（电力电子与电力传动专业论文）吊舱推进器中同步电机直接转矩控制的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s 仃a c t p o dp r o p u l s i o ni san e ws o r to fe l e c t r i cp r o p u l s i o n i n t e m a t i o n a ls h i p b u i l d i n g a n ds h i p p i n gg r o u ph a sa t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ot h i sm o d e o n l yi nr e c e n t y e a r s ，t h er e s e a r c ha b o u tp o dp r o p u l s i o ni sd e v e l o p e di nc h i n a b u tw eh a v e m a d es o m ep r o g r e s sa n dw ea s s u r et h a tp o dp r o p u l s i o nh a saw i d ef o r e g r o u n d i n t h i sp a p e r , t h es t r u c t u r eo fp o de l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ec o m p a r e dw i 也g e n e r a lp r o p u l s i o ni sa n a l y z e d t h e m a t hm o d e lo fs h i p ，p r o p e l l e ra n dm a c h i n ei ss e tu pa n da n a l y z et h ei n t e r a c t i o n a m o n gt h et h r e ep a r t sc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fp o d p o de l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e md r i v e nb yp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) i sa l s o s i m u l a t e db y c o m p u t e n c o m p a r e dg e n e r a lm o t o r , p m s mi ss m a l l e r , l i g h t e ra n dm o l le f f i c i e n t ，s oi t s s u i t a b l ef o rp o de l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m a tp r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l ，p m s mh a sb e e nan o r m a lc o n f i g u r a t i o nf o rn e wp o d t h r u s t e r s i nt h ep a s t ，v e c t o rc o n t r o l ( v c ) m e t h o di su s u a l l ya p p l i e di np m s m d r i v es y s t e m s b u tt h ea r i t h m e t i co fv ci st o oc o m p l e x ，a n dt h e c o n t r o l p e r f o r m a n c e i se a s i l ya f f e c t e db yp a r a m e t e r s d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i san e w k i n do fa ct i m i n gm e t h o da f t e rv c d t ch a ss i m p l es t r u c t u r ea n df a s tt o r q u e r e s p o n s e i th a sb e e na p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s i ti sa l s oi n t r o d u c e di ns o m ep o d p r o p u l s i o ns y s t e m sr e c e n t l y i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fd t c i si n t r o d u c e d ， s o m ee l e m e n t a r yp r o b l e m so fp m s md t ci sa l s oa n a l y z e d e x c u r s i o no fs t a t o r f l u xa n dt h ec o m p e n s a t o r ym e t h o di si