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澳博注册网站平台大连海事大学硕士学位论文船舶电力推进中澳博注册网站平台永磁同步电机控制系统的研究姓名:****请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:**20080101中文摘要摘要近几十年来,随着电力电子器件的飞速发展和大功率变频器及交流调速技术的日趋高性能化,特别是吊舱式(POD)电力推进装置的出现和推广应用,船舶电力推进以其空间配置灵活、机动性能好、推进效率高、节能等优点电力电子建模与仿真,正在成为未来船舶动力装置的发展方向。本文以国内某电力推进船舶为研究背景,首先分析了吊舱式螺旋桨的推进力特性和扭矩特性,以及电力推进船舶的阻力特性,并在此基础上建立了螺旋桨和电力推进船舶的运动数学模型和Simulink仿真模型,作为整个系统的负载。在主推进方面,考虑到永磁同步电机在大功率高性能调速方面的优越性,本文以三相永磁同步电动机为直接研究对象电力电子建模与仿真,分析了其在不同坐标系下的数学模型及直接转矩控制技术的基本原理和实现方法.本文设计了一种基于PID自校正闭环补偿方法的定子磁链观测器,从而有效抑制直流偏移对磁链观测的影响。为了解决传统DTC控制中存在的转矩脉动大等问题,论文中采用了三电平控制技术。论文还分析了二极管钳位型三电平逆变器的基本工作原理以及直接转矩控制应用于三电平逆变器调速系统时存在的特殊问题,针对三电平中点电压平衡问题和电压跳变幅值限制问题,提出了一种简单合理的电压矢量选择方案,从而实现对中点电压偏移和电压跳变幅值的有效控制。

论文的最后对螺旋桨模型、船舶模型、永磁同步电动机三电平直接转矩控制模型进行了综合,在Simulink开发环境下建立了基于三电平直接转矩控制的船舶电力推进系统的仿真模型;借鉴了本校船舶自动化与仿真器研究所研制船舶大型轮机模拟器的成功经验,在VC++开发环境下建立了船舶电力推进系统的分布式仿真系统,并在此基础上对系统进行了仿真研究。通过对仿真结果的对比分析,三电平直接转矩控制相较传统的二电平具有更好的动、静态性能,由此显示,本设计所提出的方案是可行的。关键字:船舶电力推进吊舱永磁同步电动机三电平直接转矩控箭英文摘要TheResearchofControlSystemofPermanentMagneticSynchronousMotorsappliedinShipElectricPropulsionAbstractIntheneardecades,withtherapiddevelopmentofpowerelectronicelements,hi【ghpowerconverters鹊wellastheadventofpodedpropulsionsystems,shipelectricpropulsionhasgraduallybecomethemainsteamoffutureshipswithseveraladvantagessuchashigherflexibilityofspacearrangement,bettermaneuverability,higherdrivingefficiencyandreducedfuelconsumption.TheresearchbackgroundinthispaperWasbasedonsomedomesticelectricship.F?椋颍螅簦欤模茫铮妫妫螅澹簦?ThreelevelstrategyWasintroducedhereinordertocopewiththeproblemsofhightorquerippleencounteredinthetraditionalDTCsystems.Firstly,thebasicprincipleofdiodeclampedthree-levelinverterwasgivenandthespecialproblemsarousedbyDTCtechniquewhenitwasappliedinvariablespeedsystemswerealsodiscussed.AsimplefeasiblevoltagevectorselectionschemeWasprovidedinordertosolvetheproblemsofneutralvoltagebalanceandrestrictionofvoltagelimitationsandgetabettercontroloverthem.英文摘要Attheendofthepaper,thepropellermodel,theshipmodelandthethree—levelDTCmodelofPMSMwereintegrated.ThewholesimulationmodelofshipelectricpropulsionsystembasedOilthreelevelDTCtechniquewasthenestablishedintheSIMULINKenvironment.BenefitingfromthesuccessfulexperiencesoftheMarineAutomationandSimulatorResearchInstituteofDMU,theauthordevelopedadistributedsimulationsystemofshipelectricpropulsionsysteminVC++environment.Thecomparisonsoftheresultsshowthatthethree-levelDTChasabetterdynamicandstaticperformancethantraditionaltwo-levelDTCandhencevalidatethepresentedscheme.KeyWords:ShipElectricPropulsion:Pod=PermanentMagneticSynchronousMotorOPMSM))Three-level;DirectTorqueControl大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明明的法律责任由本人承担。

