船舶电力推进系统中无速度传感器DTC研究

论文摘要

近几十年来,随着电力电子技术的发展和大功率交流电机变频调速技术的日趋成熟,电力推进技术在民用和军用船舶上逐渐显示出其优越性,成为未来船舶动力装置的发展方向。其中,以数字信号处理技术为基础、以永磁同步电机为推进电机、采用高性能控制策略如矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器等控制的全数字化电力推进船舶更是显示出广阔的应用前景。当前国内对船舶电力推进技术的研究还处于起步阶段,深入开展这方面的建模和仿真,对促进我国船舶电力推进系统的理论研究与产品开发具有重要的现实意义。本文首先分析了电力推进系统的结构及其较传统推进系统具有的优缺点,并在研究螺旋桨推力、扭矩无因次系数的曲线拟合的基础上建立了船桨的仿真模型。其次,分析了永磁同步电机直接转矩控制的原理,针对常规直接转矩控制存在开关频率不固定、转矩脉动较大的缺陷,结合直接转矩控制的优点,采用了一种磁链误差观测基础上的直接转矩控制空间矢量调制（SVM-DTC）方法。它主要基于空间矢量控制能够实现电压空间矢量的连续调节的原理。仿真与实验结果证明,SVM-DTC既保持了直接转矩控制的快速动态响应特性,又有效减小了转矩的脉动,极大地提高了系统的控制性能。再次,本文还对无速度传感器控制方法中的电机基本方程法和模型参考自适应法两种速度辨识方案进行了建模仿真。在分析二者优缺点的基础上,提出了一种复合转速估计法,仿真结果表明该辨识方案既具有电机的基本方程法动态性能较好的特点,也具有模型参考自适应法转速估计精确的特点。最后,将船桨模型、推进电机控制模型结合起来,建立船舶综合电力推进系统模型,仿真了从静止加速到全航速和三级启动的动态过程。本文开展了以永磁同步电机为推进电机的船舶电力推进系统的探索性研究工作。通过理论分析和计算机仿真积累了一些经验,为课题的后续深入研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 课题的国内外发展研究现状
• 1.2.1 船舶电力推进技术国内外发展状况
• 1.2.2 电力推进中的建模与仿真研究
• 1.3 本文主要内容及工作
• 第2章 电力推进中船桨数学建模
• 2.1 典型电力推进系统组成
• 2.1.1 推进子系统的组成
• 2.1.2 电力推进相关支撑技术
• 2.2 船桨数学模型
• 2.2.1 螺旋桨动力特性
• 2.2.2 螺旋桨倒车特性
• 2.2.3 螺旋桨反转特性
• 2.2.4 船体与螺旋桨的相互影响
• 2.2.5 船体的阻力特性
• 2.3 船桨的仿真建模
• 2.3.1 船桨的仿真建模流程
• 2.3.2 船桨仿真模型的搭建
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于 SVM-DTC的永磁电机仿真研究
• 3.1 永磁同步电机及其数学模型
• 3.2 SVM-DTC理论分析
• 3.2.1 DTC基本思想
• 3.2.2 DTC存在问题及优化方法
• 3.2.3 空间矢量调制（SVPWM）原理
• 3.3 SVM-DTC仿真
• 3.3.1 仿真模型
• 3.3.2 子模块搭建
• 3.3.3 仿真结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 电机方程法和 MRAS结合的复合转速辨识研究
• 4.1 无速度传感器控制方法
• 4.2 电机方程基础上的直接计算法
• 4.3 模型参考自适应系统法（MRAS）
• 4.3.1 MRAS基本原理
• 4.3.2 永磁同步电机 MRAS转速辨识算法
• 4.3.3 复合转速辨识算法
• 4.3.4 转子初始位置的检测
• 4.4 无速度传感器仿真
• 4.4.1 复合算法的 Matlab仿真模型
• 4.4.2 仿真模型主功能模块搭建
• 4.4.3 仿真试验及分析
• 第5章 船桨一体动态仿真与分析
• 5.1 电力推进各环节数学建模分析
• 5.2 综合电力推进系统仿真模型
• 5.3 仿真验证与分析
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历