基于船舶电力推进系统直接转矩控制技术研究

摘要

基于船舶电力推进系统直接转矩控制技术研究，以大容量、大转动惯量系统为研究对象，以直接转矩控制理论为基本控制原理，以解决应用于交流电力推进船舶的推进电机控制技术为目的开展了系统研究，为完善和改进目前船舶电力推进系统中存在的问题，掌握电力推进控制系统控制技术，并逐步实现国产化提供理论依据和实践经验。
　　 本文首先对船舶电力推进系统的发展历史和应用现状进行了详细的阐述，并对直接转矩控制技术的发展过程、存在的问题以及目前的研究热点和现状等方面进行了系统描述和研究，从而找出直接转矩控制技术在应用于船舶电力推进系统时的特殊需求，探索适用于船舶电力推进系统的直接转矩控制技术的完善与改进方向。
　　 其次，在建立基本直接转矩控制系统模型的基础上，提出了转矩脉动分析指标，并对输出转矩脉动成因进行了系统分析。以此为出发点，探索减小电磁转矩脉动的改进控制策略。
　　 之后，对零电压矢量在直接转矩中的调节作用以对比分析和定性分析加定量分析计算的方式进行了系统研究，给出了零电压矢量的作用效果与其它相关控制变量的定量关系，为零电压矢量的合理使用提供了理论依据。在此基础上，提出了电压矢量控制扇区12扇区划分的理论和预置区域的零电压矢量插值算法，不需增加主控回路功率器件，解决零电压矢量施加效果的不可预知问题，发挥其对转矩的“独特”调节作用，减小电磁转矩脉动，为大容量、大转动惯量系统实现推进电机加速控制提供控制思想。
　　 通过各控制变量空间矢量关系的数学分析，提出了直接转矩控制预测算法，设计了一个磁链幅值预测单元，提供了磁链幅值增量计算公式和电磁转矩定量预算公式，为直接转矩预测控制技术研究提供理论基础。
　　 通过α角对电压矢量调节作用影响的定性与定量分析，并结合船舶电力推进系统的自身特点与工况要求，以及直接转矩常规控制策略面对大容量、大转动惯量系统所暴露出的问题，系统分析了转矩调节不对称性的成因，探求转矩调节不对称性本质，为在特定的工况时，合理的利用转矩调节的不对称性，对提高控制系统的动态响应速度、保证DTC系统的动态性能和静态调节精度提供理论依据。
　　 最后，针对船舶电力推进系统，在不增加任何外部硬件设备的前提下，基于零电压矢量作用效果的研究结果、“十二扇区划分”、“零电压矢量插值算法”、转矩调节不对称性分析的结论等，设计了“船舶电力推进直接转矩控制自适应控制系统”，并经过与实船测试数据的对比分析，验证其有效性。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第1章 绪论

1.1 船舶电力推进系统概述

1.1.1 船舶电力推进技术发展历程

1.1.2 船舶电力推进系统的应用

1.1.3 电力推进系统的优点

1.1.4 电力推进系统的缺点

1.2 船舶电力推进系统构成

1.3 直接转矩控制技术概述

1.3.1 直接转矩控制技术的研究现状

1.3.2 直接转矩控制需解决的问题

1.4 本文的研究内容与贡献

第2章 基于永磁同步电机船舶推进装置研究

2.1 永磁电机的发展历史

2.2 关于永磁材料

2.2.1 铝镍钴永磁材料

2.2.2 铁氧体永磁材料

2.2.3 稀土永磁材料

2.3 永磁同步电动机的结构

2.3.1 稀土永磁同步电动机的特点

2.3.2 表面式转子结构

2.3.3 内置式转子结构

2.4 基于永磁电机的船舶电力推进装置

2.5 关于Pod吊舱

2.5.1 概述

2.5.2 Azipod电力推进系统的构成

2.5.3 SSP电力推进系统概述

2.6 永磁同步电力推进系统优点

第3章 永磁同步电机直接转矩控制基本理论及控制方案

3.1 永磁同步电机的数学模型

3.1.1 永磁同步电机在三相定子坐标系下的数学模型

3.1.2 永磁同步电机在两相定子坐标系下的数学模型

3.1.3 永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型

3.2 直接转矩控制基础理论研究

3.2.1 引言

3.2.2 逆变器的8种开关状态

3.2.3 电压空间矢量

3.2.4 定子磁链观测

3.2.5 定子磁链控制策略

3.2.6 转矩估算

3.3 永磁同步电机直接转矩控制系统构成

3.3.1 系统基本结构

3.3.2 电流变换

3.3.3 VD、VQ计算

3.3.4 定子磁链幅值调节

3.3.5 转矩调节

3.3.6 控制扇区判断

3.3.7 电压矢量控制策略

3.3.8 仿真测试结果

3.4 永磁同步电机直接转矩控制系统数字化实现

3.4.1 DSP控制单元

3.4.2 逆变电路

3.4.3 定子电流、母线电压检测

3.4.4 制动电阻值的确定

3.4.5 电机转速检测

3.4.6 PI控制器的数字实现

3.4.7 控制软件设计和实现

第4章 直接转矩控制系统低转矩脉动控制技术研究

4.1 问题的提出

4.2 直接转矩控制系统转矩脉动因素分析

4.2.1 转矩脉动分析指标与转矩脉动检测技术研究

4.2.2 转矩脉动因素分析

4.3 零电压矢量对电磁转矩调节作用研究

4.3.1 引言

4.3.2 零电压矢量对电磁转矩调节作用研究

4.3.3 转矩角与转速对零矢量施加效果的影响

4.4 直接转矩控制系统低速性能分析

4.4.1 引言

4.4.2 低速性能分析

4.4.3 低速控制方案研究

4.5 零电压矢量对系统作用效果研究

4.5.1 常规控制策略零电压矢量对系统的作用

4.5.2 影响零电压矢量作用效果因素分析

4.6 减小转矩脉动控制策略研究

4.6.1 零矢量区域插值法研究

4.6.2 零矢量区域插值法的作用效果

4.7 直接转矩控制预测算法探讨

4.7.1 引言

4.7.2 定子磁链预测算法研究

4.7.3 电磁转矩预测算法研究

4.7.4 直接转矩控制预测算法控制流程

第5章 船舶电力推进系统直接转矩控制技术研究

5.1 船舶电力推进系统电力推进器的控制技术特点

5.2 常规控制策略存在的问题

5.3 α角对电压矢量调节作用的影响

5.3.1 α角对电压矢量调节性质的影响

5.3.2 α角对电压矢量调节效果的影响

5.3.3 关于转矩调节不对称性的讨论

第6章 船舶电力推进系统直接转矩自适应控制策略研究

6.1 基于十二扇区划分的控制策略研究

6.1.1 转矩均衡调节控制策略

6.1.2 转矩正向调节控制策略

6.1.3 转矩负向调节控制策略

6.1.4 转矩均衡调节控制策略的改进

6.2 船舶电力推进自适应控制系统研究

6.2.1 船舶运动控制对推进系统的要求

6.2.2 电力推进自适应控制系统设计思路分析

6.2.3 电力推进自适应控制系统设计

6.3 测试验证

6.3.1 自适应控制系统运行的总体状况

6.3.2 电磁转矩脉动的改善

6.3.3 转速跟踪性能

6.3.4 电磁制动性能

6.4 小结

结论

参考文献

附录 符号说明

攻读学位期间公开发表论文

致谢