船用双电枢直流电力推进系统的稳定性研究

船电技术ｌ电力系统　船用双电枢直流电力推进系统的稳定性研究　张明武，梁星星，张鹏　（武汉船用电力推进装置研究所，武汉４３００６４）　摘要：为了解决船用双电枢直流推进系统的稳定性问题，本文首先介绍一型具体的船舶直流电力推进系　统数学模型，对系统模型进行了分析，并确定系统的最佳控制器模式。在计算仿真的基础上，确定控制器　的具体参数，通过仿真及系统试验验证了系统的稳定性及控制器参数的合理性。　关键词：双电枢直流电力推进系统稳定性　中图分类号：ＴＰ２７３　Ｕ６６４．１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３．４８６２（２０１４）１０．００２５　０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｅａｄｉｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ａｒｍａｔｕｒｅｓ　ＤＣ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｚｈａｎｇ　Ｍｉｎｇｗｕ，Ｌｉａｎｇ　Ｘｉｎｇｘｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｐｅｎｇ　（Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：／ｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｉｎｅｓｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈ　ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｍｏｄｅ　ｉｓ　ｃｏｎｉｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｒｅ　ｄｅｃｉｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｉｎｅｓｓ　ｆｔｏｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｆｔｏｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ｖｅｒｉｉｅｄ　ｆｙ　ｂｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ　ａｒｍａｔｕｒｅｓ，＂ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，＂ｓｔｅａｄｉｎｅｓｓ　Ｏ　引言　在某些大功率船用直流电力推进系统中，由　于冗余设计与功率匹配的需要，把推进电机设计　成共轴结构，即把两台参数基本相同的电机的电　枢设计在同一根驱动轴上。这种共轴双电枢结构　时，为了提高船舶的生存能力及获得较宽范围的　调速性能，推进电机的两个电枢可单独运行、串　联运行，也可并联运行。电力推进系统在如此复　杂的工作模式下，如何保证系统工作稳定性就是　一个关键问题。　的直流电力推进系统具有功率大、生命力强、调　速范围宽等优点【１］，应用于某些重要船舶中。　在某些船舶的电力推进系统中，为了获得较　另外，在实际的系统中，虽然推进电机的两　个电枢的基本结构是一致的，但是由于电机本身　制造的原因导致电机的气隙尺寸、绕组型式、端　宽范围的调速性能，往往采用多种调速方式的共　同作用：一是通过电源配电开关与电枢开关的切　换，达到成倍地改变电枢电压来进行在不同的速　区内的速度调节。某型船舶的电力推进系统速区　组合结构如图１；二是通过电力电子斩波装置连　接尺寸、漏磁通路径等不可能完全一致，两个电　枢在部分特性上存在差异，这种差异致使双电枢　串联和并联运行时都存在两个电枢负荷分配不均　问题。严重时，使推进电机效率降低，运行不稳　定，这也是一个系统稳定性问题。　续地改变电枢电压来进行速度调节；三是通过改　变电机的励磁电流（磁通）来进行速度调节。