机扭矩计算模块。该装备基于opc通讯技术，可以获得其负载模拟结果。
14.这种模拟装置操作复杂，所需求的装置较多，占地面积较大，同时消耗太多的人力且效率较低，不能满足在船舶螺旋桨负载模拟的高效需求。
15.在模拟运算中，过多的条件如设置的螺旋桨直径、伴流系数、船体质量、海水密度等大量数据传输过程中易出现数据丢失，计算错误等问题。


技术实现要素：

16.本发明提供一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，采用软硬件结合的模拟系统来模拟实际螺旋桨负载，以降低成本及风险。
17.本发明采用下述的技术方案：
18.一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，包括计算机控制系统，2个相位检测装置，计数脉冲测量板，以及依次连接的第一电源、第一变压器、第一纵横阵转换器、第一驱动电路、bldc发电机、第一电压/电流传感器；
19.依次连接的第二电源、第二变压器、第二纵横阵转换器、第二驱动电路、推进电机、第二电压/电流传感器；
20.依次连接的减速装置和转速/转矩传感器；
21.所述推进电机、bldc发电机与通过减速装置连接；
22.所述计数脉冲测量板均与第一电压/电流传感器、第二电压/电流传感器、转速/转矩传感器、2个相位检测装置连接，2个相位检测装置分别与第一纵横阵转换器、第二纵横阵转换器连接；
23.所述计数脉冲测量板与计算机控制系统连接，计算机控制系统对第一纵横阵转换器和第二纵横阵转换器实时控制和信号采集；
24.所述计算机控制系统对第二纵横阵转换器实时控制的方法包括以下三种：
25.状态估算器算法
26.m
′
(n+1)＝m
″
(n+1)+z(n+1)[s(n+1)-s
″
(n+1)]
[0027]
s(n+1)为n+1时刻电机定子电压在α、β轴分量的检测值；z(n+1)为n+1时刻的收益矩阵，m
′
(n+1)为n+1时刻电机状态估计值，m
″
(n+1)为n+1时刻电机状态矢量预测值；s
″
(n+1)为n+1时刻电机定子电压在α、β轴分量的状态矢量。
[0028]
预测算法
[0029]
m(n+1)＝m(n)+ts/2
·
(f(m(n)，u(n))+f(m
′
(n+1)，u(n))
[0030]
ts为采样时间，u(n)为n时刻电机检测的电信号，
[0031]
式中
[0032][0033][0034]
τs＝ls/rs是定子时间常数，j是转动惯量，n是阻尼系数，k
t
＝1.5pψm为电机转矩常数，ls为定子电感，ψm为转子磁链，rs为定子电阻，p为微分；
[0035]
模拟函数
[0036][0037]
ρa(ω
*-ω(n+1))2表示跟随转子角速度目标值；用来消除无功功率；表示用来消除转矩电流的高频部分；表示用来限制定子电流的幅值，ρa、ρb、ρc均为比例系数。
[0038]
优选的，所述第一驱动电路、第二驱动电路上均设有保护电路。所述保护电路具有断相、过载、欠压等保护，并与计算机控制系统进行联锁保护
[0039]
优选的，所述计算机控制系统上设有bldc发电机中控屏和推进电机中控屏。
[0040]
优选的，所述推进电机为zxyt变频同步电机。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
1、本发明采用bldc发电机作为负载电机，以模拟螺旋桨负载。并采用电机实时运行而非仿真的形式以最大化地模拟螺旋桨运行实况。
[0043]
2、本发明采用zxyt变频永磁同步电动机作为推进电机，该类电动机属于超一级能效电机、绿色环保、体积小、损耗小、启动能力强、运行可靠、噪声低、自动控制性能极好、4极以上可满负荷启动、具有很强的牵入同步能力、正常运行时转速恒定的优势。
[0044]
3、本发明将bldc发电机运行的转矩、转速、电压、电流、功率等物理量利用传感器实时采集传进计算机控制系统，通过该系统采用数模信号相互转换方式以传递给负载电机和推进电机控制电路，保证最大化的转矩调节动态性能。
[0045]
4、本发明的bldc发电机控制采用直接转矩控制，控制算法及控制回路全部利用计算机控制系统实现，保证响应的实时性。
[0046]
5、发明无论是推进电机的变频器还是负载电机的变换器，均采用能实现能量回馈
