螺旋桨负载仿真的发展与应用
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３ １电 力测 功 机
电力测 功机 以工作在发 电运行方式下 的电动
机 作 为 负载 。 同 时 ，通 过 采 用 变 频 器 调 节 电机 的 扭 矩 ，调 节 负 载 的 大 小 。 由于 电动机 长 期 处 于发 电运 行 方 式 ，一 般 在 变 频器 驱 动 系 统 中都 加 上 能 量 回馈 装 置 ， 测 试 过 程 中产 生 的能 量 返 回 电 网 。 将
１ 螺旋 桨仿 真 的概念 及其 应用背 景
船舶 电力推进是船舶推进力式 中的一种 ，船 舶 电力推进系统是指 由电动机驱动螺旋桨推动船 舶行 进 的推 进 系 统 。在 现代 化 的船 舶 电力 推 进 Ｊ
系 统 的研 究 和 设 计 过 程 中 ，为 了满 足 性 能指 标 的
电涡流测功器 （ 电涡流测功机 ）的负载主要 是通 过 改变 励 磁 线 圈 的 电流 大 小来 改 变 的 。 电流 的大小容 易控制 ，因此可方便地稳定负载 ，控制
性 能好 。可 双 向测 试 ，转 速 范 围 宽 。响 应 迅 疾 ，
要 求，必须对 电力推进系统进行带桨考核 ，受 实 验 室 实 际条 件 的 限制 ，考 核 工 作 不 能在 实 际环 境 中进行【。这样 ，一个高效实用地负载模拟系统 ２ ］
变 得 不可 或缺 。
控制 方便 。但其 涡流产生 的热量主要靠冷却水带 走 ， 一般 使用 软 化水 ，流 量 为每 千 瓦 小 时 ２ Ｏ升 。
Ｗ ａ ｇＪｎ ｏ Ｘｕ Ｓ ｕ ｘ ａ ｎ ｉｂ ， ｈ ｎ ｉ ｏ
（ｉ ｉ ｎｖ ｒｉ ， ｉｍｅ ６ ０ １ Ｆ ｊａ ， ｈｎ ） Ｊ ｉｅｓｔ Ｘ ａ ｎ３ １ ２ ， ｕｉｎ Ｃ ｉａ ｍｅ Ｕ ｙ
Ａｂｔａｔ ／ ｒｅ ｅｅｌｙｔｍ ｓｅｄ ｎ ｙ ａ ｃｃａａ ｔｒ ｔｓａ ｄｔｅｉｔｒａ ｗ ｏ ｅｅ ｃｒｃ ｓｒｃ： ｎｏｄｒｔ ｒｖａ ｓｅ ｔ ｙａｄｄｎ ｍｉ ｈ ｒｃｅｉ ｉ ｎ ｅｎ ｌａ ｆｔ ｌ ｔｉ ｏ ｓ ａ ｓｃ ｈ ｎ ｌ ｈ ｅ
进入一平衡状态Ｌ。可见 ，要实现真正意义上的 ７ 】 螺旋桨动态特性仿真 ，一方面需依靠建立精确的
船机桨数学模型，另一方面需依赖于能实现高速
运算 的仿真器和高指标 的扭矩控制系统 。
科技大学一直在研究船舶 电力推进仿真系统ｐ， Ｊ 尤其在螺旋桨从正常到极端工况的负载特性方面 有重大突破［。螺旋桨 的主要特性有敞水特性 曲 ４ ］ 线 ，螺旋桨扭矩特性 曲线 以及船桨模型 。螺旋桨 扭矩特性指的是螺旋桨 的扭矩与转速之 间的关系 曲线 ；船桨模 型是根据船跟桨、水之 间的关系得 到 的由桨速计 算船速 、桨的机械特性等 的数学模 型 。如 图 １ 示是螺旋桨的敞水特性 曲线 ，其 中 所 为进速 比， 为推力系数 ， 为扭矩系数 。模 拟系统的基本 原理 ，就是通过控制模拟 电机 的输 出转矩与实际推进 电机 的轴负载转矩一致 ，从而 达到模拟的 目的。 在 船 舶 电 力推 进 领 域 中 ，Ａ ＢＢ运 用 Ｓ ｂｒ ａｅ 软 件进行建模 与仿真分析 ，指导系统和产 品设计， 取 得 了成 功 。ＡＢ 在 其 开 发 新 型 ＡＣ １０ Ｂ Ｓ ０ ０标 准 交流传动装置 的过程 中，只制造 了少量样机 ，然 后对样机进行 实验 ，并 同时采用仿真技术进行仿 真验证 。其他种类则借助于虚拟样机 的仿真和型 式 试 验 来 确 定 尺 寸 并 进 行 验 证 。根 据 查 阅 到 的 】 相关资料， Ｂ Ａ Ｂ在整套船舶 电力推进系统设计中 也进行谐波分析 、逆功率计算、 电站稳态分析、 Ｐ ＷＭ 制 动 电 阻整 定 值 设 计 、大 负 载 启 动 时 的 暂 态分析及短路等故障工况的分析，其分析结果可 直 接 指 导 系统 设 计 。 在国 内，哈尔滨工程 大学，武汉理工大学， 集美大学等相关院校建有 电力推进实验 室【，另 ｏ Ｊ
