船舶电力推进仿真装置及其关键技术的研究

论文摘要

针对船舶电力推进系统特点，以某船的电力推进系统为研究对象，提出了采用三相异步电动机构成推进和负载系统来仿真船舶电力推进系统的总体设计方案，建立了半物理仿真装置。该装置由推进变频器、推进电机、负载变频器、负载电机以及控制单元组成。推进变频器、推进电机和推进控制单元组成推进子系统，用于仿真推进电机的特性；负载变频器、负载电机和负载控制单元组成负载子系统。本文在分析了异步电机变频调速基本控制方式和异步电机电压、频率协调控制时的机械特性和变频调速PWM技术的基础上，对正弦波脉宽调制(SPWM)变压变频，准最优脉宽调制(HIPWM)变压变频，开关损耗最小脉宽调制PWM变频变压三种PWM技术进行仿真实验研究。在建立的推进电机实验驱动装置(应用德州仪器(TI)公司的产品TMS320F2407A作为逆变控制器)对SPWM变压变频和HIPWM变压变频进行验证。实验结果表明，采用HISPWM调制技术要比传统SPWM调制技术电压利用率提高了百分之二十以上。本文还提出了改进的级联型多电平逆变电路拓扑组合方式，充分利用GTO、IGCT、IEGT等开关器件耐压高和IGBT、MOSFET等开关器件开关速度快等优势，给出了适合于该种功率变换器拓扑结构的一种控制策略，进行了仿真研究。本文建立了基于SIMULINK船舶电力推进仿真模型，对船舶电力推进系统可能出现的部分故障类型进行仿真实验，尤其对逆变器故障进行了系统仿真研究，获得了在不同故障情况下的特征参数数据。本文提出一种新的基于分层的信息融合系统结构。系统中的局部信息融合采用基于决策距离的模糊推理方法，而全局信息融合则是采用基于专家模糊聚类分析方法。局部信息融合就是在进行全局信息融合之前，先对多传感器组中(要求传感器是同质的，且传感器观测的是同一个物理量)的测量数据进行融合处理，剔除每个采样点传感器组中不一致信息，保证被测物理量的可靠性。对基于决策距离的模糊推理方法局部信息融合，进行仿真实验，结果表明这方法是可行的，可靠的。全局信息融合控制是整个系统的核心，它主要包括模糊推理、聚类机、全局数据库、综合数据库。模糊推理用来接受局部信息融合的数据，在综合数据库和全局数据库的支持下，建立模糊相似矩阵，通过聚类分析就可以得到系统的诊断结果。仿真实验数据，作为动态模糊聚类样本，应用动态模糊聚类分析对船舶电力推进系统进行状态识别和故障诊断实验。实验结果表明该方法是可行的，可以应用于系统状态识别和故障诊断。本文在VB6.5集成开发环境下开发了进行串行通信的软件，转速的检测和数据处理软件，动态模糊聚类分析软件，并构建为船舶电力推进仿真系统实时监控系统。本文的工作得到了上海市教委科技基金和上海市教委重点学科的资助。

