一种船舶电力主机推进系统的制作方法

本发明涉及船舶电力推进，尤其涉及一种船舶电力主机推进系统。

背景技术：

1、电力推进系统已广泛应用于集装箱船、邮轮、科考船等各类现代船舶，成为船舶动力系统发展的重要方向。紧急倒车作为船舶电力推进系统的核心安全功能，直接决定了船舶在突发险情下的避碰能力和航行安全性，其响应速度、控制精度和运行可靠性一直是船舶动力领域关注的重点。随着船舶大型化、高速化趋势的不断发展，对紧急倒车系统的综合性能提出了更高的要求。

2、目前，船舶电力推进系统的紧急倒车控制技术已取得了长足进步，形成了以电机反转控制和变距桨螺距调节为核心的多种技术路线。

3、在实际应用中，该领域仍面临需要进一步优化的技术课题：

4、如何实现制动过程中轴系转矩的平滑过渡，降低机械冲击对轴系寿命的影响；

5、如何有效抑制能量回馈过程中直流母线电压的波动，保障船舶电网的稳定运行；

6、如何避免快速变距过程中桨叶表面的空化现象，延长螺旋桨使用寿命；如何实现反向推力的平稳加载，提升船舶乘坐舒适性和设备运行安全性。

7、基于此，本发明提出一种船舶电力主机推进系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种船舶电力主机推进系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种船舶电力主机推进系统，包括：

4、紧急倒车指令解析模块，用于监测操纵指令，采集船舶航速、螺旋桨转速及螺距角，计算螺旋桨进速系数并获取转矩系数，规划停船时序节点；

5、惯性前冲能量回收模块，用于接收进速系数与转矩系数，在判定螺旋桨进入水轮机工况时将推进电机切换为正向发电模式，将电能回馈至直流母线网络，并结合转矩系数计算水动力机械转矩以生成电磁制动转矩指令值，输出回收电功率；

6、桨叶螺距协同调节模块，用于接收船舶航速、进速系数、螺旋桨转速及回收电功率，在航速与回收电功率低于设定下限时，结合进速系数计算主轴扭矩，将桨叶过渡至负向螺距并输出实际螺距角；

7、母线电压越限抑制模块，与包含发电机组的船舶电网的直流母线网络连接，用于采集直流母线电压并计算电压变化率，在电压逼近警戒阈值时启动多级能量转移调度，并缩减推进电机电流指令值；

8、反向电动推力重构模块，用于接收螺旋桨转速与实际螺距角，在实际螺距角达到负向区间且螺旋桨转速低于设定值时，将推进电机切换回电动驱动模式，加载正向旋转电磁转矩，在判定船舶停稳后激活机械抱闸装置。

9、优选地，所述紧急倒车指令解析模块通过双冗余控制器局域网络总线接收操纵指令，经高速光电耦合器进行电气隔离，利用模数转换器对操纵指令转换的阶跃式电压信号进行连续采样并采用滑动平均滤波算法滤除由船体振动引起的毛刺噪声；

10、通过引入卡尔曼滤波算法对获取的船舶航速进行平滑处理，并通过现场可编程逻辑门阵列对船舶航速、螺旋桨转速及螺距角进行时间戳同步对齐。

11、优选地，所述计算螺旋桨进速系数的公式为：；

12、其中，代表螺旋桨进速系数；代表螺旋桨盘面处伴流进水速度；代表螺旋桨旋转频率；代表螺旋桨直径；

13、紧急倒车指令解析模块结合螺旋桨进速系数与预先存储在非易失性存储器中的螺旋桨四象限敞水特性曲线，插值获取转矩系数，以供惯性前冲能量回收模块在螺旋桨进速系数超过螺旋桨零推力点时判定螺旋桨进入水轮机工况。

14、优选地，所述惯性前冲能量回收模块在判定螺旋桨进入水轮机工况时：

15、切断推进电机的电动模式驱动脉冲，采用定子磁链观测器跟踪推进电机内部磁场相位，使推进电机前端四象限变频器输出的电压矢量与推进电机反电动势矢量在相位和幅值上保持一致以切换为正向发电模式；

16、惯性前冲能量回收模块采用基于转子磁场定向的矢量控制策略，将三相静止坐标系下的定子电流投影到同步旋转的正交坐标系中，通过引入前馈解耦补偿电压使励磁电流分量与转矩电流分量的调节过程相互独立。