传统的动力 系统模拟负载主要是测功器，其
主 要类 型 有水 力 式 、 电力 式 和 电涡 流 式 。 水 力测 功 器 是 利用 水 作 为工 作 介 质 ，调 节 制 动 力 矩 。 电 力 测 功器 是利 用 改变 定 子 磁 场 的激 磁 电压 产 生制 动 力矩 。 电涡 流 测 功 器 是 利 用 电磁 感应 产 生 涡 电
船 电技 术 Ｉ 应用研究
螺旋桨 负载仿真 的发展与应用
汪金 波 许 顺孝
（ 美大 学 厦 门 ３ １ ２ ） 集 ６ ０ １
摘 要 ：为 了再现 电力推进 系统 的稳 态及 动态 特性 ，揭 示系 统 的 内在 规律 ，本文提 出一种 新型 高性 பைடு நூலகம்节 能
负载 模拟 系统方 案 ，对 电力推进 负载模 拟 系统 的数学 建模 、系统 仿真 等 问题进行 了研 究 。 关键 字 ：电力推 进 螺旋桨 转 矩控 制 负载 模拟
流 形成制动作用 。 １ 水力测功器优点是价格低 ，维护方便 ；主 ）
要 缺 点 是 能量 直 接 被 消 耗 掉 ，且 很 难 实现 负载 的 自动 给 定和 控 制 。 ２ 电涡 流 测 功 器 ）
收稿 日期 ：２ １－４０ ０ １０ —６ 作者 简介 ：汪金 波 （ ９ ７ ） １ ８ ，男 ，集美 大学 轮机 工程 学 院 ，硕 士研 究 生，专业 方 向 ：轮 机 自 动 控 制 与 仿 真 。
ｐｏ ｕｓ ｎｓｓ ｍ ｔｉｐ ｐ ｒｉ ｒｄ ｃｓ ｏｅ ｈ ｈ ｅ ｏｍ ｎｅｅｅ ｙｓｖ ｇｌ ｄｓ ｕ ｔ ， ｈｃ ｒ ｌｏ ｔ ，ｈ ａ ｅ ｔ ｕｅ ｎｖｌ ｉ ｒ ｒ ａ ｃ ｎｒ — ｉ ａ ｍ ｌ ｏ ｗ ｉ ｉ ｐ ｉ ｙｅ ｓ ｎｏ ａ ｇ ｐ ｆ ｇ ａｎ ｏ ｉ ａｒ ｈｓ
ｕ ｅ ｔｄ ｈ ｓｅ ｍａｈ ｍａ ｉ ｄ ｌ ｇａ ｄ ｄｇ ｔ ｌ ｉ ｌ ｔ ｎ ｓ ｄｔ ｓｕ ｙ ｔｅｓ ｔｍ ｔ ｅ ｔ ｍｏ ｅｉ ｎ ｉ ｉ ｍｕａ ｉ ． ｏ ｙ ｃ ｎ ａｓ ｏ
Ｋ ｅ ｒ ｓ ｅ ｅ ｔｉ ｏ ｌｉ ｎ； ｏ ｌ ｒ ｔ ｒ ｕ ｏ ｔｏ ，ｓｍｕ ａ ｅ ａ ｙ ｗｏ ｄ ： ｌ ｃ ｒｃ ｐｒ ｐｕ ｓ ｏ ｐｒ ｐｅ ｌ ， ｏ ｑ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｉ ｌ ｔｄ ｌ ｄ ｅ ＂ ＂ ｏ
文献 标识码 ：Ａ
一 ～ ’
中图分类 号 ：Ｔ ３ １９ Ｕ６ ４ Ｐ９． ６
１ ０ －８ ２（０ １ １０ ３ —４ ０ ３４ ６ ２ １、１－０ ６０
Ｄｅ ｅｏ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｔａ ｎ ｎｄＡｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｈｅＰｒ ｐｅｌｒＬｏ ｄ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｌｃ ｔｏ ｆｔ ｏ ｌｅ ａ ｉ ｌ ｔｏ