论文目录

第一章绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文主要研究内容及其贡献

1.3.1 船舶电力推进仿真装置的总体设计

1.3.2 螺旋桨负载仿真控制策略研究

1.3.3 脉宽调制技术在船舶电力推进仿真装置中的应用研究

1.3.4 逆变器故障和螺旋桨异常负载的仿真研究及其动态故障诊断

1.3.5 船舶电力推进仿真装置中的状态监控系统研究

第二章船舶电力推进实验仿真系统总体方案

2.1 船舶电力推进仿真装置总体设计方案

2.2 实验仿真系统硬件的选择

2.2.1 推进电机

2.2.2 负载电机

2.2.3 转速转矩传感器和TC-1ISA转矩转速采集卡

2.2.3.1 NJ型转矩转速传感器

2.2.3.2 TC-1ISA转矩转速测量卡

2.2.4 FX系列可编程控制器

2.3.5 开放式现场总线CC-Link

2.2.6 基于DSP电机驱动控制板

本章小节

第三章螺旋桨负载仿真控制策略研究

3.1 船舶螺旋桨负载仿真控制方案

3.2 实验仿真系统与实船电力推进系统转动惯量关系

3.3 船-桨数学模型建立

3.3.1 螺旋桨动力特性

3.3.2 螺旋桨倒车特性

3.3.3 螺旋桨反转特性模型

3.3.4 船-桨模型建立和计算流程

3.4 异步电机仿真螺旋桨负载的控制方案

3.5 螺旋桨动态特性仿真

本章小节

第四章脉宽调制技术在船舶电力推进仿真装置中的应用研究

4.1 正弦波脉宽调制（SPWM）变压变频

4.2 准最优脉宽调制（HIPWM）变压变频

4.3 开关损耗最小脉宽调制PWM变频变压

4.4 基于DSP的螺旋桨仿真电机SPWM控制

4.4.1 系统初始化

4.4.2 PWM相关寄存器初始化设置

4.4.3 HIPPWM产生程序

4.4.4 实验结果

4.5 多电平逆变器器及其控制策略

4.5.1 串级多电平逆变电路拓扑结构

4.5.2 改进的级联型多电平逆变电路拓扑结构

4.5.3 改进的级联型多电平逆变电路控制策略

本章小节

第五章逆变器故障和螺旋桨异常负载的仿真研究

5.1 船舶电力推进系统仿真模型

5.2 船舶电力推进系统正常运行状态

5.3 逆变器故障仿真

5.3.1 逆变开关器件S11开路

5.3.2 逆变开关器件S31短路

5.3.3 逆变开关器件S21和S31同时开路

5.3.4 逆变开关器件S11，S21和S31同时开路

5.4 螺旋桨异常故障仿真

本章小节

第六章动态故障诊断技术在船舶船舶电力推进系统中的应用研究

6.1 多传感器信息融合的一般模式

6.2 分层信息融合系统总体结构

6.2.1 局部信息融合

6.2.1.1 局部信息融合方法

6.2.1.2 局部信息融合实验仿真

6.2.2 全局信息融合

6.2.2.1 样本数据的标准化变换

6.2.2.2 模糊相似矩阵的建立

6.2.2.3 聚类分析

6.2.2.4 动态模糊聚类分析程序设计

6.2.2.5 全局信息融合仿真实验结果

本章小节

第七章数据采集和数据通信技术船舶电力推进装置中的应用研究

7.1 船舶电力推进仿真系统转速的检测

7.1.1 基于PLC船舶电力推进仿真系统转速的检测

7.1.2 基于DSP船舶电力推进仿真系统转速的检测

7.2 船舶电力推进仿真系统串行通信的程序设计

7.2.1 串行通信初始化的程序的设计

7.2.1.1 在计算机中串口初始化

7.2.1.2 在PLC中串行通信初始化

7.2.1.3 变频器（FR-A540-0.75K-CH）串行通信初始化

7.2.1.4 DSP（TMS320LF2407A）串行通信初始化

7.2.2 串行通信的程序设计

7.2.2.1 上位机PC与下位机（PLC）串行通信的程序设计

7.2.2.2 上位机PC与下位机（变频器FR-A540-0.75K-CH）串行通信的程序设计

7.2.2.3 上位机PC与下位机DSP（DSP（TMS320LF2407A））串行通信的程序设计

7.3 CC-Link开放式现场总线数据链路和数据通信程序设计

7.3.1 CC-Link开放式现场总线数据链路建立

7.3.2 主站与远程设备站的通信程序

7.4 船舶电力推进仿真系统人机接口（HMI）设计

本章小节

第八章结论

8.1 本文工作结论

8.2 进一步研究的方向

致谢

参考文献

本人取得的相关成果

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