同　对于如何解决系统稳定性问题，文献［１】侧　重于保证双电枢本身的一致性，并且仅从双电枢　并联运行时对励磁电流进行调节来满足稳定性要　求这一点进行说明。而文献［２】仅从如何使双电　收稿日期：２０１４－０３－０３　作者简介：张明武（１９６７一），男，高级工程师　研究方　向：电力电子应用技术。　枢负载均衡方面来进行说明，认为稳定性的首要　问题是保证双电枢的负载均衡，理想的办法也是　２５　船电技术ｌ电力系统　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１０　２０１４．１０　通过对励磁电流进行调节来保证负载均衡，从而　源组合下，系统可以稳定工作于双环（速度环＋　保证系统运行稳定。实践证明，系统的稳定性问　电流环）或单环（电流环）状态。　题要更复杂一些，复杂性主要表现为：调速模式　的复杂性、负载特性（螺旋浆特性）的复杂性　等。在实际的船舶大功率双电枢电力推进系统　中，解决系统稳定性问题主要办法是对双电枢的　励磁电流进行综合的协制，以保证在不同的　速区１　速区２　运区３　调速模式及复杂的负载工况下系统的稳定性。本　图１速区组合结构图　文侧重于励磁电流的控制器本身参数的设计，通　系统的数学模型如图２。　过对控制器参数的设计保证系统的稳定性。　系统模型中，双电枢的电流环是单独设计　ｌ系统的数学模型　的，可以在没有速度环参与下单独工作，前、后　枢电流环可以单独工作，也可以并联工作。　系统的数学模型是一个双电枢、双闭环的控　在设计时，我们选定一个典型工况进行控制　制模型，双电枢为共轴的前电枢、后电枢结构，　器参数整定。同时为了分析计算的方便，我们选　双环为速度环（外环）、电流环（内环）结构。　择已有的某型船舶的电力推进系统进行具体的数　对模型的要求：可以在任意单、双电枢及系统电　值计算，以验证分析研究的可行性。　．　圈２糸统模型　１．１电流环数学模型　４（　）为电机的励磁回路的数学模型，为一惯　前枢电流数学模型（传递函数）：　性环节，　（　）：　：　；　％：　＿＝１　＋　（　　）・　（　）・　（　）・　（ｓ）　ｃｏ８一一励磁电流反馈回路的传递函数，ｌ，ｓ）］＇３　删　训　蚬　叫　地　姒’　其中：　—１＋０—０３３ｓ　’　．ｚ（　）为电流环节的校正器，在这里设计成　后枢电流数学模型与前枢电流数学模型是基　ＰＩ结构；　本相同的，唯一不同的是为了考虑到负载均衡问　吐）３（　）为励磁电流调节器的功率放大器，其值　题而在后枢模型的输入端加入了前后枢的电流差　为　（　）：—　；　．值模型，其作用是保证双电枢同时工作时的负载　２６　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１０　２０１４．１０　１．２速度环数学模型　把校正后的电流环等效为∞。ｋｌ　），把电机模　船电技术『电力系统　根据前面叙述，电流环对象模型为：　（　）＝　（　）・　（　）・　（　）　５８．９　０．１６　０．１　１＋０．００３３ｓ　１＋３．９４ｓ　１＋０．０３３ｓ　０．２３８　　，型等效为　（　）’，且认为双电枢在特性上完全一　致，把系统简化成单一电枢模型，由此得系统的　速度环数学模型如图３。　一ｇｏ　　（１＋０．０３６３ｓ）　（１＋ｒｏＳ）　电流环校正环节　２　）选择为ＰＩ控制器，使　基于电流环的单位反馈系统（开环系统）校正为　一个ＩＩ型系统，使阶跃给定信号下的稳态误差　图３速度环数学模型　（静差）为０。令ＰＩ控制器为：　速度闭环模型为：　，、　１＋　＝　按三阶工程最佳设计方法［　设计电流ＰＩ控　其中：ｃｏ１　）为速度环节的校正器，在这里设计　制器的参数：　成ＰＩ结构；　５　）为转矩特性传递函数，根据转　ｆ：４ｔｏ，Ｔ＝８Ｋｏ・　矩及磁化曲线公式　：　・　・　，　＝ｆ（Ｉｒ），　得：ｆ＝ｏ．１４５２（ｓ），Ｔ＝２．５１ｘｌ０　（　）　近似得出转矩与励磁电流的关系　（　）＝　（　）≈　：４３５（ｋｇ．ｍ／Ａ）；　电流环开环模型，为ＩＩ型系统：　实际应用中电机模型　ｆ　）’是与负载（螺旋　）　）＝争　浆负载）相关的。为了系统综合的方便，仅取系　０．２３８＋０．