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电力推动船螺旋桨仿真负载的研制

时间:2014-04-14 18:55来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,为了给负载电机提供精确的螺旋桨转矩,在研究螺旋桨负载特性和船桨的相互作用的基础上,建立了船桨数学模型,并用Delphi 7编程工具软件开发了船桨数学模型.

第 1 章 引言


1.1 课题研究背景、来源和意义
当今,在船舶上以柴油机作为主动力推进仍然是主要的推进方式,但是随着社会的进步与发展,人们对船舶推进性能的要求越来越高,不仅要求其低排放,而且要求其能满足一些船舶的特殊操作要求。在不断研究提高柴油机推进性能时,人们也逐渐认识到电力推进方式是一种先进的推进方式[1-3]。船舶电力推进是由电动机带动螺旋桨,而不是由原动机直接带动螺旋桨。船舶电力推进从1838年就已经开始了研究,只是由于技术的限制,一直没能大规模的推广,但是随着科学技术的进步,尤其是近30年来,电力电子技术迅猛发展,大功率的交流电机变频技术日臻成熟,以及功率电子器件制造技术的提高,自动控制技术的逐步完善,能源综合管理的不断成熟,都使电力推进在船舶上的应用范围越来越大。电力推进与柴油机直接推进相比,有许多优点,如安装灵活性、易于获得理想的特性、运行可靠性、容易操作、振动小、燃料经济性、适合环保等[4-10]。船舶电力推进的工作对象是螺旋桨,通过螺旋桨的转动实现船舶的运行,所以研究船舶电力推进系统,必须要考虑螺旋桨特性,使其与螺旋桨特性相适应和匹配。因此在研究电力推进时,为推进电机提供螺旋桨负载特性是非常必要的,这样能使电力推进系统在接近真实情况下进行控制,能更好地研究电力推进的性能。一般在造船界广泛采用把螺旋桨放到一个封闭式循环的水道中来为电力推进系统提供螺旋桨负载,但是因其价格高、结构复杂和体积大等原因,其不适合在实验室中进行安装,因此国内外院校和企业在建设船舶电力推进实验室时,多采用测功机来对螺旋桨负载进行模拟,这种策略比较灵活,不受地点和条件的限制,而且便于数据的采集和管理[11,12]。
………………


1.2 国内外电力推进船舶螺旋桨模拟负载研究现状
目前对螺旋桨负载模拟的测功机主要有水力测功机、电涡流测功机和电力测功机。测功机的作用主要是用来吸收原动机的功率和转矩,同时也可以对原动机进行主动加载。水力测功机工作原理是利用转子在充水的定子中旋转产生的摩擦力来吸收被测设备的功率,通过改变水层厚度来吸收转矩,通过与可以摆动的外壳相连的测力机构测出转矩。电涡流测功机利用涡电流效应吸收发动机输出转矩和功率。水力测功机和电涡流测功机只能吸收原动机做的功,不能主动为原动机加载,因此在实际应用中受到了限制。电力测功机又分为直流测功机和交流测功机。直流电力测功机控制简单,调速平滑,性能良好,动态响应速度快,但因为有换向器和电刷造成维护困难,寿命短,价格高等原因在应用中受到了限制。交流测功机是目前最先进的加载测功设备,其按照交流电动机的种类分为异步电动机和同步电动机,但由于同步电动机受其性能和价格的限制,应用较少,主要用于高精度小功率的零部件测试。异步电动机作加载设备的交流测功机,其由变频器提供驱动电源,并为交流异步电动机提供精确的转矩或转速控制,有着优异的转矩动态响应和在低速时的加载能力,其几乎可以从零转速开始就可以提供额定转矩,还有个优点是经济性好,其配上有能量回馈功能的变频器,可以将原动机发出的机械能以电能的形式回馈给电网,而不是将能量变成热能消耗掉。交流测功机具有主动加载能力,其与计算机控制相配合,就可以对一些负载的特性进行模拟[13,14]。
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第 2 章 船用螺旋桨特性