论文作者签名芝矽第昂村学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”,同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和江:编学位论文。保密口,在——年解密后适用本授权书。学位论文属于:保密口不保密回(请在以上方框内打“”)论文作者签名:导师签日期:年船舶电力推进中澳博注册网站平台永磁同步电机控制系统的研究第1章绪论1.1研究背船舶电力推进是利用推进电机直接带动螺旋桨旋转,从而推动船舶行进的一种推进方式。从船舶首次采用电机作为推进动力,至今已有近百年的历史【I】。长期以来,传统的看法认为,用发电机、配电装置、变频器和电动机来取代柴油机直接 推进会增加质量、体积和采购费,而且由于存在二次能量转换,其传动效率将低于 柴油机直接推进,从而导致全寿命周期费用增加。因此从护卫舰到航空母舰等许多 军用舰船,以及油船、客货船等许多大型民用船舶大多采用气轮机、柴油机推进方 式12。3】。尽管如此,电力推进所特有的噪声低、机动性能好、舱室布置灵活 等优点还是被人们所重视,电力推进在潜艇、破冰船、拖船等舰船上还是得到了较 广泛的应用。

澳博注册网站平台 20世纪八十年代以来,现代电力电子技术开始向着高频,高效(低 开关损耗),高功率因数,高功率密度(组合集成化)及高压大功率方向发展。以 GTO、BJT、MOSFET、IGBT为代表的自关断器件得到长足的发展, 尤其是以IGBT为代表的双极性复合器件的出现使得电力电子器件沿着大容量、 高频率、易驱动、低损耗、智能模块化的方向发展。伴随着电力电子器件的飞速发 展,大功率变频器及交流调速技术的发展也日趋高性能化。现代电力电子技术不仅 改变了船舶能量变换的面貌,而且使原先船舶电力推进存在的一些缺点发牛了根本 性的变化,其优点和长处得到进。一步的发展,同时进入实用阶段的永磁同步电动 机给船舶电力推进装置带来了更小的体积和更轻的重量:超导技术和燃料电池的研 究已在某些领域有了一定的进展。这些技术一旦得到突破都将会给船舶电力推进带 来更加深刻的变化。当前船舶所采用的电力推进已经不是以往的简单重复,无论是 船舶总体系统的组成或是推进装置自身的性能都有了长足的进步和提高。现代电力 推进技术和早期电力推进相比,最大的不同就是建立了综合全电力推进系统(In tegratedPowerSystem简称IPS)141,亦即把船舶电力 推进和口常用电的发电设备综合为一个统一 第l章绪论的电网加以考虑和设计。

这 样的综合系统不但能充分发挥电力推进系统原有的优点,而且能为船舶带来更大的 灵活性,以满足海上运行的各种要求。 现代船舶电力推进系统的优点主要体现在以 下几点15J: (1)有利于实现船舶动力装置的最优化配置和布局设计。采用综 合全电力推进系统,推进装置不需要构成长轴系,柴油机(燃气轮机)/发电机组 与推进电机都可以相对独立布置,使总体设计的自由度大大增加。 (2)机动性能 好。由于电动机的转速易于调节,其控制性能明显优于传统的热力机械,同时电力 推进船舶还具有紧急停船时滑行距离短、小角度回转和快速响应等优点。特别是采 用吊舱式螺旋桨推进方式,可以不受传统舵的35度角限制,可以实现全方位旋转, 大大增加船舶的旋转机动性。. (3)推进效率高。电力推进船舶采用定距桨代替 变距桨,可以大大提高螺旋桨的推进效率,尤其是吊舱式电力推进船舶,还省去了 舵,使螺旋桨和船体的间距可以比较大,这意味着螺旋桨受船体伴流的影响明显减 小,与传统的定距桨(特别是大功率船用双桨)相比推进效率提高了6%-‟10%。 (4)节能与环保。减少各种燃油和滑油的消耗,减少废气排放和震动噪声污染。 (5)缩短建造周期并降低全寿命周期费用。

从设计全过程来看,所有电源、配电、 推进模块以及各种用电设备都有模块供选择,大大简化并缩短了设计过程;从生产 角度来看,这些模块可以同时在高效?墓こ肪持猩 虼私ㄔ熘芷诳梢缘玫酱蟠笏醵獭?电力推进船舶的优点是明显的,但同时也有它的技术要求,首先船舶电力推进要求推进功率大,例如,“玛丽女千2 号”游轮的推进功率高达118MW:调速范围宽,以保证船舶在不同情况下的各种 船速;推进系统动态性能好,使船舶具有良好的机动性和灵活性;推进系统要求效 率高,以节约能源,保证船舶较好的续航能力;体积小、重量轻,从而节省船内有 限的空间,减少船舶自身的体积和重量。此外,还要求安全可靠,维修方便等。 舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究20世纪90年代,随着吊舱式(PO D)电力推进装置的出现和推广应用,使大型船舶推进系统产生了巨大变革。PO D取消了传统的舵板,将电机安装在水下密封的吊舱内,直接带动螺旋桨旋转,而 且吊舱可以实现360度全方位旋转,不受传统舵桨的35度角限制。 与传统燃机 和电力推进装置相比,吊舱式电力推进装置的优点主要体现在以下几点16l: 大大改善了船舶操纵的机动性,船具有较小的回转半径,可原地回转,也可以横移:缩短了紧急停车距离,倒车能力强。

