船用主海水泵的变频控制与系统的节能研究

摘要

由于传统的船舶冷却水系统中的主海水泵长期工作在工频下会导致能耗过高，本文以船舶主海水泵为研究对象，对主海水系统、主机热负荷、管路以及相关设备进行了深入分析和研究，并在此基础上建立主机负荷、冷却器、海水泵以及管路间的热负荷关系模型，并以此热负荷为需求得到海水泵实际所需流量及转速，设计了基于直接转矩控制的海水泵变频控制系统，并进行仿真验证和软件设计，最后对系统进行节能研究与分析。
　　论文工作主要分为四部分:首先根据主机负荷和海水温度的变化建立由主机到冷却器、管路以及海水泵的热负荷模型，根据不同的主机负荷以及海水温度的变化，得到海水泵实际所需的转速和流量。
　　然后对海水泵电机模型进行分析，通过坐标变换，建立了在两相静止坐标下异步电机数学模型，以及直接转矩控制系统的仿真模型，包括磁链及转矩观测模型、磁链及转矩滞环调节模型、磁链区段判断模型、电压矢量选择模型以及速度调节器模型。在保证满足系统冷却量所需热负荷的前提下，根据不同的主机负荷和不同的海水温度来调节海水泵转速，实现主海水泵的变频控制，并运用MATLAB/Simulink软件对整个系统进行仿真建模与验证。
　　然后，以Visual Studio2010为开发平台，基于C＃语言开发系统仿真软件，该软件可以在不同模式下，主海水泵可根据系统的冷却需求，手动或自动启停主海水泵和其他设备，并实时监测温度、转速、流量等重要参数。
　　最后，对不同条件下的仿真结果进行节能计算与研究，结果表明，基于直接转矩控制的船用主海水泵的变频控制有着良好的转速、转矩动态响应，并且克服了传统主海水泵只能工作在工频的耗能模式下，有效节省了冷却水系统中能源消耗，从而向绿色船舶、节能船舶迈出了实质性的一步。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 主海水泵变频技术综述

1．2．1 变频调速技术

1．2．2 水泵调速节能分析

1．3 国内外研究现状

1．4 主要研究内容

第2章 主海水系统的数学模型

2．1 船舶冷却系统概述

2．2 整机热平衡计算

2．3 主机缸套冷却换热模型

2．3 板式冷却器的热计算

2．3．1 热计算的基本方程式

2．3．2 板式换热器的热计算方法

2．3．3 传热有效度-传热单元数法

2．4 管道水力计算

2．5 变频海水泵转速计算

2．6 本章小结

第3章 直接转矩控制系统原理及数学模型

3．1 异步电机的数学模型

3．1．1 坐标变换

3．1．2 两相静止坐标下的数学模型

3．2 逆变器的开关及电压状态

3．3 电压空间矢量的含义

3．4 电压空间矢量对磁链及转矩的影响

3．5 异步电机直接转矩控制

3．5．1 磁链、转矩观测模型

3．5．2 转矩和磁链的调节模型

3．5．3 磁链区间判断及电压矢量选择

3．6 本章小结

第4章 船舶主海水系统的仿真研究及分析

4．1 simulink仿真模型的建立

4．1．1 变频泵转速计算仿真实现

4．1．2 电机直接转矩控制的仿真实现

4．2 系统仿真结果分析

4．2．1 变频泵转速计算仿真结果分析

4．2．2 直接转矩控制仿真结果分析

4．3 可视化仿真软件设计

4．3．1 软件开发工具

4．3．2 可视化界面设计

4．3．3 程序体系结构设计

4．3．4 程序控件开发

4．3．5 软件程序设计

4．4 本章小结

第5章 系统节能研究与分析

5．1 节能分析与计算

5．2 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历