０３４５ｓ　统在高速工况下的负载特性，因此电机与螺旋浆　０．００００９ｓ　＋０．００２５　１ｓ。　负载的特性方程为：　等效单位反馈下的电流环节的闭环模型：　％’　０．０３４５ｓ－ｔ－０．２３８　：　：２　：　：　０．００００９ｓ　＋０．００２５　１ｓ。＋０．０３４５ｓ＋０．２３　８　ｌ＋　５７　。６３．４６　１．５０８ｓ　．即把电流环节（开环模型）校正成典型二阶　∞９（　）为速度反馈回路的传递函数，　环节，对闭环模型进行仿真计算，其相角裕量为　，、０．０４７４　．　Ｉ　Ｊ　—１＋００—５６１ｓ。　７０．９ｏ，显然，单闭环系统是稳定的。　．为了系统综合方便，把电流环节传递函数作　１．３系统模型的其他考虑　降阶处理，近似等效为一惯性环节［３】：　前面已经说明，为了保证双电枢的负载均　１　衡，在后电枢的励磁电流环中加入了电枢电流的　％’＝　ｌ＿，其中ｆ＝０．１４５２（ｓ）　１十　差值模型　Ｄ。同时为了抑制在某些不正常的工　因此，电流环节的闭环模型：　况下出现过大的电枢电流，在系统模型的前后励　．’１　１０（１＋０．０３３ｓ）　。　磁电流环中加入了电枢电流的截止模型　Ｄ１和　，　纰　ｌ＋Ｕ．１　４３ＺＳ　ＦＩｂ２。　２．２速度环节的稳定性设计　２系统的稳定性分析、设计　速度环校正环节ＣＯｌ（　）为ＰＩ控制器，ＰＩ控制　２．１系统电流环节的稳定性设计　器为：　（　）＝　。综合如图３的速度环各环　２７　船电技术ｆ电力系统　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１０　２０１４．１０　节的对象传递函数为：　果证明系统是稳定的。图５是陆上联调试验时的　＝　（　）・　（　）　（　）’・　（　）　低速、中速、高速启动与运行的转速波形。　一∞　—０　量　差　∞　如　如　０　∞　１０（１＋０．０３３ｓ）０．０１６　０．０４７４　＝．．——　———．．．．—————　・４３５・—————：——－————一・——　１＋０．１４５２ｓ　１＋１．５０８ｓ　ｌ＋０．０５６ｌｓ　３．２９　＝ｇ一　１．５０８ｓｆ１＋０．２０１３ｓ）　按三阶工程最佳设计方法设计速度ＰＩ控制　ａ）低速启动与运行时的转速波形　器的参数：　’＝ｏ．８０５２（ｓ），Ｔ’＝０．７０７２（ｓ）　即速度校正器传函为：　ｑ（　）＝　系统的速度闭环传函为：　＝　１．９３４ｓ　＋６６．７２ｓ＋９６．７　≈　面　对上式的特征方程进行求根，所有根均具有　负实部。对速度闭环模型进行仿真计算，仿真结　果如图４，其相角裕量为４９．１。，因而速度闭环　图５陆上联调工况Ｆ的转速波形　系统是较好稳定的。　Ｂｏｄｅ　ｔ￣ａｇｒａｍ　４结束语　Ｇｃｎ＝　．Ｆｍ＝柏１　ｄａｇ（ａｔ２２．５　ｒａ＜ｌ／ｓｅｃ）　●　在电机拖动系统理论中，直流电力推进系统　是理论及应甩上比较成熟的系统，但是大功率双　电枢直流电力推进系统由于其应用的特殊性，在　实践中还是遇到稳定性等问题。本文主要通过对　系统模型的分析，把问题的解决方法集中到励磁　电流控制器的设计上，通过理论与试验验证，证　室。４　　ｊＪ　Ｉ　１．９０　明此方法是可行的。　、、　＼　，　　：～　、　一　　．参考文献：　１０’　，　１０＂　１　１　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ｔａｒｍａｃ）　［１】董国保，王宗亮．推进电机双电枢负荷均衡方法研　图４系统稳定性仿真结果　究．电机技术，２００９（２）．　３试验验证　［２］　胡国葆．双电枢他励直流电动机两电枢回路并联稳　定运行的理论分析．船电技术。２００１（４）．　上述控制器参数是在典型工况下整定的，在　［３】　熊健，张凯，陈坚．ＰＷＭ整流器的控制器工程化设　其它工况下对参数进行了核算，核算的结果表明　计方法．电工电能新技术，２００２（７）．　，　系统是稳定的。以上述分析计算的参数作为参　［４］胡寿松．自动控制原理．北京：科学出版社（第五　考，对励磁电流调节的控制器进行了整定，该系　版），２００７．　统已在某型船舶上进行了应用，在不同试验条件　下，如陆上联调试验、系泊试验、实际的航行试　验等不同工况下进行了严格的试验考核，试验结　２８