开关磁阻电机在船舶电力推进中的应用研究

摘要

近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论及信息技术的迅猛发展，船舶电力推进在民船、商船乃至军用船舶上面都得到了空前的发展。而开关磁阻电机(SRM)具有结构简单、成本低、控制灵活等优点，将其应用于船舶电力推进系统中有着重要的意义。论文研究目的在于根据螺旋桨对推进电动机的特性要求和SRM的性能特点，将SRM作为螺旋桨的推进电机应用到船舶电力推进中，并就此应用过程中存在的问题进行详细的研究，为实际应用提供理论依据。
　　 首先针对开关磁阻电机模型的非线性、强耦合的特点，提出将遗传算法(GA)和模糊神经网络(ANFIS)相结合的方法，建立SRM的电感和转矩模型。仿真结果表明，所建模型相比于其他SRM建模方法具有更快的收敛速度，精度和泛化能力也得到了改进。将该模型应用到SRM的控制系统仿真中，通过与实际控制系统进行对比，两者结果基本一致，证明了建模方法的正确性。
　　 其次针对螺旋桨图谱建模比较复杂的缺点，采用回归算法进行螺旋桨的推力和扭矩计算的方法，在Matlab/Simulink环境下建立了船桨的模型，为整个系统的仿真打下了基础。
　　 然后对SRM的功率变换器的拓扑结构进行了研究，分析了各种拓扑结构的工作原理及特点。针对半桥式功率变换器拓扑结构，提出了将智能功率模块IPM应用到主电路中的方法，并从理论、仿真和实践三个方面验证了其可行性。
　　 另外为减小开关磁阻电机的转矩脉动，论文借鉴交流感应电机的直接瞬时转矩控制方法，将此理论引入到SRM的控制策略中，并通过分析基本电压矢量控制下转矩失控的原因，提出了一种通过新增空间电压矢量优化直接转矩控制的新方案，同时搭建了硬件平台进行验证。仿真和实验证明，新方案实现了转矩脉动的最小化，有效的抑制了转矩脉动。
　　 最后，建立了系统仿真模型，进行了船舶启动、停止和倒车过程典型工况的仿真，对各种工况下对推进电机的要求进行了分析，为实船操作提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第1章 绪论

1.1 船舶电力推进概述

1.1.1 电力推进船舶及其特点

1.1.2 电力推进装置的组成和分类

1.1.3 螺旋桨对推进电动机机械特性的要求

1.2 开关磁阻电机调速系统的发展概况

1.2.1 SR电机的工作原理

1.2.2 SR电机运行特性及特点

1.2.3 SRD系统的发展研究概况

1.3 SR电机用到电力推进中的可行性分析

1.4 本文主要内容及章节按排

第2章 基于GA-ANFIS的SR电机建模

2.1 引言

2.2 开关磁阻电机的数学模型

2.2.1 SR电机的基本方程式

2.2.2 开关磁阻电机的线性化模型分析

2.3 自适应网络模糊推理系统

2.3.1 T-S型模糊推理

2.3.2 ANFIS的网络结构

2.4 GA混合学习算法

2.4.1 混合学习算法

2.4.2 遗传算法

2.4.3 GA混合学习算法

2.5 基于GA-ANFIS的SR电机建模

2.5.1 电感转矩模型的训练

2.5.2 系统仿真

2.6 本章小结

第3章 螺旋桨建模研究

3.1 引言

3.2 螺旋桨特性分析

3.2.1 螺旋桨的重要参数

3.2.2 螺旋桨特性

3.3 螺旋桨的数学模型

3.3.1 螺旋桨的推力和转矩

3.3.2 螺旋桨与船体的相互作用

3.3.3 进速比

3.3.4 船舶阻力特性

3.3.5 回归算法计算螺旋桨推力和转矩

3.4 船桨模型的搭建

3.4.1 螺旋桨数学模型框图

3.4.2 仿真软件Matlab/Simulink建模

3.5 本章小结

第4章 功率变换器拓扑结构研究

4.1 引言

4.2 常用的功率变换器主电路拓扑结构

4.2.1 半桥式

4.2.2 电容储能式

4.2.3 电感储能式

4.2.4 能耗式

4.2.5 软开关式

4.3 主开关器件选择

4.3.1 开关器件综述

4.3.2 IPM结构原理图

4.4 基于IPM的主电路设计

4.4.1 半桥式电路拓扑工作原理

4.4.2 基于IPM的半桥式电路设计

4.5 仿真分析

4.6 实验结果

4.7 本章小结

第5章 开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制

5.1 引言

5.2 DITC的基本原理

5.3 SRM的DITC原理

5.4 SRM的DITC的实现

5.4.1 SRM的DITC的系统框图

5.4.2 基本电压矢量的构建

5.4.3 空间电压矢量的优化

5.4.4 转矩滞环控制器

5.4.5 扇区判断

5.5 仿真分析

5.5.1 仿真模型

5.5.2 仿真结果及分析

5.6 DITC系统控制器硬件设计

5.7 DITC系统软件设计

5.8 实验结果

5.9 本章小结

第6章 系统仿真

6.1 系统分析

6.2 系统仿真模型的建立

6.2.1 SRM模型单元

6.2.2 螺旋桨模型单元

6.2.3 驱动及控制模型单元

6.2.4 系统仿真图

6.3 典型工况仿真

6.3.1 启航

6.3.2 停车

6.3.3 倒车

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录硬件实物照片

攻读学位期间发表的论文

致谢