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Saber在船舶电力推动仿真中的利用

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  • 发布日期:2012-08-28 23:05
  • 有效期至:长期有效
  • 技巧区域:广东湛江市
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详细阐明

    摘要:介绍面向棍合信号的仿真软件Saber的系统构成及其特点,船舶电力推动系统结构、模块功效以及Saber在船舶电力推动仿真中的利用。
    要害词:Saber;仿真;电力推动

1引言
    自20世纪80年代以来,随着电力半导体技巧、交换调速理论和微机把持技巧的迅速发展,交换电机的变频调速技巧日渐成熟,使得船舶电力推动系统在机动性、可靠性、运行效率和推动功率等方面都有了突破性的进展,利用领域也在不断扩大,在游船、班轮、穿梭油船、滚装船等方面显示出广泛的利用远景。现代船舶采用电力推动后设计难度加大。为了使设计更完善、系统可靠性更高,可以采用系统建模与仿真的方法,对所设计的系统进行模仿,同时与实验相联合,对实际设计起到很好的参考和领导作用。

2仿真软件Saber简介
    Saber是重要用于电子、电力电子、机电一体化、机械、液压、热学、把持等领域的系统设计和仿真的一种混杂信号仿真软件。
2.1软件的组成
    Saber是一个图形化输人集成分析环境的仿真软件,用它可以直观、方便地设计系统,产生系统网表文件。其组成部分为:Saber仿真器,或称Saber模仿和混杂信号仿真引擎,它是Saber集成环境的核心;SaberSketch电路图和符号编辑器,可以调用Saber模型库里的电子、电力、机械、液压、热学、把持元件来搭建自己的系统模型;也可以用它设计自己开发的部件模型的图形符号;Saber-Scope波形显示、分析器,用于显示、分析仿真成果的波形。另外软件还供给在线援助文档软件包Saberbook,可以随时查找援助。
2.2软件的特点
    1)能够对由电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、把持等不同类型系统构成的混杂系统进行仿真,这也是Saber的最大特点。
    2)合适于建立混杂仿真模型的硬件描写语言MAST, MAST语言是Analogy公司开发的对物理部件建立仿真模型的硬件描写语言。用MAST语言可以对电子(数字或模仿)、机械、把持等不同类型的部件建立仿真模型,实现混杂仿真。
    3) Saber的模型库是开放式的。用户可以借助于MAST语言建立自己的模型,并用Saber-Stekch为其设计图形符号,以便能用图形输人方法设计系统。用户也可以用已有的模型组合出一个符合自己恳求的子系统,并为此子系统建立一个图形符号,作为模型来用。
    4)模块化、分级式系统设计,Saber容许系统按功效模块分级设计,即顶层系统可以包含若干个按功效划分的子系统,各子系统又可以包含下一层的子系统,以此类推。这种结构为大系统设计分工合作带来了方便。
    5)模仿举动模型,对电路在实际利用中的可能遇到的情况,如温度变更及各部件参数漂移等,进行仿真模仿。
2.3 Saber的分析功效
    Sabe:的分析功效比较强,重要有:直流分析,用于打算设计的工作点;瞬态分析,分析断定系统的时域响应;频响分析,分析系统随频率变更的响应特点;傅里叶和快速傅里叶变换分析,将时域波形变换成频谱;逆快速傅里叶变换分析,将频域波形变换成时域波形;以及蒙特卡洛、噪声等随机分析和应力分析等。