澳博注册网站平台使船舶操纵更安全、更灵活。 2)省去传统舵 系部件,改进了船的线型,大幅度降低阻力,提高推进效率。阻力可下降15%” 20%,大大节约了能源,增加了船舶的续航能力。 3)减轻了船舶的自重,船舶 的总体布局更加灵活,增加了船舶的载重量。 4)动力装置振动小、噪声低,而且 还减小了有害气体的排放。 由于吊舱式电力推进装置具有上述显著的优点,国际上, 已经在大型游轮、作业船、渡轮等电力推进船舶系统中大量推广应用这一技术。 是,由于吊舱式螺旋桨的主推进电机置于水下封闭的吊舱内,其体积、重量和通风等问题就成了该技术应用的瓶颈,特别是大型船舶。而永磁同步电动机以其体积小、 重量轻、效率高、转动惯量小、可靠性高等优点,成为吊舱式电力推进主电机的最 优选择。永磁同步电动机用于船舶电力推进中具有如下优点16】: 1)更高的效 率,永磁同步电动机采用高效永磁体,转子没有激磁损耗,电机整体效率高达98% 以上。 2)体积小、重量轻,相同输出功率的永磁同步电动机比直流电动机在体积、 重量方面减少40%。 3)电机直径显著减小,转动惯量小,电机转子与螺旋桨可 以一体化设计。 4)转速低,螺旋桨转速可以从200r/min下降到120r /min,提高转矩,提高螺旋桨效率,降低噪声。

5)低噪声,低振动,较直流 电机安静。 第1章绪论 6)由于永磁同步电动机转子不发热,无需转子外部空气 冷却系统,解决了吊舱式电力推进系统散热难的技术难题。此外,定子冷却利用吊 舱外壳在水下散热,充分利用了电机能力。 1987年,德国西门子公司为德国海 军研制成功的“schwedeneck一号睡眠舰船,l100kw、230r/ min,采用6相永磁同步电动机推进。与相同舰船直流电机推进系统相比,其重 量、体积和长度减少了40%,损耗为直流电机推进的80%. 船用永磁同步电动 机由大功率变频器供电,国际上船舶电力推进系统,功率小于2MW的交流变频调 速装置大多采用IGBT脉宽调制PWM电压型变频器,功率大于4MW的大多采 用交交变频器,而功率大于15MW的大型游轮电力推进系统采用负载换向(LC I)交直交同步电机调速系统。 对于这种中压变频电源,其输出方式主要有两种: 一种是直接输出大电压,另一种是经过变压器升压之后输出大电压。对于第一种情 况则要求变频器有承受相当数量电压的能力,而对于第二种输出方式,虽然对变频 器本身没有太多的要求,但却存在着先天性的缺点,不仅增加了系统的复杂性和成 本,同时也降低了变频系统的效率【丌。

为达到中压的要求,目前主要有两种实现 途径,一是采用电力电子器件的串联,结构为二电j}c逆变器,但需要解决电力 电子器件串联而引起的动、静态均压问题;二是采用多电平逆变电路结构,可以避 免开关器件串联问题,降低了电压变化率,从而降低了对开关器件电压承受能力的 要求,同时也减少了共模干扰,相应提高了电机的效率,此外多电平策略还有控制 灵活、输出电压的相位和幅值便于调节和控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率 高等优点,而且由于可以使用价格相对便宜的低频高压大功率开关器件,故受到了 许多国内外著名电气公司的青睐哺J。我国各高校和科研院所也在积极开发这种新 一代的电气传动设备,开发利用新能源。显然,开发具有自主知识产权的大功率多 电平逆变器交流传动系统,不仅具有显著的经济效益而且具有深远的社会效益。 舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究1.2课题研究的国内外现状20世纪 90年代,在大型柴油机一电力推进系统中,主推进系统驱动控制技术,主要是采 用同步或周波变换器作为变频器的交流(AC)驱动技术【lol。目前全电力推 进船舶正在蓬勃发展,T45型“Daring”是世界上最强大的第一艘真正意义 上的电力战舰(ElectricWarship).第一批六艘T45已于20 07年全部服役,最大速度达到28kns,采用Alstom公司提供的22 0MW推进电机和15相PWM脉冲调制变换器,具有6脉冲输入桥和动态制动。