的纵横阵变换器。对于负载电机端变换器，采用ui空间矢量双滞环控制；对于推进电机端变频器，设计一种新的状态估算器算法、预测算法、模型函数来替代传统矢量控制方法，这样能有效地对纵横阵变换器进行实时控制。且两者的控制算法及控制回路全部利用计算机控制系统实现，实现了能量的双向流动，且保证了网侧电流的正弦性，很好地控制功率因数，对电网造成的污染可忽略不计，同时节省变换器的空间。
附图说明
[0047]
图1为本发明整体结构示意图；
[0048]
图2为本发明bldc发电机中控屏的结构示意图；
[0049]
图3为本发明推进电机中控屏的结构示意图；
[0050]
图4为本发明纵横阵变换器结构示意图；
[0051]
图5为本发明纵横阵变换器中双向开关结构示意图；
[0052]
图6为本发明基于纵横阵变换器的bldc发电机控制框图；
[0053]
图7为本发明基于纵横阵变换器的zxyt变频永磁同步电动机控制框图；
[0054]
图8为本发明的实验仿真图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
如图1－8所示，一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，包括计算机控制系统，2个相位检测装置，计数脉冲测量板，以及依次连接的第一电源、第一变压器、第一纵横阵转换器、第一驱动电路、bldc发电机、第一电压/电流传感器；
[0057]
依次连接的第二电源、第二变压器、第二纵横阵转换器、第二驱动电路、推进电机、第二电压/电流传感器；
[0058]
依次连接的减速装置和转速/转矩传感器；
[0059]
所述推进电机、bldc发电机与通过减速装置连接；
[0060]
所述计数脉冲测量板均与第一电压/电流传感器、第二电压/电流传感器、转速/转矩传感器、2个相位检测装置连接，2个相位检测装置分别与第一纵横阵转换器、第二纵横阵转换器连接；
[0061]
所述计数脉冲测量板与计算机控制系统连接，计算机控制系统对第一纵横阵转换器和第二纵横阵转换器实时控制和信号采集；
[0062]
所述第一变压器、第二变压器分别为第一纵横阵转换器、第二纵横阵转换器提供所需的电压范围。
[0063]
所述第一纵横阵转换器、第二纵横阵转换器的作用在于将电机传输至直流侧的电能以单位功率因数回馈至电网，或将电网中的电能以单位功率因数传输至直流侧，在完成能量双向流动的同时，保证网侧电流的正确性及进行单位功率因数控制。
[0064]
所述保护电路具有断相、过载、欠压等保护，并与计算机控制系统进行连锁保护。
[0065]
所述第一驱动电路、第二驱动电路作用在于对控制电路的信号进行放大。
[0066]
所述bldc发电机作为负载电机，用以模拟螺旋桨。
[0067]
所述推进电机为zxyt变频永磁同步电动机。
[0068]
所述相位检测装置包括但不限于三相相位检测仪。
[0069]
所述转速/转矩传感器用以采集电机间连接轴转速、转矩等物理量并传送至计算机控制系统。
[0070]
所述第一电压/电流传感器、第二电压/电流传感器用以分别采集bldc发电机、推进电机的电压、电流、功率等物理量并送至计算机控制系统。
[0071]
所述计算机控制系统包括工业控制计算机、a/d、d/a、i/o转换和计数脉冲量测量板等组成，实现对信号的转换及控制信号的算法处理。
[0072]
所述bldc发电机中控屏和推进电机中控屏均包括显示仪表、状态显示、工况设定、紧停保护等部分。显示仪表包括输入电压表、输入电流表、直流母线电压表、转速表和转矩表。状态显示包括控制电源指示灯、变换器启动指示灯、变换器停机指示灯和变换器故障指示灯。工况设定包括控制电源控制故障复位按钮、转速给定和转矩给定。紧停保护用于系统需要紧急停止时的保护。
[0073]
本发明的模拟方法如下：
[0074]
步骤s1.合闸bldc发电机中控屏和推进电机中控屏的控制电源按钮和启动bldc发电机中控屏和推进电机中控屏变换器按钮，同时打开bldc发电机中控屏和推进电机中控屏各个物理量的显示模块，通过推进电机中控屏设定给定转速和给定转矩，信号经过计算机控制系统模拟信号－数字信号相互转换，在此过程中将给定信号与步骤s3步及步骤s5步由传感器采集的信号通过计算机控制系统控制电路实现对信号的处理，具体控制策略见图5及图6所示，将处理后的模拟信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路。第一驱动电路、第二驱动电路分别对控制电路的信号进行放大送至第一纵横阵变换器、第二纵横阵变换器。