3船舶电力推动系统模块
    船舶采用电力推动的型式后,其系统组成与采用惯例推动型式的船舶有较大的差别,特别是在电力系统部分,复杂程度加大。因此对全部系统应采用模块化的方法,将整体分为几个独立的部分分辨建立模块,以降低系统的复杂性。
    仿真软件Saber本身具有很好的模块化和分级式的系统仿真能力。通过仿真软件的支撑,能很快地将各个系统模块组合成一个整体,这样既可以对每个单独的模块进行仿真分析,也可以将它们组合起来对全部系统进行仿真分析,增长了仿真的正确性。
    对于采用电力推动的船舶,其主推动系统大致可以分为4个模块。
3.1电站模块
    此模块是船舶电力推动的能量供给单元。目前一般的民用船舶电站大多采用柴油机驱动三雷同步发电机的型式。因此本模块重要是柴油机模型和同步发电机模型的搭建。而同步发电机作为一个常用的整体模型在Saber模型库有供给,无需另外建构,可以直接调用。重要搭建的就是柴油机模型,可以根据归纳出的数学模型调用Saber模型库里的机械、把持等元件搭建柴油机模型。
3.2配电模块
    电站发出的电能通过电缆输人船舶主配电板,再由主配电板分配至各个用电单元。本模块重要考虑当船舶电网受到冲击、短路影响时应具备有主动跳闸、断路等自我掩护功效。因此本模块的仿真电路不仅涉及到模仿电路而且还涉及到数字电路。
3.3调压、变频、整流模块
    是船舶电力推动的能量转换单元。现代船舶电网大多采用中、高压的输电型式,因此从主配电板输送来的电需经过变压器调压到合适的电压后才干送人用电设备。同时根据推动电机采用不同的型式,电能还需经过以下变换:推动电机为交换同步电机时,变压器输出后再经交一交变频型式后输人推动电机;推动电机为交换异步电机时,变压器输出后再经交一直一交变频型式后输人推动电机;推动电机为直流电机时,变压器输出后再经过整流后输人推动电机。Saber模型库中供给各种型式的变压器整体模型,无需另外建构,可以根据实际情况直接调用。变频、整流模块可以根据所利用的电力电子器件如:GTR, GTO, IGBT, MOS-FET等在Saber模型库里调用搭建所需的模型。
3.4推动电机、螺旋桨模块
    此模块是船舶电力推动的能量吸收单元。采用电力推动型式的船舶电站发出的电能除了部分供给援助设备及船舶日常照明用电外,重要就是输送到推动电机驱动螺旋桨,最终转化为推动船舶运动的能量。而推动电机有同步电机、异步电机、直流电机的几种类型可供选择,不同类型的船舶可能采用不同型式的推动电机,但螺旋桨模块应当是类似的。Saber模型库中有部分理想的电动机整体模型供给,可以根据实际情况直接调用。但螺旋桨作为一个工作特点很复杂的部件,很难利用Saber模型库里供给的基础模型来搭建,为了较好的反响实际螺旋桨的工作状态,利用Saber所供给的混杂仿真模型的硬件描写语言:MAST,从最底层来描写建模对象一螺旋桨的特点,虽然采用此方法加大了建模的难度,但增长了复杂模型的正确性。

4利用Saber仿真的简略实例
    采用脉宽调制(PWM)的交一直一交变频驱动异步电动机在船舶电力推动中有广泛利用,此类电动机结构简略、维修方便、价格适中、体积重量也较小,而且采用脉宽变频调制也可以使异步电机获得很好的调速性能。
    下面就小型的脉宽调制(PWM)交一直一交变频驱动异步电动机实验模型作Saber仿真分析。系统的结构见图1所示。


    系统由四象限整流及其把持系统、逆变器及其把持系统以及异步电动机组成。图中4个方框分辨代表一个子系统,各个子系统都是在Saber-Sketch中用图形输人的方法设计而成的。为了方便利用各个子系统,又用SaberSketch为各子系统设计了图形符号,将各子系统作为部件来利用,也使全部系统更加简洁。在对系统作仿真时,作了部分简化处理:其中主电路的开关元件用接近理想的电压把持型开关代替;把持系统中的正弦波、余弦波和三角波由函数产生器部件供给;由于开关元件是理想的,把持系统供给给主电路开关元件的把持信号未经功率放大。同时充分利用了Saber模块化分级设计的优越性,分辨单独设计、调试、仿真每一个模块,然后再将各模块连接在一起带上电动机负载进行仿真分析。
    设定系统的具体参数如下:
    1)四象限整流电路参数。
    Ln=3.2 mH, Rn=0.02 Ω,Cd=4 700 μF,
    C2=1 800 ,μF, L2=1.4 mH。
    2)异步电机参数。
    L1=0.833 mH, L2=1.230 mH,
    Lm=18.060 mH, r1=0.057Ω,r2=0.031Ω,
    P=2, J=3N·m·s.
520彩票开户     对模型作瞬态分析(Transient),分析电动机从静止启动到牢固运行时的情况见图2所示。


520彩票开户     由图2可得出,电动机启动后大约1.1 s后基础达到稳态运行,输出扭矩经过必定的振荡后趋于牢固。异步电动机启动时需较大的电流,牢固运行后电流减小并牢固在图2中也得到体现。

5结论
    通过对船舶电力推动系统组成的模块化分析表明:利用混杂仿真软件Saber对船舶电力推动仿真是一种较好的选择,软件良好的混杂仿真能力、开放的模型库、模块、分级层次化的结构设计以及壮大的分析功效等特点都合适于船舶电力推动系统仿真。通过把Saber仿真和实验室的实验联合起来,可以使设计更完善,可靠性更高。(船海工程 2004年 第5期(总第162期))
 

 
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