摘 要：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動時會產(chǎn)生很大的回饋能量，通常采用制動電阻進(jìn)行處理，但制動電阻和制動單元的設(shè)計功率往往采用準(zhǔn)確度較差的經(jīng)驗估算方法。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)制動回饋能量的設(shè)計方法，提出影響制動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,制動電阻,制動單元,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)代替原動力和驅(qū)動力之間的機(jī)械耦合，這種替代降低了燃料消耗、提高了動態(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)計提供了很大的靈活性。
對于交直交電壓源型變頻器驅(qū)動的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，在制動過程中電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)，電動機(jī)轉(zhuǎn)子、螺旋槳和船體本身所存儲的機(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，會產(chǎn)生泵升電壓，使直流母線電壓上升。若這部分能量不及時處理就會引起變頻器過壓保護(hù)動作或造成主回路大功率器件的過壓損壞。這樣就需要制動電阻和制動單元或其它能量處理模塊對回饋的能量進(jìn)行快速處理。在設(shè)計這些能量處理模塊時，首先需要考慮船舶在制動過程中的能量回饋大小。目前國內(nèi)外對這方面的研究比較少，文獻(xiàn)[1]中僅僅以螺旋槳為研究對象研究制動能量的回饋值，而忽略了船型及其參數(shù)對制動電阻和制動單元回饋值的影響。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]都在計算制動電阻阻值時，涉及到了計算制動能量，將船舶制動前后螺旋槳轉(zhuǎn)速變化所引起的動能變化作為了制動能量回饋值，而忽略了所有損耗。文獻(xiàn)[4]對通用變頻器再生能量進(jìn)行研究，沒有針對復(fù)雜的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的制動能量進(jìn)行研究。
針對以上研究的不足，本文對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動能量回饋進(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)制動能量回饋數(shù)值的設(shè)計方法，推出船舶參數(shù)與船舶制動能量回饋值之間的關(guān)系，對船舶制動過程中能量流動過程進(jìn)行分析，確定其中的能量損耗組成，計算出船舶制動過程的總損耗，最終確定船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動單元能耗回饋值。
2. 船舶制動能量損耗
2.1 船舶制動能量損耗組成分析船舶制動時，控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)向轉(zhuǎn)矩，帶動螺旋槳減速至零，然后反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生制動力，船體在本身阻力和制動力作用下，逐漸減速，本身阻力做功以熱能形式損耗掉，制動力做功將船體動能轉(zhuǎn)化成電能，產(chǎn)生制動回饋能量。在制動能量回饋過程中，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，此外還包括傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械損耗。其中，傳動結(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 船舶制動過程中能量損耗計算方法
根據(jù)上述分析，傳動結(jié)構(gòu)機(jī)械損耗、船舶制動能量損耗中推進(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平面組成，底板 LB、左右側(cè)壁 LT、前后端板 BT，這五個平面的面積和就是船的基數(shù)濕面積，可推導(dǎo)出實際船的濕面積表達(dá)式：