快速停船和速度反向产生的动能由变换器吸收,反过来作为推进动力。动态制动系 统能够探测到直流母线电压上升,达到预先设定的极限值之前,将能量转移到大电 阻箱,以热能形式消耗掉【„121。 我国在舰船综合全电力推进系统的研究和应 用方面起步较晚,但发展迅速,在原动机、发电机、配电、变频调速等关键技术方 面,已积累了一定的工业基础。目前兆瓦级柴油机、发电机和中高压配电板生产, 都有比较成熟的技术。在电力电子及交流调速领域取得了不少的科研成果,并有产 品投入实际的应用,第三代电子器件IGBT及其产品已开发成功。然而在舰用大 功率燃气轮机、永磁同步电动机,高压大容量电力电子器件、吊舱式推进器等设计、 制造方面与发达国家还有很大的差距,在IFEP方而的研究也仍然处于起步阶段 i协‟5l。 应用方面,1998年和2004年上海爱德华船厂为瑞士Tarb it航运公司建造了两艘化学品油轮,是国内第一次采用POD电力推进系统。采 用西门子公司SSSP7,l5100KW,12PWM,SIMARDRIV ECyclo驱动控制方式。中远建造的18000吨级半潜船,是第二艘使用电 力推进的船舶,也是采用西门予SSP吊舱式电力推进系统,功率为24700 KW,吊舱可3600旋转,利用Cyclo-Converter将6.6KV 交流电转换为12.75Hz,3.3KV交流电,供给永磁同步电动机【lo】。

由长江船舶设计研究院设计巾港集团天津船舶工业公司建造的国内第‟„艘电力推 进,大吨位,全回转起重船,于2003年顺利交船。采用交流变频电力推进一双 固定导管螺旋桨、四舵和首、侧推进装置,采用PLC控制站对电力推进系统及主 要机电设备进行监控和操纵。另外广州造船厂和大连造船厂也在建造几艘电力推进 船舶,采用6600V中压电力推进系统。大连与烟台间的烟大轮渡船,东海石 l章绪论油平台也选用了电力推进系统,其中烟大轮渡船。中铁渤海轮渡一号”和“中铁渤海轮渡二号”均采用ABB公司提供的推进系统。目前我国还没有自主设计电力 推进系统在民用船上使用【IOl。 而在高性能大功率交流变频调速的研究和应用 方面,主要有两个发展方向,一个是研究高性能、,高开关频率、高耐压的开关器 件,另一个是从逆变器的拓扑结构入手,研究开发多电平逆变器。而后者由于整体 效率高,dr/dt小,共模干扰小、输出电压的谐波含量小等优点,已经成为现 代电力电子技术的最新发展之一l引。 虽然采用多电平拓扑结构的商用产品直到2 0世纪90年代才出现,但是其发展非常迅速,越来越多的商业化产品都已经开始 了基于多电平逆变器的设计,关于多电平逆变器的科研成果正在不断的涌现。

在国 内,有不少高校和科研院所已经在进行高压大功率多电平逆变器的研究,而且已经 取得了一些成果,新的拓扑结构和控制方法也不断地被提出电力电子建模与仿真,但大多数仍然停留在 实验室研究阶段,还不能进行产品定型,走向市场。因此,要实现高压大功率多电 平逆变技术的产业化发展,还需要我们坚持不懈的努力。1.3系统仿真的发展现 状与意义 系统仿真是近四十年来发展起来的一门综合性很强的新兴技术科学,它集 成了计算机科学技术、网络技术、图形图象技术、多媒体技术、软件工程技术、信 息处理和自动控制等高新技术的知识,以计算机和各种物理设备为工具,利用系统 模型对实际的或设想的系统进行实验研究。 伴随着第一台电子管计算机的诞生和以 相似理论为基础的模拟技术的应用,建模与仿真作为一种研究新产品、新技术的科 学手段电力电子建模与仿真,已经成为许多领域科研工作者必不可少的T具,而且在航天、航海、兵器 等模拟训练中也有广泛的应用前景。1930年左右,美国海军陆战队就采用了林 克仪表飞行模拟器进行模拟训练,当时其经济效益相当于每年节省1.3亿美元而 且少牺牲了524名飞行员1161.50年代,澳大利亚武器研究机构和英国皇 家航空研究所联合研制的BLOODHOUND导弹,利用了仿真实验辅助发射, 与同期的美国、苏联、德国直接通过导弹发射相比, 船舶电力推进中永磁同步电机 控制系统的研究发射次数仅为后者的十分之一,大大减少了成本。

