船舶电力推进仿真系统的设计与实现Word文件下载.doc

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2.2螺旋桨特性数学建模 １７

2.2.1螺旋桨的负载模型 １７

螺旋桨的扭矩特性 １９

3异步电机直接转矩控制系统 ２０

3.1直接转矩控制系统介绍 ２０

3.2直接转矩控制的基本概念 ２１

3.2.1.逆变器的开关状态 ２１

3.2.2逆变器的空间电压矢量 ２２

3.2.3.电压空间矢量与磁链的关系 ２３

3.2.4．电压空间矢量与电磁转矩的关系 ２４

3.3直接转矩控制系统的组成及工作原理 ２５

4船舶电力推进系统的Matlab/Simulink设计与实现 ３０

4.1Matlab/Simulink软件介绍 ３０

电力推进船舶系统仿真模型及组成 ３０

4.3仿真结果及讨论 ３４

5结论 ３７

致谢 ３８

参考文献 ３９

摘要

电力推进具有诸多的优越性，因此已成为现代船舶推进方式的发展方向。

但由于目前船舶电力推进系统的研究在国内仍处于初步阶段，在实际应用中还有许多问题，因此针对船舶电力推进系统进行建模与仿真研究具有重要的现实意义。

本课题对船舶电力推进系统进行了系统的研究。

本课题首先对船舶电力推进技术的发展和国内外研究与应用现状做了介绍；

以异步电动机作为研究对象，采用当今比较先进的直接转矩控制技术，完成了异步电机及其控制系统的数学建模，并应用Matlab软件Simulink仿真技术对电力推进及其控制系统进行了软件设计与仿真，给出了部分仿真结果，仿真试验验证了本课题的建模方法是可行的，数学模型能较好地反映实际系统的稳态和动态特性。

本论文的主要工作可以分为三部分：

首先根据异步电动机，螺旋桨的工作原理归纳出其数学模型，其次研究了直接转矩控制系统的基本组成及工作原理。

最后在Matlab软件中根据异步电机，螺旋桨数学模型和直接转矩控制规律构建了船舶电力推进系统的各部分的仿真模型，并得出仿真曲线。

虽然某些模型在构建上采用了简化处理，但所得仿真分析的结果表明整个电力推进系统的数学模型具有一定的精度，验证了直接转矩控制系统具有优良的控制效果。

能够较好的模仿实际系统的工作状态。

关键词：

船舶电力推进，异步电机；

数学建模；

直接转矩控制；

Matlab/Simulink仿真

Abstract

Theelectricpropulsionhasbecomethedevelopmentdirectionofthemarine

propulsionbyitssuperiorities，butatpresenttheresearchofsurfacevesselelectric

propulsionsystemindomesticisstillatthestartstage，andtherearemanyproblemsinthepracticeapplicationprogress，therefore，developthemodelandthesimulationofthemarineelectricpropulsionsystemisasignificantwork。

Thissubjecthasmadearesearchaboutthemarineelectricpropulsionincomputer.

Atfirst，Imakeaintroduceaboutthedevelopmentofmarineelectricpropulsiontechnologyandtheactualityresearchedbycivilandabroadresearchers.Thissubjectregardstheelectricpropulsionsystemwhichaapplyingthedirecttorquecontrolasynchronousmotorastheresearchobject.Onthebasisofsummingup,summarizingsystemicmathematicalmodal,thepaperemploythesoftwareMATLABtocarryonsimulationanalysistothesystem。

Theconcludesshowthatthemathematicalmodaliscorrectandwellreflecttherealsystem’scharacterics.

Thegroundworkcanbedividedthreeaspects.Firstly，thepaperhassummedupandsummarizedthemathematicalmodalofasynchronousmotorandpropelleraccordingtotheirworkprinciple，thenthepaperstudiesthebasiccomposesandprincipleofdirecttorquecontrolsystem.Atlast，accordingtothemathematicalmodalofasynchronous,propelleranddirecttorquecontrolrules，buildthesimulationmodalofmarineelectricalpropulsionsystemwithMATLABsoftwareandgettheconclusion.

