Saber在船舶电力推进仿真中的应用

    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，船舶电力推进系统结构、模块功能以及Saber在船舶电力推进仿真中的应用。
    关键词：Saber；仿真；电力推进

1引言
    自20世纪80年代以来，随着电力半导体技术、交流调速理论和微机控制技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟，使得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展，应用范围也在不断扩大，在游船、班轮、穿梭油船、滚装船等方面显示出广泛的应用前景。现代船舶采用电力推进后设计难度加大。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拟，同时与实验相结合，对实际设计起到很好的参考和指导作用。

2仿真软件Saber简介
    Saber是主要用于电子、电力电子、机电一体化、机械、液压、热学、控制等领域的系统设计和仿真的一种混合信号仿真软件。
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模拟和混合信号仿真引擎，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、控制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、分析仿真结果的波形。另外软件还提供在线帮助文档软件包Saberbook，可以随时查找帮助。
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、控制等不同类型系统构成的混合系统进行仿真，这也是Saber的最大特点。
    2)适合于建立混合仿真模型的硬件描述语言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述语言。用MAST语言可以对电子(数字或模拟)、机械、控制等不同类型的部件建立仿真模型，实现混合仿真。
    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式设计系统。用户也可以用已有的模型组合出一个符合自己要求的子系统，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允许系统按功能模块分级设计，即顶层系统可以包含若干个按功能划分的子系统，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)模拟行为模型，对电路在实际应用中的可能遇到的情况，如温度变化及各部件参数漂移等，进行仿真模拟。
2.3 Saber的分析功能
    Sabe:的分析功能比较强，主要有:直流分析，用于计算设计的工作点;瞬态分析，分析确定系统的时域响应;频响分析，分析系统随频率变化的响应特性;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船舶电力推进系统模块
    船舶采用电力推进的型式后，其系统组成与采用常规推进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。因此对整个系统应采取模块化的方法，将整体分为几个独立的部分分别建立模块，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整个系统进行仿真分析，增加了仿真的准确性。
    对于采用电力推进的船舶，其主推进系统大致可以分为4个模块。
3.1电站模块
    此模块是船舶电力推进的能量提供单元。目前一般的民用船舶电站大多采用柴油机驱动三相同步发电机的型式。因此本模块主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模型库有提供，无需另外建构，可以直接调用。主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、控制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。本模块主要考虑当船舶电网受到冲击、短路影响时应具备有自动跳闸、断路等自我保护功能。因此本模块的仿真电路不仅涉及到模拟电路而且还涉及到数字电路。
3.3调压、变频、整流模块
    是船舶电力推进的能量转换单元。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能送人用电设备。同时根据推进电机采用不同的型式，电能还需经过以下变换:推进电机为交流同步电机时，变压器输出后再经交一交变频型式后输人推进电机;推进电机为交流异步电机时，变压器输出后再经交一直一交变频型式后输人推进电机;推进电机为直流电机时，变压器输出后再经过整流后输人推进电机。Saber模型库中提供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使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推进电机、螺旋桨模块
    此模块是船舶电力推进的能量吸收单元。采用电力推进型式的船舶电站发出的电能除了部分提供辅助设备及船舶日常照明用电外，主要就是输送到推进电机驱动螺旋桨，最终转化为推动船舶运动的能量。而推进电机有同步电机、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进电机，但螺旋桨模块应该是类似的。Saber模型库中有部分理想的电动机整体模型提供，可以根据实际情况直接调用。但螺旋桨作为一个工作特性很复杂的部件，很难应用Saber模型库里提供的基本模型来搭建，为了较好的反映实际螺旋桨的工作状况，应用Saber所提供的混合仿真模型的硬件描述语言:MAST,从最底层来描述建模对象一螺旋桨的特性，虽然采用此方法加大了建模的难度，但增加了复杂模型的准确性。

4应用Saber仿真的简单实例
    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进中有广泛应用，此类电动机结构简单、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控制系统、逆变器及其控制系统以及异步电动机组成。图中4个方框分别代表一个子系统，各个子系统都是在Saber-Sketch中用图形输人的方法设计而成的。为了方便使用各个子系统，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使用，也使整个系统更加简洁。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控制型开关代替;控制系统中的正弦波、余弦波和三角波由函数发生器部件提供;由于开关元件是理想的，控制系统提供给主电路开关元件的控制信号未经功率放大。同时充分利用了Saber模块化分级设计的优越性，分别单独设计、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.
    对模型作瞬态分析(Transient)，分析电动机从静止启动到稳定运行时的情况见图2所示。

    由图2可得出，电动机启动后大约1.1 s后基本达到稳态运行，输出扭矩经过一定的振荡后趋于稳定。异步电动机启动时需较大的电流，稳定运行后电流减小并稳定在图2中也得到体现。

5结论
    通过对船舶电力推进系统组成的模块化分析表明:应用混合仿真软件Saber对船舶电力推进仿真是一种较好的选择，软件良好的混合仿真能力、开放的模型库、模块、分级层次化的结构设计以及强大的分析功能等特点都适合于船舶电力推进系统仿真。通过把Saber仿真和实验室的实验结合起来，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))