３ ６
图 １螺 旋桨 敞水 特性 曲线
船 电技 术 Ｊ 应用研究
２ 螺旋桨 仿真 原理 与发 展概 况
螺旋桨的建模与仿真十分复杂。在 国外 ，挪 威科技大学、Ａ Ｂ、ＳＥ ＮＳ Ｌ Ｔ Ｎ等单位 Ｂ ＩＭＥ 、Ａ Ｓ Ｏ
开 展 了船 舶 电 力推 进 仿 真 系 统 的 项 目研 究 。挪 威
电力测 功机 以工作在发 电运行方式下 的电动
机 作 为 负载 。 同 时 ，通 过 采 用 变 频 器 调 节 电机 的 扭 矩 ，调 节 负 载 的 大 小 。 由于 电动机 长 期 处 于发 电运 行 方 式 ，一 般 在 变 频器 驱 动 系 统 中都 加 上 能 量 回馈 装 置 ， 测 试 过 程 中产 生 的能 量 返 回 电 网 。 将
１ 螺旋 桨仿 真 的概念 及其 应用背 景
船舶 电力推进是船舶推进力式 中的一种 ，船 舶 电力推进系统是指 由电动机驱动螺旋桨推动船 舶行 进 的推 进 系 统 。在 现代 化 的船 舶 电力 推 进 Ｊ
系 统 的研 究 和 设 计 过 程 中 ，为 了满 足 性 能指 标 的
电涡流测功器 （ 电涡流测功机 ）的负载主要 是通 过 改变 励 磁 线 圈 的 电流 大 小来 改 变 的 。 电流 的大小容 易控制 ，因此可方便地稳定负载 ，控制
性 能好 。可 双 向测 试 ，转 速 范 围 宽 。响 应 迅 疾 ，
要 求，必须对 电力推进系统进行带桨考核 ，受 实 验 室 实 际条 件 的 限制 ，考 核 工 作 不 能在 实 际环 境 中进行【。这样 ，一个高效实用地负载模拟系统 ２ ］
变 得 不可 或缺 。
控制 方便 。但其 涡流产生 的热量主要靠冷却水带 走 ， 一般 使用 软 化水 ，流 量 为每 千 瓦 小 时 ２ Ｏ升 。
Ｗ ａ ｇＪｎ ｏ Ｘｕ Ｓ ｕ ｘ ａ ｎ ｉｂ ， ｈ ｎ ｉ ｏ
（ｉ ｉ ｎｖ ｒｉ ， ｉｍｅ ６ ０ １ Ｆ ｊａ ， ｈｎ ） Ｊ ｉｅｓｔ Ｘ ａ ｎ３ １ ２ ， ｕｉｎ Ｃ ｉａ ｍｅ Ｕ ｙ
Ａｂｔａｔ ／ ｒｅ ｅｅｌｙｔｍ ｓｅｄ ｎ ｙ ａ ｃｃａａ ｔｒ ｔｓａ ｄｔｅｉｔｒａ ｗ ｏ ｅｅ ｃｒｃ ｓｒｃ： ｎｏｄｒｔ ｒｖａ ｓｅ ｔ ｙａｄｄｎ ｍｉ ｈ ｒｃｅｉ ｉ ｎ ｅｎ ｌａ ｆｔ ｌ ｔｉ ｏ ｓ ａ ｓｃ ｈ ｎ ｌ ｈ ｅ
进入一平衡状态Ｌ。可见 ，要实现真正意义上的 ７ 】 螺旋桨动态特性仿真 ，一方面需依靠建立精确的
船机桨数学模型，另一方面需依赖于能实现高速
运算 的仿真器和高指标 的扭矩控制系统 。
科技大学一直在研究船舶 电力推进仿真系统ｐ， Ｊ 尤其在螺旋桨从正常到极端工况的负载特性方面 有重大突破［。螺旋桨 的主要特性有敞水特性 曲 ４ ］ 线 ，螺旋桨扭矩特性 曲线 以及船桨模型 。螺旋桨 扭矩特性指的是螺旋桨 的扭矩与转速之 间的关系 曲线 ；船桨模 型是根据船跟桨、水之 间的关系得 到 的由桨速计 算船速 、桨的机械特性等 的数学模 型 。如 图 １ 示是螺旋桨的敞水特性 曲线 ，其 中 所 为进速 比， 为推力系数 ， 为扭矩系数 。模 拟系统的基本 原理 ，就是通过控制模拟 电机 的输 出转矩与实际推进 电机 的轴负载转矩一致 ，从而 达到模拟的 目的。 在 船 舶 电 力推 进 领 域 中 ，Ａ ＢＢ运 用 Ｓ ｂｒ ａｅ 软 件进行建模 与仿真分析 ，指导系统和产 品设计， 取 得 了成 功 。