Althoughsomesub-systemsimulationmodelisdealwithsimplywhentheyaresetup，buttheresultofsimulationandanalysesindicatethewholemarineelectricalpropulsionsimulationmodelhagoodprecisionandvalidatetheexcellentcontroleffectofdirecttorquecontrolsystem。

Itcanwellsimulatetheactualsystemworkingconductioninsomeways.

Keywords:

marineelectricalpropulsionasynchronousmotormathematicalmodalDTCMatlab/Simulinksimulation

1绪论

1.1船舶电力推进技术的发展历史

船舶电力推进系统的应用始于上世纪20年代，至今已有近100年的历史。

但长期以来，由于电力推进局限于齿轮传动，在功率提高上受到限制。

另外，我们知道电力推进可以采用直流电动机，也可以采用交流电动机。

采用直流电动机时，船舶的机动性能良好，但在维护保养方面，难度增加。

直流电动机的体积和重量也十分可观。

采用交流电动机时，由于交流电动机变速困难，使船舶机动性能变差，但维护保养简单，电动机的体积和重量较直流电动机也小得多。

由于这种种原因，电力推进一直局限于一些工程船舶上使用。

自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟，此时的船舶电力推进是基于晶闸管的整流和逆变原理实现的。

机动性、可靠性和运行效率等方面都有了突破性的发展。

使得船舶电力推进技术的应用领域不断扩大。

特别是最近几年随着吊舱式电力推进装置（PoddedPropulsionUnit）的开发及应用，使船舶采用电力推进的市场份额迅速增长，它已成功应用在豪华游轮、穿梭油轮，成品游轮，破冰船、化学品船、半潜船等船舶上。

电力推进已成为二十一世纪船舶推进的发展方向之一。

1.2船舶电力推进技术研究领域的国内外现状

1.2.1国外的应用与研究

电力推进从停滞期到目前的蓬勃发展得益于现代科技的飞速发展，特别是一些发达国家已经取得了很大的成就。

美国海军在1994年就提出了舰船综合全电力系统（IPS）的设计思想。

他们将船舶的电力系统和推进系统有机地组合为一个整体，全船能源系统由发电系统，推进系统，日常配电，区域配电和系统监控等多个子系统组成；

它采用模块化结构和区域配电方式，各类功能模块承担着本子系统的控制、运算、网络通讯等功能；

各个模块通过现场总线与中心计算机联网，实现能源的综合利用和统一管理。

这一技术的诞生可以说是船舶技术的一场革命。

同时也是民用船舶能源-动力系统发展的方向。

目前世界上以吊舱式电力推进器系统为主要发展方向，1990年，ABB芬兰分公司1.5MW的Azipod吊舱推进器运用于“SEILI”号航道工程船开创了吊舱式电力推进的先河。

此后，瑞典Kamewa公司和法国Alstom公司合作开发了Mermaid吊舱推进器，德国Schottel和Siemens公司研制成功Siemens-SchottelPropulsor（SSP）吊舱推进器，荷兰Wartsila（LIPS）公司和德国SAM电子公司发展了Dolphin吊舱推进器。

据统计，新建的客轮、渡轮与破冰船等约有30%左右采用电力推进。

2003年，日本Kawasaki重工集团推出了Podpeller吊舱推进器，法国DGN和美国EBC也都在加紧发展自己的吊舱推进器产品。

1.2.2国内的应用与研究

我国的电力推进技术还处于起步阶段，电力推进技术的应用并不广泛，使用的新产品和船型不多。

2002年12月17号，广船国际为中远广州公司建造的半潜船“泰安l”号正式交付使用。

该船采用6600V中压电力系统和两套SSP-5吊舱式电力推进系统代替传统的大型主柴油机、巨型舵叶，轻巧的螺旋桨可360度回转，使船舶能够在极小的回旋半径和范围内灵活操纵。