n t r o d u c e d t h ef u n c t i o na n dc o n f i g u r a t i o n o fs u b - m o d e l so fp m s md t c s y s t e mi sd i s c u s s e d , t h es c h e m eo ft h i ss y s t e mi s b r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h es i m u l a t i n gm o d e lb a s e do bm a t l a b s i m u l i n ki ss e tu p t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e m a tl a s t ，t h e p r o b l e mo fp m s md r i v es y s t e mw i t h o u tm e c h a n i c a ls c u s o ri s d i s c u s s e d a s e n s o r l e s sm e t h o db a s e do ns t a t o rf l u xi sp r e s e n t e d , a n dt h er e s u l to ft h i sm e t h o d i ss i m u l a t e db yc o m p u t e r , t h er e s u l ti sv e r ya c c u r a t et os o m ee x t e n t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s o m ee x p l o r i n gr e s e a r c ho np o dp r o p l l l s i o na n dp m s md t cs y s t e mh a s b e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r s o m es i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w nb y a c a d e m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n n l i sp a d e ri st h eb a s eo ff u r t h e rr e s e a r c ha b o u t t h i ss u b j e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i cp r o p u l s i o n ；p o d ；p m s m ；d t c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，曲作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：掘监丝 日期：1 口臼e 年1 月口日 咯尔滨工程大学硕士学位论文 j j 日幂i i ；# 篁i i j _ i i j i t i i i 鞘i o 常i 掌赫# i ；黼 第1 章绪论 1 1 课越来源、背豢及箕意义 电力掺进是一种先进的船舶推进方式，是米米舰船秘力装置蛇主要发展 方向，所以有必簧对耀关阏题进行深入研究。魄力推进系统蛇工佟原理稷麓 单：由原动机带动发电机，发电机为电动机提供电能，褥由电动机带动螺旋 桨。与传统方式襁阮，电力稚遂育诲多显著静优煮，魏拖动特性好，揉级灵 懑；电站冗余大，可纛性巍；噪声葶爨振动小。零期豹电力攫溅系绫一般癍髑 在破冰船，潜艇麓特耪船嬲上，髓卷电力电子嚣 孛鞫交滚调逶技零载发屣， 船舶电力摊进系统在可靠性、运行效率和推进功率等方酾有了大幅度提高， 应爝范溺穗不断扩大n ，。 1 9 拳，a b b 嚣￥国撑嚣家公翊荚弱嚣发滋耱全凝黪魄力捺遴系统一 一吊熬妓电力推避系统。窀款基本愚想是把握避电枫和螺旋桨壹按耀遣，铡 成一个独立的推进模块，并置予船体底部的流线型吊舱内，该推进模块可以 3 6 0 8 求平旋转，邋过瓣推避的方位角进行控稍和诫节，可戳程各个方向上产 玺箍力，嗣藏省去了谶常後丽静舵释轴系，穰大遗挺赢了耱虢设诗、建造帮 运行的爱溪性u “m 。 1 。2 带舱推进器的发淹秘现状 电力推进是一秽蠢老的船舶攘进方式，从1 8 3 8 冬第一艘壤动实验船诞璧 以来，融有一百多年的历史，同时它又是一种体现港代科技水平的先进的般 舶雒避方式。 2 0 鬣纪镪至2 0 畿鳃4 0 年代瀚闯，尽管大功率蒸汽轮枫作为船舶推进渤力 的技术融经艘熟，但由于当时枧械热工水平和擞产力戆不足，隈制了蒸汽 轮机摆逃方妓的广泛墩用，因丽瞧力推进保持麓一棱独秀的态势，处于广泛 应厢的流行期。猩此期间，从民用的客轮、货轮、油轮到军用的护卫舰、航 袷尔挨工程大学硕士学位论冀 空母艇，多数采恁瞧力接遴方式。 2 0 世纪4 0 年代束，由于机械加工技术的进步，特别魁对齿轮传动装鬣的 热工鼹力褥到提高，为蒸汽轮机搬进方式奠定了嶷好的技零基础。再如上柴 油机自1 8 9 6 年问世以来，经过不断的完善提高，融显示出它强大的生命力。 与此同时，由于嗽机制造技术和调速技术灼限制，电力攥避技术朱链褥到摆 应的改善和提高 相比之下，电力推进装辫显示出庞大笨霪，效率低、成本 商镣许多不足，从碗失去了船舶动力市场的主导媳位。