2.1 螺旋桨的重要参数
螺旋桨反转特性是指船舶在航行时,对螺旋桨进行停车并使其反向转动的操作,螺旋桨阻转矩和转速之间的关系。如果螺旋桨在船舶航行速度等于零时进行反向旋转,此时的螺旋桨特性曲线关于原点对称,其反转特性曲线和其系缆特性曲线重合,如图 2.4 中曲线1 所示;如果螺旋桨在船舶航行时进行反向旋转,螺旋桨特性曲线就不再是关于原点对称的曲线,其反转特性曲线如图 2.4 中曲线 2 所示,在螺旋桨的旋转方向为正方向时,螺旋桨阻转矩却出现为负的情况,如曲线 2 的 BCD 段所示,并且螺旋桨的阻转矩在 C 点达到最大的负值,形成这种情况是因为当螺旋桨旋转速度减小时,因为受到船舶航行的惯性的作用,水流对螺旋桨旋转速度减小起阻制作用,此时螺旋桨由原来推动船舶做功的推进状态转变为受到船舶运动惯性对螺旋桨做功的水轮机的工作状态[36-39]。C 点的大小跟船舶航行速度有关,如果船舶航行速度越大,那么 C 点的转矩就越大,同时因为船舶的航行速度会渐渐降下来,所以曲线经过 C 点后,会逐渐下行。
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2.2 螺旋桨的推力特性
船后的螺旋桨正向旋转时,会向后面拨水,从而对船舶产生前进的推力,这个推力是船舶航行的动力。船舶启动时,若推力克服船舶所受阻力,那么船舶就前进;船舶在航行时,若推力大于船舶所受阻力,则船舶加速,若推力小于船舶所受阻力,则船舶减速,若推力等于船舶所受阻力,则船舶稳定在一个速度上航行。因为船桨相互之间的作用,所以螺旋桨的行进速度和船体的行进速度不相等,船舶稳定航行时,螺旋桨旋转产生的推力与船体单独行进时所受阻力也不相等。在研究时要考虑到它们之间的相互影响,所以需要把单独工作时的螺旋桨和单独航行的船体联系起来,通常做法是:认为螺旋桨在船体行进所造成的水流场中单独工作,而船体在螺旋桨所影响的水流场中航行,从而可以把单独的螺旋桨和单独的船体联系起来[31,40]。
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第 3 章 螺旋桨负载模拟系统设计.......11
3.1 船桨数学模型研究......... 11
3.2 螺旋桨负载模拟系统方案设计及关键技术..... 11
3.3 螺旋桨负载模拟系统的硬件组成分析.......17
3.4 螺旋桨负载模拟系统的控制软件的开发.........20
.4.1 控制流程分析.........20
3.4.2 基于 PLC 的控制系统的研发 .......21
3.5 变频器的设置.....27
3.5.1 变频器专家应用参数设置.......27
3.5.2 PID 设置 .....30
3.6 本章小结.......31
第 4 章 螺旋桨负载模拟系统监控软件设计.........32
4.1 负载系统监控软件总体设计.....32
4.2 负载系统监控软件主要功能分析.........33
4.2.1 主界面.........33
4.2.2 参数设置.....34
4.3 负载系统监控软件的开发.........37
4.4 本章小结.......52
第 5 章 螺旋桨负载模拟系统调试与数据分析.....53
5.1 综合电力推进科研平台介绍.....53
5.2 负载模拟实验数据分析.......53
5.3 本章小结.......57


第 5 章 螺旋桨负载模拟系统调试与数据分析


5.1 综合电力推进科研平台介绍
根据前面讲述的螺旋桨模拟负载的软硬件设计方案来建设船舶综合电力推进系统科研平台的负载子系统,负载子系统建成后与推进电机系统配合组成综合电力推进科研实验平台,推进电机系统由三相交流异步电机、推进变频器、PLC 控制器、推进上位机及驾驶操作控制台组成,其轴负载转矩由螺旋桨模拟负载系统提供,科研平台实物图如图 5.1 所示,平台经过试验调试后,运行良好。通过这个平台,能很好地模拟实现船舶电力推进运行的实验,为深入研究电力推进系统打下基础,同时为了拓宽科研平台的应用范围,负载子系统还可以模拟恒转矩和恒功率型的负载,如风机、起重机等负载。船舶由静止起动的自由航行的试验运行图,如图 5.2 所示,推进电机转速变化后,如图 5.2(a)所示,加载到负载电机上的螺旋桨负载的设定转矩相应变化,如图 5.2(b)所示,蓝色代表上位机根据船桨数学模型计算得到的设定转矩,红色代表转矩传感器测量的实际转矩,在图中两线几乎是重合的,说明了负载系统拥有高速的转矩动态响应,随着推进电机转速增加,船舶推力大于船舶阻力,船舶处于加速状态,所以船舶航速也在增加,如图 5.2(c)所示,船舶正车航向时,螺旋桨运行工况在第一象限,模拟螺旋桨的负载电机运行在第四象限。
……………


结论


本课题是集美大学船舶综合电力推进系统科研平台建设项目重要内容之一,本文为船舶综合电力推进系统科研平台建设项目设计螺旋桨负载模拟方案,使用交流异步电机复现螺旋桨负载特性,为推进电机提供逼真的轴负载,通过文中的分析和实验结果主要完成了以下几个方面的工作:
1.对螺旋桨工作特性以及船舶运动方面的资料进行搜集,对负载系统所需的软件方面的技术资料进行搜集并学习,如 Delphi 程序开发、Microsoft SQL Server 2005 数据库访问、西门子 S7300 系列 PLC 编程和西门子变频器的调试等技术。
2.介绍了螺旋桨工作特性,介绍了螺旋桨的典型的 3 个阻转矩特性,分别是自由航行特性、系缆(抛锚)特性和反转特性。在总结螺旋桨工作特性的基础上,根据船桨之间的相互作用关系建立船桨数学模型,并给出具体计算螺旋桨转矩公式和流程图。
3.介绍了推进电机采用转速闭环控制,负载电机采用交流异步电机并进行转矩闭环控制,应用船桨数学模型为负载电机提供给定转矩的螺旋桨模拟负载的控制方案设计。
4.用 Delphi 7 程序开发软件实现船桨数学模型功能,实现负载系统监控软件、数据库、PLC 控制器和变频器之间的通信,对负载电机的控制在 PLC 中进行了编程,对变频器进行参数设置,包括专家设置和 PID 设置等,实现矢量控制负载电机转矩的目的。
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参考文献(略)

(责任编辑:gufeng)
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