17、优选地，所述结合转矩系数计算水动力机械转矩的公式为：；

18、其中，代表水动力机械转矩；代表转矩系数；代表海水密度；代表螺旋桨转速；代表螺旋桨直径；

19、惯性前冲能量回收模块将水动力机械转矩作为前馈参考量，结合转速下降斜率限制动态生成电磁制动转矩指令值，使螺旋桨转速沿平滑轨迹下降以避免机械轴系承受交变应力。

20、优选地，所述桨叶螺距协同调节模块结合进速系数计算主轴扭矩的公式为：；

21、其中，代表作用在单个桨叶上的主轴扭矩；代表主轴扭矩系数；代表海水密度；代表螺旋桨转速；代表螺旋桨直径；

22、桨叶螺距协同调节模块根据主轴扭矩为液压泵压力设定和伺服阀开度提供前馈补偿信号，并将目标螺距角转化为目标位移量，与直线位移传感器反馈的实际位移量比对生成位置偏差信号，经比例积分微分调节器运算后驱动电液比例方向阀控制变距油缸以将桨叶过渡至负向螺距。

23、优选地，所述将桨叶从正向螺距过渡至负向螺距后，还包括对调距速率进行斜率限幅，具体如下：

24、建立基于压力分布的调距速率限制模型，根据螺旋桨转速和船舶航速实时计算桨叶表面最低压力点，当预测到按当前指令速率调距将导致最低压力点低于当前水温下的海水饱和蒸汽压而逼近空化临界压力时，对调距速率进行斜率限幅以主动降低螺距角变化速率，防止海水汽化形成空化气泡溃灭剥蚀桨叶。

25、优选地，所述在电压逼近警戒阈值时启动多级能量转移调度时，需采用能量动态平衡模型，具体包括：

26、建立基于直流母线电容能量动态平衡的数学模型，公式为：

27、；

28、其中，代表直流母线侧等效支撑电容容量；代表直流母线电压；代表直流母线电压变化率；代表推进电机回馈到母线的电流；代表船舶电网中所有用电设备消耗的总负载电流；代表流经制动斩波器的耗散电流；

29、在直流母线电压变化率持续为正且直流母线电压逼近警戒阈值时，按优先级依次向储能管理系统发送充电指令、通过固态继电器投入机舱内非重要负载以及激活制动斩波器将电能引入水冷制动电阻中转化为热能。

30、优选地，所述母线电压越限抑制模块在发电机组输出端安装双向功率变送器实时计算发电机组有功功率输出方向，当检测到有功功率出现负值且持续时间超过设定容忍窗口时触发逆功率保护逻辑；

31、根据直流母线电压与极限安全阈值的差值生成动态功率限幅系数，将动态功率限幅系数作用于推进电机的转矩电流指令值上，强制降低负向电流幅值以减小推进电机电磁制动转矩。

32、优选地，所述反向电动推力重构模块中加载正向旋转电磁转矩，具体包括：

33、基于指数衰减函数平滑加载正向旋转电磁转矩，公式为：

34、；

35、其中，代表瞬时电磁转矩参考值；代表目标反向驱动转矩绝对值；为自然对数底数；代表自推力重构触发时刻起算的时间变量；代表转矩加载时间常数；

36、反向电动推力重构模块根据轴系扭矩传感器反馈的实时机械应力水平动态调整转矩加载时间常数，并通过检测定子电流极性实时计算死区时间造成的电压误差矢量叠加到目标电压矢量中进行前馈补偿，在判定船舶停稳后输出直流保持电流将推进电机转子电磁锁定并激活机械抱闸装置。

37、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

38、1、本发明通过采用水动力机械转矩前馈与转速斜率限制相结合的控制方法，使螺旋桨转速沿平滑轨迹下降，降低机械轴系承受的交变应力；桨叶螺距调节过程中引入基于压力分布的调距速率限制模型，能够实时预测桨叶表面空化风险并主动调整螺距变化速率，避免海水汽化形成空化气泡对桨叶造成剥蚀，同时减少振动噪声的产生。

39、2、本发明通过母线电压越限抑制模块通过建立直流母线电容能量动态平衡模型，能够根据母线电压变化趋势启动多级能量转移调度，优先利用储能系统和非重要负载吸收回馈能量，在必要时通过制动电阻耗散多余电能，有助于维持船舶电网电压的稳定，避免因电压波动影响其他用电设备的正常运行；同时，模块具备逆功率保护功能，能够防止发电机组因异常工况损坏；反向电动推力重构阶段采用平滑加载函数生成反向驱动转矩，并根据轴系实时机械应力水平动态调整转矩加载速率，结合死区电压前馈补偿技术，实现反向推力的平稳过渡。这种设计既保障了船舶电网的安全可靠运行，又改善了紧急倒车过程的船体冲击问题，提升船舶乘坐体验和设备运行安全性。