因此，不谂是军用的 航船，还感民用的客轮、赞轮，大多采用蒸汽轮机、柴油机等推进方式。在 此后的若干年里，柴油机逐步登上船舶动力市场霸主的宝庭。尽镣如此，电 力雅迸所特有的噪声低、机动健熊好等优点还是被人们所蓬视，嘏力推避在 潜艇、破冰船、撒轮、消磁船、拖网船等舰船上述是德到较广泛的应用。 2 0 世纪6 0 年代戳来，囱予大功率交流技术的发展，集成电路、电子调节 器的广泛使用和自动控制技术的进一步发展，为搬广电力推进技术奠定了相 应豹基穑。 进入8 0 年代后，舰船电力推进的应用情况发生根本的变化。备国对舰船 戆健能，懿零纛秘作藏能力、客赞轮静舒逡健、搽缴性等豹要求逑步提离， 刺激着寻找适用的推进方式这一需求的增长；与此同时，交流电机调速技术 薅麓臻率激子嚣搏释各释满速变按器技术瓣进步，瞧墩褥了重大瓣突破。毙 瓦级以上的各种交流电机交换器的应用获得成功，使电力推进作为大功率舰 船鲢动力成为胃麓。这静鞭熬懿零场需求牵萼| 饔强劲静工程技术支持，有力 地促进了舰船电力推进的广泛应用，1 9 8 5 年以后交流电力推进的熙船大量涌 瑰。 1 9 9 0 年以后，吊舱式电力推进系统的出现使船舶电力推进进入了个新 戆发展玲段。暴舱式电力捺送是一秘全瑟戆毫力攘遴方式，麸出瑗至今只窍 十几年的时间，但愿发展棚当迅速，现已投入商业运行。作为最早的吊舱式 接避器，a b b 公司驰a z i p o d 系统鼹占枣场给额最大，透年寒a l s t o m 、s i e m e n s 和s t n a r i a s 等公司也陆续摊出自己的产品，m e r m a i d 、d o l p h i n 和s s p 是其中 最舆代表懂的三转”1 。暴熬式接进蓉绞主要应用予大型寥船、淫船、集装耱 船和一些特种工程船。由予装备吊舱系统的船舶具有噪声和振动小的优点， 船员和旅客感觉舒逡，特别逶会予客船，掰以曩裁装备最多戆还是大型豪华 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 游轮。尽管吊舱式推进系统的一次性投资成本较高，但是运行和维护费用低， 再加上自身具有众多优点，所以国外许多新建船舶都在考虑使用该系统，吊 舱式推进系统必将逐步成为未来电力推进船的标准配置“。 1 3 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出异步电机直接转矩控 制理论，它不需要解耦电机数学模型，强调对电机转矩进行直接控制，在很 大程度上克服了矢量控制计算复杂和易受转子参数变化影响的缺点，它的控 制结构简单，转矩响应迅速，鲁棒性增强，控制性能优良，控制思路新颖， 受到人们的广泛关注。 直接转矩控制技术是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在 定子坐标系下分析电动机的数学模型，计算与控制电动机的磁链和转矩，采 用离散的两点式调节器( b a n d - b a n d 控制) ，把转矩检测值与转矩给定值作比 较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制， 并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高 动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简 化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比 较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量控制 复杂的坐标变换与电动机数学模型的化简，没有通常的p w m 脉宽调制信号 发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转 矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式“。 1 3 1 异步电机的直接转矩控制 直接转矩控制技术首先应用于异步电机，原理是由转矩和磁链滞环控制 器的输出和定子磁链的空间位置作为条件来选择合适的电压空间矢量，实现 对转矩的快速调节。 哈尔滨工襁大学硕士学位论文 。3 。2 寐磁同步戆冁豹盏接转矩控割 永磁同步电机的赢接转矩控制和异步电机稀一定区别。酋先，在永磁同 步电耄逢的盔接转矩控截孛，转予鹣拐始健里必绥颈先溅量以便予定子磁镳秘 始值的诗算以利于龟机的起动，这在异步电机赢接转矩控制中并不需要。另 外，永磁同步电机在控制过程中必须控制转矩缃的范围以免超过最大允许值 而导致嗽机失步。 零魄瘫矢量在嚣个系统孛麴终惩遣不弱。农舞步毫辊孛，定子磁穗哭决 定于定予电压。因此肖施加零电聪矢量时，定予磁链矢量将保持原位置不幼 而且不产生任何转矩，电机转矩迅速减小，因此零矢量在异步电机直接转矩 控制中耀手减奎电橇转矩，使褥瞧氍定子磁镶必塞懿运行程藏遘彝婷顿交赣 的状态。但是在永磁瀚步电机中，定子磁链同时决定于定子电压和转子永磁 磁链。既然永磁磁链矢星随转子时刻在旋转，因此即使施加零电压矢量，定 子磁链依然存在，寇予磁链矢量依旧运动。所以施加零电篷矢量不一定会使 采磁强参奄税戆转楚快速减小”。 由于异步电机盥按转矩控制遴论是建立在对电机转差角频率控制的理论 基础上的，而同步电机和异步电机运行机理有酱本质差别，同步电机从宏观 上来讲不存在这耱毫撬辩转差建频率。因蘧，纛搂转矩控螽l 技术应怒予嚣疹 电机串蓠先需要解决蔟控制的理论阉题，多年亭l 乏直接转矩控铷在同步电机中 应用的研究还处于越步阶段，近年来国内外有不少学者开始尝试同步电机尤 其是永磁隧步电机童接转矩控制的壤论研究。 