这是中国自己建造并投入营运的第一艘具有极高商业价值和广阔市场前景的海洋I-程大型特种船舶。

目前，‘白的姊妹船“康盛口”号也已经投入运行。

上海爱德华船厂‘已把额定功率为5.1MW的SSP推进器系统安装在由瑞典船东定购的‘帕劳斯佩拉”号化学品运输船。

由上海船舶研究设计院设计，江南重工建造的科学考察船将于2005年在南海运行，采用CompactAzipod推进系统，这是中国设计的第1条采用Azipod电力推进的船舶。

2006年10月，天津新港造船厂建造的我国首艘采用全电力推进系统的火车滚装船“中铁渤海轮渡一号”顺利交工，该船总吨位达到25000吨，这是我国自行设计、建造吨位最大的全电力推进船舶。

它的推进系统采用了两台4088KW的AZIPOD吊舱推进器，发电系统由四套MAK9M25 中速柴油机驱动的4台3000KW/6.6KV发电机组供电，推进变频器采用ABB公司的5200KVA大功率交流变频装置。

该船的建造，开创了我国在大吨位高性能船舶上成功运用全电力推进系统的先河，极具战略意义。

1.3课题的目的和意义

由于电力推进船舶具有如此优越的性能，在未来十五至二十后，全电力推进系统在民用远洋船舶的使用率有望从目前的10%跃升至50%左右。

传统的大功率低速柴油主机的市场份额将会大幅减少；

全电力推进系统，吊舱是推进器、采用高温超导技术的推进电动机和发电机等，将会成为未来船舶动力系统的发展方向。

但是目前我国在大功率船舶电力推进系统的产业化上还很薄弱。

因此我们有必要对电力推进做一些探讨与研究。

来推进我过船舶电力推进技术的发展。

为我国成为世界造船强国做出应有的贡献。

1.4课题主要研究内容

本课题是以直接转矩控制的异步电动机作为船舶推进电机为研究对象，归纳总结了异步电机的数学模型，同时对直接转矩控制系统的组成及工作原理做了研究与总结，再结合螺旋桨的数学模型，利用Matlab/simulink软件，搭建系统各部份仿真模型，进行仿真，并最终得到船舶电力推进系统直接转矩控制的性能曲线。

2船舶电力系统各部件建模

2.1三相异步电动机的数学模型

2.1.1A、B、C系统的电压、磁链和转矩方程

（1）电压方程

三相定子绕组的电压平衡方程为：

（2.1）

与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为：

（2.2）

式中

uA,uB,uC,ua,ub,uc—定子和转子相电压的瞬时值；

iA,iB,iC,ia,ib,ic—定子和转子相电流的瞬时值；

YA,YB,YC,Ya,Yb,Yc—各相绕组的全磁链；

Rs,Rr—定子和转子绕组电阻。

上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“’”均省略，以下同此。

将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p代替微分符号d/dt

（2.3）

或写成

（2.4）

（2）磁链方程

每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为：

（2.5）

或：

（2.6）

式中，L是6×

6电感矩阵，其中对角线元素LAA，LBB，LCC，Laa，Lbb，Lcc是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。

实际上，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：

一类是穿过气隙的相间互感磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。

定子漏感Lls——定子各相漏磁通所对应的电感，由于绕组的对称性，各相漏感值均相等；

转子漏感Llr——转子各相漏磁通所对应的电感。

定子互感Lms——与定子一相绕组交链的最大互感磁通；

转子互感Lmr——与转子一相绕组交链的最大互感磁通。

由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为

Lms=Lmr

对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子各相自感为：

（2.7）

转子各相自感为：

（2.8）三相绕组轴线彼此在空间的相位差是±

120°

，在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，互感值应为

（2.9）

于是有

（2.10）

（2.11）

定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变化，可分别表示为：

（2.12）

（2-13）

（2.14）

将式（2.7）~式（2.14）都代入式（2.5），即得完整的磁链方程，显然这个矩阵方程是比较复杂的，为了方便起见，可以将它写成分块矩阵的形式:

