基于三电平逆变器的船舶推进电机控制系统研究

摘要

随着时代的发展，船舶电力推进技术日益受到世界各国的重视。船舶电力推进技术的核心是船舶推进电机控制技术。然而，随着现代船舶电压等级的提高，利用传统的两电平逆变器来直接控制船舶推进电机会带来很多不便，必须采用电压等级更高的三电平逆变器。本课题基于此背景展开，研究基于三电平逆变器的船舶推进电机控制技术，这对我国船舶全电力推进技术的研究有一定的现实意义。
　　文章首先介绍二极管箝位式(NPC)三电平逆变器的拓扑结构、基本原理及其数学模型，并在此基础上详细论述如何使用空间矢量调制算法对其进行控制。针对二极管箝位式三电平逆变器中点电位不平衡问题，首先深入分析了中点电压波动的原因，然后再结合所选用的SVPWM算法，引入平衡因子来动态调整正、负小矢量的作用时间，最终达到抑制中点电压波动的目的。
　　本文采用异步电机作为船舶推进电机。采用按照转子磁链定向的方式控制船舶推进电机，以达到对其高性能的矢量控制。首先推导出推进异步电机的动态数学模型。然后对异步电机的相关方程进行坐标转换，让动态数学模型中的磁链和转矩实现解耦控制。按照转子磁链定向的控制系统中存在着三个重要的调节器，他们分别是转矩调节器、磁链调节器以及转速调节器。为了使系统调节性能稳定，分别对上述调节器进行了工程化设计。
　　本文选取模型参考自适应算法，对电机转速进行实时辨识，以实现船舶推进异步电机的无速度传感器控制。文章首先阐述了模型参考自适应算法的基本原理。然后再介绍了使用传统的MRAS算法对电机转速进行辨识的具体步骤。由于传统MRAS算法中，电压模型中的纯积分环节会使得系统容易受到采样电压直流偏置的影响。为了解决这一问题，以电机本身作为参考模型，全阶状态观测器作为可调模型，对传统的模型参考自适应算法进行改进。
　　文章以船-桨负载模型作为船舶推进交流异步电机的负载模型，并对船-桨负载模型进行仿真分析。然后再对基于三电平逆变器的船舶推进电机控制系统进行仿真，观测在电机在运行过程中三电平逆变器输出端相电压和线电压的波形，以及直流侧中点电位波动情况。分析在转速变化的时，电机电流的变化验证矢量控制系统中调节器设计方法的准确性。最后对船舶推进异步电机的实测转子转速和估算转子转速进行对比，验证改进后的模型参考自适应方法的准确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 论文的主要内容

第2章 NPC三电平逆变器及空间矢量调制算法

2.1 NPC三电平逆变器的基本原理及数学模型

2.2 NPC三电平逆变器的控制要求

2.3 NPC三电平逆变器空间矢量调制算法研究

2.4 NPC三电平逆变器中点电位不平衡问题的研究

2.5 本章小结

第3章 推进异步电机数学模型及其矢量控制系统

3.2 异步电机的动态数学模型

3.3 异步电机坐标系及坐标变换理论

3.4 异步电机经坐标变换后的数学模型

3.5 推进电机转子磁链定向矢量控制系统调节器设计

3.6 本章小结

第4章 基于MRAS的船舶推进电机无速度传感器矢量控制

4.1 模型参考自适应算法的基本原理以及理论基础

4.2 基于转子磁链模型的参考自适应算法

4.3 基于全阶状态观测器的模型参考自适应算法

4.4 本章小结

第5章 基于三电平逆变器的船舶推进电机控制系统仿真研究

5.1 MATLAB仿真软件简介

5.2 船舶推进电机负载模型理论分析及仿真模型

5.3 三电平逆变器空间矢量调制算法仿真

5.4船舶推进异步电机无速度传感器矢量控制仿真

5.5 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文及科研成果

致谢