哈尔滨电气动力装备有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150046
摘要：近年来，电力推进船舶由于其环保性、灵活性等优点，获得了船舶制造业的广泛重视，电力推进船舶的数量不断增加。在电力推进舰船中，电机及其控制系统是其核心组成，常用的电机包括三相异步电机、三相同步电机等，本文主要研究一种六相同步电机，建立六相同步电机的数学模型，并对电机的控制系统进行开发。本文研究有助于提高电力推进船舶的电机控制水平，使船舶整体性能得到提升。
关键词：六相同步电机控制系统；船舶电力；应用
引言
船舶电力推进装置一般是指采用电动机械带动螺旋桨推动船舶运动的装置。与传统的机械推进方式相比较，采用电力推进的船舶在经济性、振动、噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显优点。20世纪80年代以来，随着供电系统、推进电机和微电子及信息技术的迅猛发展，船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率、推进功率等方面都有了突破性的进展，应用范围不断扩大。
1六相同步电机控制数学模型
在研究多相电机的过程中多采用派克变换，电压的高次谐波会使得定子的电流产生不稳定的变化，这样就容易增加铜线和铁的损耗，并且会使得转矩脉动，这样就毁坏了电机，因此在研究六相同步电机控制系统在船舶电力推进中的应用时，本文首先建立六相同步电机数学模型，并对模型做出如下假设，以此来减少计算量：
1）六相定子间使用的不是同一套Y绕组，每组之间相互独立，且结构相同；
2）忽略磁饱和、磁滞后和涡流等的影响；
3）忽略磁场空间中的高次谐波磁场的影响，使得符合正弦分布；
4）转子和定子在绕组时的互感系数符合正弦分布；
5）忽略定子、转子的齿槽影响；根据上述假设，在建立六相同步电机模型时使得输入电流的方向是电流的正方向；磁链方向是绕组轴线的方向，通过右手法则可知，电流方向与磁链方向之间的关系。将与转子转动方向相同的转矩设定为正，由此可知六相同步电机在静止相坐标系下的定子侧电压平衡方程为：
式中：TL为船舶推进过程螺旋桨负载；J为电动机转动惯量；为角速度。
由式（1）~式（5）形成了静态下的六相同步电机数学模型，由此可以实现能量的转换。通过上述描述可知，此系统是高阶的、非线性的并且耦合性强。但是在转子旋转和凸起的影响下，使得在进行数学模型求解的过程中，会产生大量的参数，并且其值不断变化，所以本文将在基础上研究旋转坐标下的同步电机数学模型。
dq0在六相同步电机的暂态中，在旋转坐标系中进行电流、电压、速度等参数计算，由派克变换可得旋转坐标系下的电压方程为：
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式中：；下标d、q分别为直轴和交轴分量；下标f为励磁场分量；D和Q分别为直轴和交轴的阻尼绕组。
磁链的表示方式为：
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转子的运动方程为：.png)
式中：H为电机惯性，是个常量；Te为电磁转矩；TL为机械负载转矩；为电机的功率角。
上式中电磁转矩为：.png)
根据式（6）~式（9）可以得到旋转坐标系统下的六相同步电机的数学模型。
2船舶动态数学模型
船舶动态数学模型包括螺旋桨及船舶两个部分的建模。在综合考虑模型准确性和可操作性要求的情况下，本文做了以下两个假设：
①船舶航行时，螺旋桨桨轴的沉没深度hs>0.625Dp，即忽略兴波影响。
②忽略雷诺数对螺旋桨的影响。根据船速计算推进和转矩，其计算公式为：
T=KTρn2D4
Q=KQρn2D5
式中：T为螺旋桨的推力，Q为转矩，n为螺旋桨的转速，D为螺旋桨的直径，ρ为海水密度，KT和KQ分别为推力系数和转矩系数。当螺旋桨固定时，KQ和D为固定值。KT、KQ与实验所测得的特定螺旋桨水动力特性曲线进速系数J相对应，建模时通过式（11）计算进速系数，利用样条函数插值方法模拟螺旋桨水动力特性曲线，从而得到KT、KQ，进而得到推力T和转矩Q。
TS=Tx+Ty+T0
Jυ=υA/（nD）
υA=υs（1-μ）