ＡＢ 在 其 开 发 新 型 ＡＣ １０ Ｂ Ｓ ０ ０标 准 交流传动装置 的过程 中，只制造 了少量样机 ，然 后对样机进行 实验 ，并 同时采用仿真技术进行仿 真验证 。其他种类则借助于虚拟样机 的仿真和型 式 试 验 来 确 定 尺 寸 并 进 行 验 证 。根 据 查 阅 到 的 】 相关资料， Ｂ Ａ Ｂ在整套船舶 电力推进系统设计中 也进行谐波分析 、逆功率计算、 电站稳态分析、 Ｐ ＷＭ 制 动 电 阻整 定 值 设 计 、大 负 载 启 动 时 的 暂 态分析及短路等故障工况的分析，其分析结果可 直 接 指 导 系统 设 计 。 在国 内，哈尔滨工程 大学，武汉理工大学， 集美大学等相关院校建有 电力推进实验 室【，另 ｏ Ｊ
传统的动力 系统模拟负载主要是测功器，其
主 要类 型 有水 力 式 、 电力 式 和 电涡 流 式 。 水 力测 功 器 是 利用 水 作 为工 作 介 质 ，调 节 制 动 力 矩 。 电 力 测 功器 是利 用 改变 定 子 磁 场 的激 磁 电压 产 生制 动 力矩 。 电涡 流 测 功 器 是 利 用 电磁 感应 产 生 涡 电
船 电技 术 Ｉ 应用研究
螺旋桨 负载仿真 的发展与应用
汪金 波 许 顺孝
（ 美大 学 厦 门 ３ １ ２ ） 集 ６ ０ １
摘 要 ：为 了再现 电力推进 系统 的稳 态及 动态 特性 ，揭 示系 统 的 内在 规律 ，本文提 出一种 新型 高性 பைடு நூலகம்节 能
负载 模拟 系统方 案 ，对 电力推进 负载模 拟 系统 的数学 建模 、系统 仿真 等 问题进行 了研 究 。 关键 字 ：电力推 进 螺旋桨 转 矩控 制 负载 模拟
流 形成制动作用 。 １ 水力测功器优点是价格低 ，维护方便 ；主 ）
要 缺 点 是 能量 直 接 被 消 耗 掉 ，且 很 难 实现 负载 的 自动 给 定和 控 制 。 ２ 电涡 流 测 功 器 ）
收稿 日期 ：２ １－４０ ０ １０ —６ 作者 简介 ：汪金 波 （ ９ ７ ） １ ８ ，男 ，集美 大学 轮机 工程 学 院 ，硕 士研 究 生，专业 方 向 ：轮 机 自 动 控 制 与 仿 真 。
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文献 标识码 ：Ａ
一 ～ ’
中图分类 号 ：Ｔ ３ １９ Ｕ６ ４ Ｐ９． ６
１ ０ －８ ２（０ １ １０ ３ —４ ０ ３４ ６ ２ １、１－０ ６０
Ｄｅ ｅｏ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｔａ ｎ ｎｄＡｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｈｅＰｒ ｐｅｌｒＬｏ ｄ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｌｃ ｔｏ ｆｔ ｏ ｌｅ ａ ｉ ｌ ｔｏ
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图 １螺 旋桨 敞水 特性 曲线
船 电技 术 Ｊ 应用研究
２ 螺旋桨 仿真 原理 与发 展概 况
螺旋桨的建模与仿真十分复杂。在 国外 ，挪 威科技大学、Ａ Ｂ、ＳＥ ＮＳ Ｌ Ｔ Ｎ等单位 Ｂ ＩＭＥ 、Ａ Ｓ Ｏ
开 展 了船 舶 电 力推 进 仿 真 系 统 的 项 目研 究 。挪 威
