第２８卷第８期 ２０１５年８月
广东电力
ｌ ＩＡＮＧＤＯＮＧ ＥＩ．ＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ
ＶＯ１．２８ Ｎｏ．８
Ａｕｇ．２０１５
基于十五相推进电动机的船舶电气系统仿真研究
王云 ，刘东 ，王正甲 ，陈云辉
（１．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海２００２４０；２．上海船舶研究设计院，上海２０１２０３）
摘要：由于船舶电力推进的研究与应用在国内仍然处于起步阶段，在实际应用中还存在很多的问题。为此，依
托国家科技支撑计划课题“船用电力推进系统开发及应用研究”，通过建模和仿真研究接入１０ ＭＷ级的十五相交
流电动机的电气系统在负载启动、负载力矩变化和系统侧短路故障等情况下的运行情况，验证该型船舶电气系
统工作特性，为安全行船提供保障。
关键词：十五相电动机；船舶推进系统；短路工况；五相逆变器；建模仿真 中图分类号：ＴＭ３１５
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７－２９０Ｘ（２０１５）０８—００４４－１１
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｆｔｅｅｎ—ｐｈａｓｅ
Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ
ＷＡＮＧ Ｙｕｎ ，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｇｊｉａ２，ＣＨＥＮ Ｙｕｎｈｕｉ
（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ—
ｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｓｈｉｐ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐ ｅ— ｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｉｎ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｉｇｈ—ｔｅｃｈ １ＷｅＤ Ｐｒｏｇｒａｍ（８６３ Ｐｒｏ－
ｇｒａｍ）ｓｈｉｐ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ １０ ＭＷ ｆｉｆｔｅｅｎ—ｐｈａｓｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎ
ｃａｓｅｓ ｏｆ ｌｏａｄ ｓｔａｒｔｕｐ，ｌｏａｄ ｍｏｍｅｎｔ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ａｔ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ
ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｙｐｅｄ ｓｈｉｐ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｗｈｉｃｈ ｍｉｇｈｔ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｆｏｒ ｓａｆｅ ｓｈｉｐｐｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｆｔｅｅｎ－ｐｈａｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ；ｓｈｉｐ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｆｉｖｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ； ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
随着船舶工业自动化程度的不断提高，船舶电 气系统设计得到了飞速发展。船舶电气系统设计决 定着船舶安全、性能、技术水平等方面的发展前
具有显著的特点：船舶电力系统的电源容量和推进 负荷具有可比性，推进功率占电源总功率比重高，
船舶运行工况的复杂性将直接影响船舶电源运行， 两者之间的互动对控制系统的协调也提出了更苛刻 的要求 。
景。对船舶电气系统的仿真研究，能够校验电气系 统设计的结构、参数和典型工况运行时的输出特 性，反映全船电气系统的正常工作能力、非正常运 行时的稳定性ｌ１ ］。
船舶电力推进的研究与应用在国内仍然处于起 步阶段，在实际应用中仍存在很多的问题。因此针 对船舶电力推进系统进行建模与仿真研究，能对相
２０世纪８０年代以来，交流电力传动技术在船
舶推进系统中的应用成为一个新的发展方向。与陆 地电力系统相比，采用全电力推进的船舶电力系统
关技术应用起到检验和借鉴作用。
在船舶电力主推进系统中，多相电动机因其良 好的工作特性而得到广泛的应用。与三相电动机相
比，在性能上的提升是多方面的：电气量脉动频率
收稿日期：２０１５－０５．０５
基金项目：国家科技支撑计划课题（２Ｏ１２ＢＡＧｏ３Ｂ０２）
增大，总体平稳性增强［ ；容错能力增强，具有缺
第８期 王云，等：基于十五相推进电动机的船舶电气系统仿真研究
相运行功能，在对运行可靠性要求高的场合起到重 要的作用＿５ ；在功率相同情况下，单相电气参数额 度下降，有利于使用较低规格设备，降低成本Ｉ６］。 由于多相电动机的优势明显，在船舶电力推进系统 中得到了广泛的应用，如十五相电动机一般作为大 型船舶的主推进电动机，能有效提高大型船舶的负 载能力和对不同工况的适应能力。
本文根据国家科技支撑计划课题“船用电力推 进系统开发及应用研究”的研究需要，对以１０ ＭＷ 级十五相异步电动机为主推进器的某型船舶电力系
统建立了仿真模型，并模拟船舶处于多种工作场景 下电力系统正常运行及发生短路故障情况的系统响
应特性，对保障全船电气系统运行以及行船安全提 供实验依据。
１ 十五相推进电动机建模与仿真
１．１ 十五相推进电动机工作原理
十五相电动机属于多相异步感应电动机，运行
原理与普通三相感应电动机相同，即依靠转差形成 转子与旋转主磁场的相对运动，在转子绕组（鼠笼） 中形成感生电动势，进而产生感应电流，并形成转 子旋转磁场，使主磁场拖动转子磁场旋转以带动机 械负载＿７］。
本文仿真的十五相电动机应用于船舶推进系 统，采用鼠笼式异步感应电动机。定子侧十五相
电压输入，转子侧绕组（鼠笼导条）假设与定子绕 组相对应，即使转子绕组等效为１５组阻抗电路， 转子输出为转换成机械转矩的电磁转矩与负载转 矩平衡。
１．２十五相推进电动机建模
与各类电动机相似，对十五相电动机的仿真建 模包括：建立电动机物理方程，包含电压方程、磁 链方程、转矩方程；坐标转换，通过坐标转换将电
动机物理方程定子绕组和转子绕组等效至同步速旋 转的旋转坐标系中，如此可简化模型并将各个随时
间变化的感抗矩阵变为常数矩阵；建立仿真模型， 选择需要的输入、输出参数，将旋转坐标系下的模 型转变为可进行仿真建模的形式，在软件中实现。
此次仿真选用ＭＡＴＬＡＢ进行。该软件具备较 强的矩阵计算能力，可适应十五相电动机模型中规 模较大的矩阵计算；同时，ＭＡＴＬＡＢ中拥有丰富
的计算功能模块以及电路元件模型，能够直观简便
地将数学物理方程转换为仿真模型；ＭＡＴＬＡＢ中 的Ｍ文件与ＳＩＭＵＬＩＮＫ结合运用，可灵活地实现
在仿真过程中需要的参数变化、运行状态的变更。 １．２．１电动机物理方程 