（2.15）

式中：

（3）转矩方程

根据机电能量转换原理,可得电机转矩方程为：

（2.16）

2．1．2坐标变换与变换矩阵

（1）3s/2s变换

图2-1三相静止A-B-C和两相静止坐标αβ坐标系

直流电机的模型简单且易于控制，如果可以将交流电机的物理模型等效的变为类似直流电机的模型，然后在模仿直流电机的模型去控制，就可以大大简化对电机的控制。

坐标变换就是按照这种思路进行的。

变换前后不同模型的等效原则是：

在不同坐标系下产生的磁动势相同，转换前后系统的功率不变，也即能量守恒。

在直流电机的物理模型中将电枢绕组所在的轴称做直轴或轴（directaxis）,定制绕组所在的轴称作q轴（quadratureaxis）。

交流电机通过三相对称的绕组A-B-C产生旋转磁动势F，它在空间成正弦分布，且以同步转速ω顺A-B-C相序旋转。

要产生旋转磁势两相、四相等任意多项绕组，通过多相平衡电流都可以产生。

其中以两相最为简单。

两相绕组的静止坐标轴αβ如图1所示，它们空间相差90°

。

在坐标变换中，我们将电流作为参考变量，在图1坐标系下，在磁动势等效和功率不变原则下，三相绕组磁动势在两相坐标下的投影为：

为方便求反变换。

设有一零轴磁动势：

写成矩阵形式有：

（2.17）

：

满足功率不变时有：

得：

所以三相坐标变换到两相及两相坐标到三相变换阵为：

（2.18）

（2）2s/2r变换

图2-2两相静止αβ坐标系和两相旋转坐标图

在电机运行中，磁动势势同步旋转的，在图中旋转坐标系以ω速度旋转，设某以时刻其与静止坐标系的角度为φ，同理可以得到，在两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换阵为：

（2.19）

（3）3s/2r变换

根据三相静止到两相静止和两相静止到两相同步坐标的变换可以得到三项静止ABC到任一两相旋转坐标系dq的变换,设d轴与a轴的角度为θ则有：

（2.20）（2.21）

上述坐标变换阵同时也是电机的磁链，电压，电感的坐标变换阵。

2．1．3异步电动机在两相坐标系上的模型

（1）磁链方程

利用式（2.20），（2.21）可得到d,q坐标下磁链方程式（具体变换方法参看文献4）

（2.22）

（2.22）式中

——dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；

——dq坐标系定子等效两相绕组的自感；

——dq坐标系转子等效两相绕组的自感。

（2）电压方程

同样可得到d,q坐标下电压方程式:

（2.23）

上式中：

ωdqs为dq0旋转坐标系相对定子的角速度。

ωdqr为dq0旋转坐标系相对转子的角速度

将磁链方程（2.22）代入式（2.23）得到dq0坐标系上电压—电流方程。

（2.24）

（3）转矩方程

利用反变换阵和可把ABC坐标系上的定、转子电流变换到坐标系，再代入式（2.16）的电机转矩方程中，经过简化，最后可得很简单的坐标系上的转矩方程：

（2.25）

由于实际中的异步电动机的电压和电流各量都是在静止坐标系中测量的，故在静止坐标系中来分析感应电动机的数学模型是十分有利的。

令=0，=-，α，β分别代替d,q代入式（2.22）则得到异步电动机在静止两相α，β坐标系中的电压方程：

（2.26）

由于定子磁链,故将其表示成α，β轴各分量形式：

写成矩阵形式则为：

（2.27）

由式（2.26）和式（2.27）可得以定子电流和定子磁链为状态变量的状态方程：

（2.28）

再结合式（2.24）可得电磁转矩方程为：

（2.29）运动方程为：

（2.30）

在式（2.26）—（2.30）中：

分别为定子电压、电流、磁链在α，β轴上的分量；

分别为转子电压、电流、磁链在α，β轴上的分量；

分别为定、转子绕组的电阻和电感；

Lm,σ为定、转子绕组之间的互感及漏感系数，；

J，分别为电机的转动惯量及极对数；

为转子角速度和时间常数，；

P为微分算子；

Te为电磁转矩；

TL为螺旋桨负载转矩。

2.2螺旋桨特性数学建模

2.2.1