摘 要：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的回饋能量，通常采用制動(dòng)電阻進(jìn)行處理，但制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元的設(shè)計(jì)功率往往采用準(zhǔn)確度較差的經(jīng)驗(yàn)估算方法。為此，本文提出一種新的考慮船舶阻力損耗的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)回饋能量的設(shè)計(jì)方法，提出影響制動(dòng)能量大小的多種影響因素，并基于 MATLAB/GUI 建立了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)能量回饋數(shù)字仿真系統(tǒng),仿真結(jié)果證明了其有效性。
關(guān)鍵詞：船舶制動(dòng),制動(dòng)電阻,制動(dòng)單元,能量回饋,電力推進(jìn)系統(tǒng)
1. 引 言
面向海洋領(lǐng)域的電力推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)論是民用還是軍用都在快速發(fā)展中。用電氣網(wǎng)絡(luò)代替原動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力之間的機(jī)械耦合，這種替代降低了燃料消耗、提高了動(dòng)態(tài)性能、增強(qiáng)了可靠性、降低了維護(hù)成本，而且為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很大的靈活性。
對(duì)于交直交電壓源型變頻器驅(qū)動(dòng)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，在制動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、螺旋槳和船體本身所存儲(chǔ)的機(jī)械能是巨大的，可以轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行回饋，當(dāng)這部分能量回饋到變頻器直流側(cè)電容C中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，使直流母線電壓上升。若這部分能量不及時(shí)處理就會(huì)引起變頻器過壓保護(hù)動(dòng)作或造成主回路大功率器件的過壓損壞。這樣就需要制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元或其它能量處理模塊對(duì)回饋的能量進(jìn)行快速處理。在設(shè)計(jì)這些能量處理模塊時(shí)，首先需要考慮船舶在制動(dòng)過程中的能量回饋大小。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究比較少，文獻(xiàn)[1]中僅僅以螺旋槳為研究對(duì)象研究制動(dòng)能量的回饋值，而忽略了船型及其參數(shù)對(duì)制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元回饋值的影響。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]都在計(jì)算制動(dòng)電阻阻值時(shí)，涉及到了計(jì)算制動(dòng)能量，將船舶制動(dòng)前后螺旋槳轉(zhuǎn)速變化所引起的動(dòng)能變化作為了制動(dòng)能量回饋值，而忽略了所有損耗。文獻(xiàn)[4]對(duì)通用變頻器再生能量進(jìn)行研究，沒有針對(duì)復(fù)雜的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的制動(dòng)能量進(jìn)行研究。
針對(duì)以上研究的不足，本文對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)能量回饋進(jìn)行深入的分析和研究。提出一種新的考慮船舶阻力損耗的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)能量回饋數(shù)值的設(shè)計(jì)方法，推出船舶參數(shù)與船舶制動(dòng)能量回饋值之間的關(guān)系，對(duì)船舶制動(dòng)過程中能量流動(dòng)過程進(jìn)行分析，確定其中的能量損耗組成，計(jì)算出船舶制動(dòng)過程的總損耗，最終確定船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)單元能耗回饋值。
2. 船舶制動(dòng)能量損耗
2.1 船舶制動(dòng)能量損耗組成分析船舶制動(dòng)時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)向轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)螺旋槳減速至零，然后反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生制動(dòng)力，船體在本身阻力和制動(dòng)力作用下，逐漸減速，本身阻力做功以熱能形式損耗掉，制動(dòng)力做功將船體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，產(chǎn)生制動(dòng)回饋能量。在制動(dòng)能量回饋過程中，損耗的能量主要有三種：船體本身阻力損耗、船舶推進(jìn)電機(jī)損耗和船舶推進(jìn)變換器損耗，如圖 1 所示，此外還包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械損耗。其中，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)械損耗、推進(jìn)電機(jī)損耗和推進(jìn)變換器損耗可以折算為推進(jìn)器效率參數(shù)。
2.2 船舶制動(dòng)過程中能量損耗計(jì)算方法
根據(jù)上述分析，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)械損耗、船舶制動(dòng)能量損耗中推進(jìn)電機(jī)效率和船舶推進(jìn)變換器的效率可作為已知參數(shù)，合成為推進(jìn)器效率，而船體本身阻力損耗影響因素很多，也直接影響制動(dòng)回饋能量值大小。
一、船體阻力
船舶阻力可以分為摩擦阻力和剩余阻力,其中摩擦阻力是其中的主要成分，大約占總阻力的 60% -90%[5]。本文采用泰洛法求取船舶阻力[6]。
(2)求濕面積 S 值
本文采用減量法求船的濕面[7]。船尺度 L、B、T所圍成的排水空間由五個(gè)平面組成，底板 LB、左右側(cè)壁 LT、前后端板 BT，這五個(gè)平面的面積和就是船的基數(shù)濕面積，可推導(dǎo)出實(shí)際船的濕面積表達(dá)式：
