螺旋桨负载模拟装置回馈能量效率优化研究

摘要

随着船舶推进技术以及现代电力电子技术的发展，电力推进系统作为动力系统来模拟螺旋桨的运行状态得到了广泛应用。在电力推进系统中，螺旋桨是不可或缺的一部分，它的负载特性对船舶性能意义重大。无刷直流电机以电子换相取代了机械换相，避免了传统直流电机中电刷和换向器带来的问题。本文中将无刷直流电机当做螺旋桨负载模拟电机，使之模拟螺旋桨的负载特性。
　　首先通过分析螺旋桨负载模拟的基本原理，研究螺旋桨本身的负载特性，分析不同工况下的转矩特性曲线，并进行相应系数的改进;之后依据螺旋桨和船体两者之间的相互关系，把它们当做一个整体，建立数学模型，并搭建船桨仿真模型。
　　针对负载电机主要工作状态，分析无刷直流电机回馈制动控制策略。针对传统单臂斩波产生非导通相续流以及双臂斩波开关损耗大和存在临界转速的缺点，提出一种新型PWM斩波方式:PWM_OFF_PWM。基于此，研究PWM_OFF_PWM对于抑制非导通相续流的有效性，并且推导通过调节占空比抑制换相转矩脉动的转速范围;在此之后，推导直流母线回馈电流关于转速和占空比的关系表达式，得出结论:可以通过调节占空比来调节直流母线回馈电流，从而对回馈效率进行调节。
　　搭建螺旋桨负载模拟仿真模型，其中，负载电机的输入量是转矩，来自于螺旋桨的输出转矩，通过对负载电机进行合理控制，实现它对螺旋桨转矩特性的模拟。对船舶启动和倒车两种典型工况下的情况进行仿真分析，结果表明本文中所采用的负载电机控制策略是合理的，能够使无刷直流电机正确地模拟出螺旋桨负载特性。
　　基于现有的无刷直流电机的硬件实验平台，通过对实验波形进行分析，验证硬件实验平台的可行性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及选题意义

1．2国内外研究现状

1．2．1船舶电力推进的发展

1．2．2螺旋桨负载模拟的研究现状

1．2．3无刷直流电机的四象限运行控制

1．2．4效率优化的研究现状

1．3本文的主要研究内容

第2章螺旋桨原理分析及其建模

2．1螺旋桨负载模拟基本原理

2．2螺旋桨负载特性

2．2．1负载特性重要参数

2．2．2螺旋桨推力特性

2．2．3螺旋桨转矩特性

2．2．4进速比、推力系数以及阻转矩系数的改进

2．2．5螺旋桨负载特性曲线拟合

2．3螺旋桨与船体之间的相互作用

2．3．1船体运动对螺旋桨的影响：伴流

2．3．2螺旋桨运动对船体的影响：推力减额

2．4船桨模型的建立

2．4．1船桨数学模型

2．4．2船桨仿真模型

2．5本章小结

第3章无刷直流电机回馈制动控制方法的研究

3．1无刷直流电机运行原理及其数学模型

3．1．1无刷直流电机的基本工作原理

3．1．2无刷直流电机的数学模型

3．2无刷直流电机回馈制动控制方法的研究

3．2．1回馈制动控制原理

3．2．2不同斩波方式下回馈制动过程分析

3．2．3一种新型的回馈制动PWM斩波方式

3．3回馈效率优化控制方法的研究

3．4仿真分析

3．5本章小结

第4章基于无刷直流电机的螺旋桨负载模拟研究

4．1系统仿真模型的建立

4．2仿真结果及分析

4．2．1船舶启动

4．2．2船舶倒车

4．2．3效率分析

4．3本章小结

第5章实验结果及分析

5．1实验平台组成

5．2实验平台调试

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