雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺的制作方法
【專利摘要】一種軸槳推進(jìn)和吊艙式推進(jìn)兩種推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺。通過軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)、吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)三部分協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)一體化，可在實(shí)驗(yàn)室中模擬實(shí)際海況，完成船舶推進(jìn)過程運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明既能節(jié)約現(xiàn)有船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺的制造成本，又能對軸槳推進(jìn)和吊艙推進(jìn)兩種推進(jìn)形式進(jìn)行充分研究分析，便于對比兩種推進(jìn)形式的優(yōu)勢與劣勢；本平臺推進(jìn)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，推進(jìn)變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制，負(fù)載變頻器采用能夠進(jìn)行電能回饋的四象限變頻器，滿足船舶電力推進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)的高效率、高性能、低耗能的應(yīng)用需求；此外，負(fù)載電機(jī)不但可模擬螺旋槳負(fù)載特性，還可模擬其他類型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)載荷，因此本系統(tǒng)還可作為多種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，開展基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。
【專利說明】雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種綜合軸槳推進(jìn)和吊艙式推進(jìn)方式的一體化船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺。

【背景技術(shù)】
[0002]電力推進(jìn)是船舶推進(jìn)方式之一，通過電動(dòng)機(jī)直接或經(jīng)減速齒輪裝置帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)船舶行進(jìn)，可廣泛用于各種民用船舶和軍用艦船。與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)省去了主機(jī)與螺旋槳之間的長傳動(dòng)軸系，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):1.經(jīng)濟(jì)性好；2.操縱性好；3.安全性好；4.節(jié)省空間；5.噪音低；6.適合環(huán)保；7.電能儲(chǔ)備大；8.有利于實(shí)現(xiàn)綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)(高海波.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真.武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文.2008)。電力推進(jìn)可以分三種形式:舵槳推進(jìn)、軸槳推進(jìn)和吊艙式推進(jìn)。舵槳推進(jìn)的推進(jìn)電機(jī)在艙內(nèi)，推進(jìn)器可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，能產(chǎn)生任何方向的推力，但功率范圍有限。軸槳推進(jìn)的變速電動(dòng)機(jī)與螺旋槳軸相連接，適用于船舶所需的推進(jìn)功率比較大，超出舵槳推進(jìn)能提供的功率范圍。吊艙式推進(jìn)的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)在水下的吊艙內(nèi)，無機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)，推進(jìn)與操舵裝置集為一體，系統(tǒng)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，能產(chǎn)生任何方向的推力(葉國泉，沈林濤.吊艙式電力推進(jìn)裝置的應(yīng)用.上海造船.2007，(I): 19-21)。為便于進(jìn)一步研究對比軸槳推進(jìn)和吊艙式推進(jìn)的適用條件和優(yōu)勢劣勢，本發(fā)明將軸槳推進(jìn)與吊艙式推進(jìn)集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺中，兩種推進(jìn)形式共用一套監(jiān)控子系統(tǒng)，可在一個(gè)平臺上進(jìn)行兩種推進(jìn)形式的實(shí)驗(yàn)，一方面節(jié)約實(shí)驗(yàn)平臺的制造成本，另一方面可以更為深入理解兩種推進(jìn)形式的各個(gè)方面。兩種推進(jìn)形式中推進(jìn)電機(jī)均采用永磁同步電機(jī)，與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩密度高、體積小、重量輕、噪聲低、效率高、維護(hù)性好等優(yōu)勢(宋義超，史振宇，張鷹.潛艇推進(jìn)電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展分析.船舶工程.2013，35(3): 55-58)，更適合大功率低速推進(jìn)的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺由軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)、吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)三部分組成，其中監(jiān)控子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雙推進(jìn)形式一體化的核心部件。所述的監(jiān)控子系統(tǒng)為軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)與吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)所共用，軸槳推進(jìn)PLCXProgrammable Logic Controller)控制站用于軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，而吊艙推進(jìn)PLC控制站用于控制吊艙回轉(zhuǎn)速度與角度以及吊艙中推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而兩種推進(jìn)形式既共用同一個(gè)上位機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)形成一體化實(shí)驗(yàn)平臺，下位機(jī)PLC控制部分又各自獨(dú)立，互不影響。所述的監(jiān)控子系統(tǒng)具有控制和監(jiān)測的統(tǒng)一人機(jī)操作界面，通過集控臺上的面板操作和鼠標(biāo)操作可以控制電機(jī)的運(yùn)行和監(jiān)測各子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況。所述的監(jiān)控子系統(tǒng)的軟件由集控臺中的IPC (IndustrialPersonal Computer)監(jiān)控軟件和船槳仿真模型兩部分組成,監(jiān)控操作與仿真模型的計(jì)算均在同一個(gè)IPC上進(jìn)行，IPC監(jiān)控界面用WinCC編程實(shí)現(xiàn)，船槳仿真模型用MATLAB實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)部分之間通過軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。此外，所述的監(jiān)控子系統(tǒng)不僅在同一個(gè)監(jiān)控界面上可同時(shí)監(jiān)視和控制兩個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)備，集控臺面板上的車鐘也為兩個(gè)子系統(tǒng)所共用，車鐘推進(jìn)時(shí)既可以用于軸槳推進(jìn)的轉(zhuǎn)速給定，也可以用于吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定，車鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)用于吊艙轉(zhuǎn)臺的角度給定。