?孀沤 越谑肆Α锪Α?我国在建模与仿真技术方面起步较晚,但短短的几十年间,我们已经取得了飞速发展。20世纪50年代初,建模与仿真技术最早应 用于自动控制领域,飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数字仿真和半实物仿真 进行分析试验,采用的是模拟计算和面向方程的建模方法。60年代,建模与仿真 的应用不仅仅在连续系统和工程领域,而且扩展到离散系统和社会经济等非工程领 域,如交通管理、企业管理、人口动力学等。70年带,训练仿真器获得突破性进 展,各领域应用训练仿真器对驾驶员、指挥员和管理人员进行培训,飞行模拟器、 电站训练仿真器、铁路机车仿真器等相继研制成功。80年代,我国建成了一批具 有先进水平的仿真实验室和仿真工程,应用于型号研制。在仿真算法和仿真软件方 面,包括微分方程、线性方程和离散事件的串行/离散混合仿真语言,可在工作站 和微机上运行。90年代,我园对新的仿真技术展开了研究,其中包括联网仿真、 分布式交互仿真、虚拟现实仿真、建模与仿真的重用和互操作性以及分布式虚拟环 境等。在船舶电力推进系统的研究方面,同样也采用了系统建模与仿真技术,如: 武汉理工大学船舶电力推进系统仿真实验室早在2003年以前就展开对船舶电力 推进系统的建模与仿真研究,大连海事大学船舶自动化与仿真器研究所是国内少数 几家有独立开发大型轮机模拟器能力的科研单位之一,在模拟器研究领域享有较高 的声誉,已经成功地完成了“基于虚拟现实技术的船舶轮机仿真系统的研究”、“船舶 运动与主动力装置智能控制虚拟现实仿真系统的研究”及“青岛远洋船员学院多功能 大型集装箱船轮机模拟器的研制”等科研项目,目前也致力于船舶电力推进系统的建 模与仿真研究。

另外,哈尔滨工程大学、上海海事大学、上海交通大学以及中国船 舶重工7ll、712研究所也有相关的预研项目〔16-1„71。 第l章绪论 设计来源于导师的课题项目:智能运输系统与智能控制算法可视化仿真的研究(国家2ll工程重点实验室建设项目,高等学校博士学科点专项科研基金资助课题), 论文选题紧密结合导师和船舶自动化与仿真器研究所的研究工作,研究内容主要体 现在电力推进船舶建模及其主推进电机的控制与仿真方面。1.4本文完成的主要 工作 本文采用二极管中点钳位型三电平逆变器,以三电平直接转矩控制技术在船舶 电力推进永磁同步电动机控制系统中的应用作为主要研究课题。论文的主要工作如 1.查阅国内外船舶电力推进方面的大量资料,以国内某电力推进船舶为研究背景,建立电力推进船舶的船一机一桨数学模型。并且在MATLAB的Simu link环境下建立了吊舱式螺旋桨仿真模型和船舶运动仿真模型。 2.查阅国内 外三电平逆变器方面的大量资料,对永磁同步电机的直接转矩技术进行了深入的学 习和研究。 3.通过对二极管中点钳位型三电平逆变电路原理的深入分析,建立了 基于三相永磁同步电动机的三电平NPC逆变器数学模型。

澳博注册网站平台 4.根据三电平逆变器 的新特点,通过对直接转矩控制算法的研究电力电子建模与仿真,设计了基于三电平逆变器的直接转矩 控制开关矢量表;建立了基于三电平直接转矩控制的船舶电力推进系统的仿真模型, 并在此基础.卜进行了基于三电平直接控制技术的船舶电力主推进系统的仿真研究。 5.借鉴本校船舶自动化与仿真器研究所研制火型船舶轮机模拟器的成功经验,在 VC++开发环境下,建立船舶电力推进的分布式虚拟仿真系统,并在此基础上进 行船舶电力推进系统的分布式仿真研究。 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的 研究 第2章电力推进船舶的运动分析及其数学建模2.1船舶运动的概述 船舶的 运动包括运动学和动力学两个方面„他】。描述船舶位置、速度、加速度、角速度、 角加速度等物理量随时间变化的规律属于船舶运动学;研究船舶受到力和力矩作用 后运动位置和姿势的改变属于船舶动力学。 (1)船舶的直线运动