[0075]
步骤s2.计算机控制系统控制第一电源经过第一变压器将电压调至第一纵横阵变换器所需的电压范围，通过步骤s1处理后的模拟信号控制第一纵横阵变换器实现电压、电流的转换，从而控制bldc发电机工作。
[0076]
步骤s3.bldc发电机工作时，通过转速、转矩、电压、电流、功率传感器实现对bldc发电机工作转速、转矩、电压、电流、功率的信号采集，将采集的物理信号送至计算机控制系统实现模拟信号－数字信号的相互转换。
[0077]
步骤s4.计算机控制系统控制实验室电源经过第二变压器将电压调至第二纵横阵变换器所需的电压范围，通过步骤s1处理后的模拟信号控制第二纵横阵变换器实现变频，从而将信号送至第二驱动电路以控制推进电机工作。
[0078]
步骤s5.推进电机工作时，通过转速、转矩、电压、电流、功率传感器实现对推进电机工作转速、转矩、电压、电流、功率的信号采集，将采集的物理信号送至计算机控制系统实现模拟信号－数字信号的相互转换。
[0079]
所述计算机控制系统对第二纵横阵变换器进行实时控制包括以下步骤：
[0080]
状态估算器算法
[0081]
所述推进电机为zxyt变频永磁同步电动机，利用电压/电流传感器、转速/转矩传感器和相位检测装置可检测出zxyt变频永磁同步电动机的定子电流i
α
、i
β
，以及定子电压uα
、u
β
，以及转子位置θ，采样时间ts。
[0082]
设定ls为定子电感，ψm为转子磁链，rs为定子电阻。
[0083]
由于通过转速/转矩传感器只能检测出电机的转子位置，在n时刻点上，通过采样检测出转子的位置为θ(n)，采样时间为ts，利用状态估算器计算转子位置和转速的对应关系：
[0084][0085]
n时刻推进电机检测的电信号u(n)和n时刻的状态估计值m
′
(n)来预测n+1时刻的状态矢量m
″
(n+1)，其预测方程如下：
[0086]
m"(n+1)＝m
′
(n)+ts[k(m
′
(n))+c(n)u(n)]
ꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0087]
式中，
[0088][0089]
将公式(2)进行矩阵变换，变为只与电机定子电流有关的状态矢量：
[0090]s″
(n+1)＝dm
″
(n+1)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0091]
式中，
[0092]
对推进电机的矢量预测值进行滤波，得到优化后的校正方程：
[0093]m′
(n+1)＝m
″
(n+1)+z(n+1)[s(n+1)-s
″
(n+1)]
ꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0094]
s(n+1)为n+1时刻电机定子电流在α、β轴分量的检测值；z(n+1)为n+1时刻的收益矩阵，m
′
(n+1)为n+1时刻电机状态估计值，m
″
(n+1)为n+1时刻电机状态矢量预测值；s
″
(n+1)为n+1时刻电机定子电流在α、β轴分量的状态矢量。
[0095]
预测算法模型
[0096]
结合推导出来的推进电机状态矢量估计值，利用公式(5)：
[0097]
m(n+1)＝m(n)+tsf(m(n)，u(n))
ꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0098]
推导出
[0099]
m(n+1)＝m(n)+ts/2
·
(f(m(n)，u(n))+f(m
′
(n+1)，u(n))
ꢀꢀ
(6)；
[0100]
其中
[0101][0102]
τs＝ls/rs是定子时间常数，j是转动惯量，n是阻尼系数，k
t
＝1.5pψm为电机转矩常数，ls为定子电感，ψm为转子磁链，rs为定子电阻，p为微分；
[0103]
模拟函数
[0104][0105]
ρa(ω
*-ω(n+1))2表示跟随转子角速度目标值；表示用来消除无功功率；表示用来消除转矩电流的高频部分；表示用来限制定子电流的幅值，ρa、ρb、ρc均为比例系数，通过比例系数来达到不同量纲之间的均衡控制，从而调节系统的稳定性。
[0106]
模拟验证：
[0107]
将bldc发电机作为负载电机，用以模拟螺旋桨；额定功率2kw，额定电压380v。
[0108]
