船用永磁同步电机推进系统实验装置研究

摘要

随着国际海事组织的环境标准和国际油价的日益提高，具有高运行效率的电力推进系统已经成为了现代船舶的主流动力方式。永磁同步电机具有高效率、低噪声、高可靠性等优点，是电力推进系统中理想的推进电机，在实际的船舶电力推进系统中被大量应用，因此有必要对永磁同步电机推进系统进行仿真研究和实际考核。
　　直接转矩控制技术是一种高性能的交流调速技术，它不需要进行复杂的坐标变换，只要选择合适的电压矢量，就能控制系统快速跟随转速给定，并且快速响应转矩变化。本文根据永磁同步电机的数学模型，验证了对永磁同步电机进行直接转矩控制的可行性，分析电压空间矢量对电机磁链和转矩的影响，然后对永磁同步电机的直接转矩控制系统进行仿真研究。仿真结果表明，采用常规的直接转矩控制方法对永磁同步电机进行控制，会出现启动特性不佳和转矩脉动大的问题。
　　永磁同步电机启动阶段存在磁阻负序转矩和发电机制动转矩，可能导致启动时电磁转矩为反向转矩，电机反向旋转。对于已经完成选型的永磁同步电机，无法改变电机参数来减小发电机制动转矩和磁阻负序转矩的影响，所以从控制策略着手，在启动阶段选择相应的电压空间矢量，使磁链迅速增加而限制转矩增量，并且改变转矩反馈量，从而确保永磁同步电机直接正向启动。
　　详细分析了转矩脉动产生的原因，引入模糊控制思想对控制系统加以优化。采用模糊控制器取代滞环比较器和空间电压矢量选择表，把磁链和转矩误差、定子磁链位置角进行模糊化处理，控制器根据模糊规则表输出更加合理和精确的电压矢量序号。仿真结果表明采用模糊控制可以减小永磁同步电机的转矩脉动。
　　根据船舶运动时螺旋桨对船舶的作用以及船-桨之间的相互影响，建立了船桨数学模型，在仿真中验证船桨模型的运行结果符合实际的螺旋桨特性曲线。然后建立了带船桨模型的永磁同步电机推进系统的仿真模型，其中船桨模型为推进系统提供螺旋桨负载。对船舶启动和倒车这两种工况进行仿真，通过仿真结果观察推进系统的动态和稳态性能，以及不同的操作方式对推进系统造成的冲击。
　　搭建永磁同步电机推进系统的实验环境，编写包含某船桨模型的上位机控制软件，实现控制直流发电机模拟螺旋桨负载转矩，对推进系统性能进行实验研究。实验结果验证了推进系统启动和制动的仿真结果的正确性、有效性。

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第1章 绪 论

1.1 船舶电力推进系统研究的背景和意义

1.2 电力推进技术的国内外发展研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 永磁同步电机的直接转矩控制策略

2.1 永磁同步电机的数学模型

2.2 直接转矩控制的原理

2.3 永磁同步电机直接转矩控制系统的结构和建模

2.4 仿真结果及分析

2.5 本章小结

第3章 永磁同步电机控制方法的改进

3.1 永磁同步电机的启动特性分析及改进

3.2 永磁同步电机直接转矩控制系统转矩脉动分析

3.3 模糊控制的基本理论

3.4 基于模糊控制理论的转矩环改进方法

3.5 模糊转矩控制的仿真结果

3.6 本章小结

第4章 带船桨模型的电力推进系统研究

4.1 螺旋桨的数学模型

4.2 螺旋桨工作特性曲线的拟合

4.3 船桨数学模型

4.4 船桨系统的建模与仿真

4.5 电力推进系统仿真与结果分析

4.6 本章小结

第5章 推进系统实验装置的软硬件设计和调试

5.1 系统的设备构成

5.2 系统的电气原理设计

5.3 上位机控制软件的设计

5.4 实验结果及分析

5.5 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

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