其中：υA为船对地的速度，υs为船对附近水域的速度，μ为伴流系数。电机参数设定如下：电机功率P=2.0、额定电压380、定子绕组电阻Rs=2.875Ω、d相绕组自感Ld=8.5e-3H、q相绕组自感Lq=8.5e-3H、转子磁场磁通Ψf=0.175Wb、转动惯量J=0.8e-3kg·m2、磁通密度B=0、极对数P=4。
3六相同步电机控制系统在船舶电力推进中的应用
3.1控制系统的多电平逆变器和硬件电路设计
在船舶电力推进控制系统的设计时，采用多电平逆变器进行电机控制，相对于传统的二电平逆变器，多电平逆变器的控制方式更加灵活，电路逆变效率高，特别适合一些功率较大的调速系统。目前，近一半的船舶电力推进系统采用多电平逆变器作为控制核心。本文采用的是三电平三相逆变器，逆变器的PWM控制技术采用空间电压矢量控制。逆变器的电压空间矢量定义为：
在电压采样周期内，逆变器矢量控制的目标是使一个周期内三电平逆变器的基本电压效果与支路电压的效果相同，即
针对六相同步电机的逆变器控制技术，本文选用的三电平逆变器主电路功率器件为IGBT-100，最大电流为60A，最大电压为900V。船舶电力推进控制系统主要硬件设备包括主控制器、FPGA、驱动模块、逆变器和六相同步电机等。
3.2六相同步电动机磁场矢量控制及仿真研究
电机的气隙磁场矢量控制也是重要的控制方式，己经广泛应用于大功率电机的调速上，建立电机定子电流矢量方程为：
id=isr+jitr，
isr=iscosθitr=issinθisθ其中，，，为某绕组的电流，为电流与电机主轴的夹角。
同理可以获得电机转子的电流矢量方程为：
iz=isz+jitz，
电机的气隙磁链为：
ψdz=Ldzid+Ldziz。
Ldz式中：为电机定子和转子的互感。结合六相同步电机的函数模型，对电机在空载下的转矩稳定性进行仿真试验，选用的六相同步电机仿真参数如表1所示。
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表1六相同步电机仿真参数表
结语
电力推进船舶具有非常大的应用潜力，重点研究了电力推进船舶的控制系统设计，建立了六相同步电机的模型，利用三电平逆变器控制和矢量控制技术，提升了船舶推进系统电机的性能，具有一定的实际应用意义。
参考文献：
[1]谢云平，张伟，刘可峰.基于NAPA的圆舭艇快速型线建模方法研究[J].自然科学版，2009，23（2）：104–107.
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线管所在位置砌体依据线管的直径在施工现场运用专用开孔工具加工开孔，禁止砌筑完成后在墙体上开槽。此方法有效的解决了墙体开槽形成的砌体结构损伤，特别是100mm厚墙体，能减少后期抹灰墙体开裂，减少楼层垃圾。
砌筑完成后架设红外线仪将线盒底标高调整到设计高度，然后用砂浆将线盒周围孔隙嵌缝，砂浆应饱满。
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图2-2砌块墙体等电位部位免开槽砌筑示意图
施工中应注意控制以下方面：在预埋阶段要确保管道预留位置处于墙体中间部位；应提前规划安装专业配管工作，避免出现管道遗漏；所有管道口要做临时封堵措施，避免进入异物；对砌筑工人要进行详细的技术交底，初始阶段要现场严密监督指导，确保工人按要求施工；线盒稳固时要考虑粉刷厚度等。
3、效益分析
采用本工艺施工较传统后开槽施工减少了线管开槽、槽体修补、抹灰开裂修补及垃圾清理等工作量，在节约人工费方面有比较明显的效益。
参考文献：
[1]乔永进，刘永建，杜光乾，等.工具式卡固件在二次结构中的应用研究[J].
[2]辜小安，田春芝.地铁振动对建筑物内二次结构噪声影响预测[J].
[3]GB50203-2011《砌体结构工程施工质量验收规范》
[4]GB50303-2015《建筑电气工程施工质量验收规范》
作者简介：
戴杰，技术工程师，中建新疆建工集团第四建筑有限公司安装经理部，邮编：830000
于迎利，技术工程师，中建新疆建工集团第四建筑有限公司安装经理部，邮编：830000
党朝海，技术工程师，中建新疆建工集团第四建筑有限公司安装经理部，邮编：830000