zxyt变频永磁同步电动机作为推动电机，额定功率3kw，额定电压380v。
[0109]
通过bldc发电机中控屏调整给定转速，范围为-500rpm～500rpm；设置仿真时间为2min，仿真步长为0.5us。(注：转速为500rpm时，转矩为1600nm)
[0110]
图8中，√曲线表示给定负载曲线，
×
曲线为模拟装置的模拟转速曲线，由图能看出，系统具有很好的实时跟随性能，系统在四象限里均有很好的跟随性能。
[0111]
若装置由于推进电机断电跳闸，由实验看出当转速为0时，模拟装置还能提供相应的转矩；当转矩为0时，电机又能工作在一定转速下；这就证明了装置具有一定的保护功能。
[0112]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，其特征在于，包括计算机控制系统，2个相位检测装置，计数脉冲测量板，以及依次连接的第一电源、第一变压器、第一纵横阵转换器、第一驱动电路、bldc发电机、第一电压/电流传感器；依次连接的第二电源、第二变压器、第二纵横阵转换器、第二驱动电路、推进电机、第二电压/电流传感器；依次连接的减速装置和转速/转矩传感器；所述推进电机、bldc发电机与通过减速装置连接；所述计数脉冲测量板均与第一电压/电流传感器、第二电压/电流传感器、转速/转矩传感器、2个相位检测装置连接，2个相位检测装置分别与第一纵横阵转换器、第二纵横阵转换器连接；所述计数脉冲测量板与计算机控制系统连接，计算机控制系统对第一纵横阵转换器和第二纵横阵转换器实时控制和信号采集；所述计算机控制系统对第二纵横阵转换器实时控制的方法包括以下三种：状态估算器算法m
′
(n+1)＝m"(n+1)+z(n+1)[s(n+1)-s"(n+1)]；s(n+1)为n+1时刻电机定子电流在α、β轴分量的检测值；z(n+1)为n+1时刻的收益矩阵，m
′
(n+1)为n+1时刻电机状态估计值，m"(n+1)为n+1时刻电机状态矢量预测值；s"(n+1)为n+1时刻电机定子电流在α、β轴分量的状态矢量；预测算法m(n+1)＝m(n)+t
s
/2
·
(f(m(n)，u(n))+f(m
′
(n+1)，u(n))；t
s
为采样时间，u(n)为n时刻电机检测的电信号，式中式中τ
s
＝l
s
/r
s
是定子时间常数，j是转动惯量，n是阻尼系数，k
t
＝1.5pψ
m
为电机转矩常数，l
s
为定子电感，ψ
m
为转子磁链，r
s
为定子电阻，p为微分，i
d
，i
q
分别为定子d，q轴电流，u
d
，u
q
分别为定子d，q轴电压，ω
r
为转子转速；模拟函数ρ
a
(ω
*-ω(n+1))2表示跟随转子角速度目标值；用来消除无功功率；表示用来消除转矩电流的高频部分；表示用来限制
定子电流的幅值，ρ
a
、ρ
b
、ρ
c
均为比例系数。2.根据权利要求1所述的一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路上均设有保护电路。3.根据权利要求1所述的一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，其特征在于，所述计算机控制系统上设有bldc发电机中控屏和推进电机中控屏。4.根据权利要求1所述的一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，其特征在于，所述推进电机为zxyt变频同步电机。

技术总结
本发明公开了一种新型船舶螺旋桨负载模拟装置及控制方法，涉及船舶螺旋桨技术领域，包括依次连接的第一电源、第一变压器、第一纵横阵转换器、第一驱动电路、BLDC发电机、第一电压/电流传感器；依次连接的第二电源、第二变压器、第二纵横阵转换器、第二驱动电路、推进电机、第二电压/电流传感器；计算机控制系统对第一纵横阵转换器和第二纵横阵转换器实时控制和信号采集。本发明对于推进电机端变频器，采用状态估算器算法、预测算法、模型函数来替代传统矢量控制方法，能有效地对纵横阵变换器进行实时控制，实现了能量的双向流动，并且保证了网侧电流的正弦性，很好地控制功率因数，对电网造成的污染可忽略不计，同时节省变换器的空间。空间。空间。


技术研发人员：李刚 郑玉娟 刘凯 何昭平 何柳 鲜挺胜
受保护的技术使用者：四川吉利学院
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/14