[0004]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果:1、便于開展軸槳推進(jìn)和吊艙式推進(jìn)方面的科學(xué)研究與實(shí)踐教學(xué)，更為客觀地摸索實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，以及實(shí)際中出現(xiàn)的問題和控制難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)理論研究與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合相互驗(yàn)證的目的；2、便于對兩種推進(jìn)形式進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，有效節(jié)約平臺制造成本。3、負(fù)載電機(jī)不但可以模擬螺旋槳負(fù)載特性，還可以模擬其他類型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)載荷特性，因此本發(fā)明還可作為多種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，開展基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1為雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0006]圖2為雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺的監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0007]為更好地了解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步描述。
[0008]雙推進(jìn)形式一體化船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)、吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)三部分。
[0009]所述的軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)又分為推進(jìn)子系統(tǒng)與負(fù)載子系統(tǒng)兩部分。推進(jìn)子系統(tǒng)用于模擬軸槳推進(jìn)系統(tǒng)中的變速電動(dòng)機(jī)部分，負(fù)載子系統(tǒng)用于模擬螺旋槳負(fù)載。所述的推進(jìn)子系統(tǒng)采用一路推進(jìn)單元，由推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)和PLC構(gòu)成，采用ABB公司的六脈沖變頻器(直接轉(zhuǎn)矩控制方式)和永磁同步電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)模擬螺旋槳的負(fù)載電機(jī)。推進(jìn)變頻器由實(shí)驗(yàn)室岸電供電，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)。負(fù)載子系統(tǒng)由負(fù)載變頻器、負(fù)載電機(jī)和PLC組成，采用ABB公司的四象限變頻器和永磁同步電機(jī)。負(fù)載電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)通過法蘭連接構(gòu)成對拖加載模式。負(fù)載電機(jī)用于模擬螺旋槳的負(fù)載特性，將PLC采集到的轉(zhuǎn)速送入船槳仿真模型中，計(jì)算出一個(gè)螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，經(jīng)折算后變?yōu)樨?fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令，并將其作為變頻器的轉(zhuǎn)矩給定值，驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對螺旋槳負(fù)載特性的模擬。
[0010]所述的吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)用于模擬吊艙的真實(shí)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)演示目的。除可自行按照設(shè)定好的流程進(jìn)行教學(xué)演示外，還可通過無線網(wǎng)接收上級控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行工作。吊艙本體內(nèi)部裝有推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳，螺旋槳外有罩體保護(hù)。吊艙上部與轉(zhuǎn)臺連接，能夠通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)。所述的吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等設(shè)備?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成。推進(jìn)機(jī)構(gòu)由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、推進(jìn)減速機(jī)、螺旋槳、導(dǎo)流筒及框架構(gòu)成。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用永磁同步電機(jī)。吊艙推進(jìn)PLC控制站用于吊艙的電氣控制，采用變頻器對推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)能夠通過無線網(wǎng)接收上一級控制系統(tǒng)的控制指令，完成各種動(dòng)作。吊艙角度控制采用絕對值編碼器作為回轉(zhuǎn)角度檢測傳感器；推進(jìn)電機(jī)采用增量型編碼器作為螺旋槳轉(zhuǎn)速檢測傳感器。[0011 ] 所述的監(jiān)控子系統(tǒng)，如圖2所示，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備和軸槳推進(jìn)PLC控制站布置于集控臺中。集控臺為臺式結(jié)構(gòu)，提供操作面板和IPC實(shí)時(shí)監(jiān)視界面。可在集控臺操作完成電力推進(jìn)系統(tǒng)模擬操縱實(shí)驗(yàn)，同時(shí)獲得系統(tǒng)狀態(tài)指示和報(bào)警。所述的監(jiān)控子系統(tǒng)與軸槳推進(jìn)PLC控制站間的信號傳輸通過工業(yè)以太網(wǎng)完成，與吊艙推進(jìn)PLC控制站間的信號傳輸通過無線網(wǎng)絡(luò)完成，兩個(gè)PLC控制站與各自控制的子系統(tǒng)的信號傳輸通過PROFIBUS實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在于，由軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)、吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)三部分組成，其中監(jiān)控子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雙推進(jìn)形式一體化的核心部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在于，所述的監(jiān)控子系統(tǒng)為軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)與吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)所共用，軸槳推進(jìn)PLC控制站用于軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，而吊艙推進(jìn)PLC控制站用于控制吊艙回轉(zhuǎn)速度與角度以及吊艙中推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，兩種推進(jìn)形式既共用同一個(gè)上位機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)形成一體化實(shí)驗(yàn)平臺，下位機(jī)PLC控制部分又各自獨(dú)立，互不影響；所述的監(jiān)控子系統(tǒng)具有控制和監(jiān)測的統(tǒng)一人機(jī)操作界面，通過集控臺上的面板操作和鼠標(biāo)操作可以控制電機(jī)的運(yùn)行和監(jiān)測各子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況；所述的監(jiān)控子系統(tǒng)的軟件由集控臺中的IPC監(jiān)控軟件和船槳仿真模型兩部分組成，監(jiān)控操作與仿真模型的計(jì)算均在同一個(gè)IPC上進(jìn)行，IPC監(jiān)控界面用WinCC編程實(shí)現(xiàn)，船槳仿真模型用MATLAB實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)部分之間通過軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙推進(jìn)形式一體化的船舶電力推進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)平臺，其特征在于，所述的監(jiān)控子系統(tǒng)的集控臺面板上的車鐘也為軸槳推進(jìn)子系統(tǒng)與吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)所共用，車鐘推進(jìn)時(shí)既可以用于軸槳推進(jìn)的轉(zhuǎn)速給定，也可以用于吊艙轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定，車鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)用于吊艙轉(zhuǎn)臺的角度給定。
【文檔編號】G05B17/02GK104199308SQ201410442148
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】任倩, 宋蕙慧, 梁景凱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）