1 4 永磁同步电机赢接转矩控制在吊舱式推进器中的应用 1 9 9 5 每，a b b 公司第一次将d t c 接零应溪鍪l 逶鼹交频器上，接出了 用d t c 披术的i g b t 脉宽调制交频器a c s 6 0 0 。弱前，用于船舶推进的i g c t 变频器a c s 6 0 0 0 也采用了d t c 盥接转矩控制技术。a z i p o d 是a b b 公司缴 产的吊舱式电力推进系统，c o m p a c t a z i p o d 是该公司为了满足小型船舶对掇 缀瞧帮远行经济瞧等方嚣蜀益溪长嚣枣场辩求两箍遗瀚一释紧凑登麓 a z i p o d 推进系统，其功率覆盖范围从4 0 0 k w 到5 0 0 0 k w ，它作为一种标准型 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的推进模块得到了广泛应用。该模块采用永磁同步电机直接转矩控制的方法， 在实际应用中取得了良好的效果“”。 1 5 本文的主要工作 本文介绍了吊舱式电力推进系统的结构，分析了这种结构与传统电力推 进系统相比具有的优点和缺点。分别建立了船体、螺旋桨和推进电机的数学 模型，详细分析了考虑吊舱影响时三者的能量关系和相互影响，并且对采用 永磁同步电机的吊舱式电力推进系统进行了计算机仿真。 介绍了直接转矩控制的原理，对永磁同步电机直接转矩控制的基本问题 进行了分析，针对定子磁链漂移及其补偿方法进行了深入讨论。讨论了永磁 同步电机转矩直接控制系统中各个控制子模块的功能和具体的实现方式，提 出了一套永磁同步电机转矩直接控制的具体实施方案，并根据这套方案建立 了基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真模型，仿真分析结果表明该系统具有良好的性 能指标。 讨论了永磁同步电机无机械传感器调速系统的实现问题，首先对几种常 用的转子角速度和角位置观测模型进行了对比，并且介绍了一种实用的检测 永磁同步电机转子初始位置的方法。最后提出了一种改进型转子角速度观测 模型，仿真结果表明该模型具有一定的观测精度和实用性。 最后指出了本课题中有关问题的下一步研究方向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章吊舱式电力推进系统的模型及仿真 2 1 吊舱式电力推进系统的结构与特点 典型的吊舱式电力推进系统如图2 1 所示，它的推进电机和螺旋桨直接 相连，组成一个独立的推进模块，并置于船体底部的流线型吊舱内，该推进 模块可以3 6 0 。水平旋转，通过对推进的方位角进行控制和调节，可以在各个 方向上产生推力，因此省去了通常使用的舵和轴系，极大地提高了船舶设计、 建造和运行的灵活性“。 图2 1 吊舱式推进系统结构简图 吊舱式电力推进系统与传统的船舶推进系统相比有如下一些优点u “u “： ( 1 ) 由于驱动电机位于船体外，发电机组可以按需要灵活地选择安装位置，所 以节省船内空间。 ( 2 ) 省去传统的传动轴和舵，使推进器的体积和重量更小。 ( 3 ) 省去船尾的横向推进器，因为吊舱可以水平连续旋转。 ( 4 ) 由于吊舱可以在各个方向产生推力，所以操纵性好，尤其在低速时。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 由于推进电动机在水下而不是在船内，且没有减速齿轮箱，所以噪声和振 动都非常小。 ( 6 1 系统结构简化，可靠性高。 ( 7 ) 对于双螺旋桨船来说推进效率较高。 通常认为，吊舱推进的效率比传统推进方式高，德国科学家对各种条件 下吊舱推进的效率做了大量实验，并且与传统推进方式进行了对比，通过这 两种推进系统的推力和螺旋桨的扭矩的比较，得到如图2 2 所示的曲线，从 图中可以看出：在相同条件下，单个吊舱单元的推进效率比传统推进方式低 大约5 。但这一结论仅适用于单个吊舱，实际使用的吊舱式推进系统都采用 两个或多个吊舱，由于吊舱的位置比较灵活，可以很方便的把它们安装在最 佳位置1 。同时，还可以根据吊舱位置对船体形状进行优化，使螺旋桨处于 极佳的伴流区域，有助于螺旋桨效率的提高，所以吊舱推进的效率还是高于 传统推进方式的，按照目前的水平可以提高1 0 以上，对于大功率的船用推 进器来说，每年节省的燃料费用是相当可观的。 p r o p 2 3 3 3w i t hp o d a w i t h r u d d e r p 3 2 4 9 ：u n i t p o d d r i v e 图2 2 吊舱系统与常规推进系统效率的比较 7 8_98_茸盐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吊舱推进作为一项新技术，正处在不断发展的过程中，因此不可避免 地存在一些缺点，主要表现在： f 1 ) 吊舱具有横向推力的优点只有在低速时才能充分体现，高速行驶时，若对 航线作微小调整，则传统的推进系统效果更好。 ( 2 ) 实际经验表明，有些吊舱推进系统的磨损特性和长期表现不如传统推进系 统，因此它的可靠性并不是绝对的。 ( 3 ) 技术复杂性高，对船员素质的要求也较高。 ( 4 ) 由于推进器位于船体外部，一旦发生触礁等事故，危险性也较大。 由于存在以上不足，限制了吊舱式推进系统的应用范围，但是与它的优 点相比，这些缺点是可以暂时忽略的，而且相关科技人员正在不断努力，使 这项技术日趋完善，所以吊舱推进是一项极具市场潜力的新技术，拥有良好 的发展空间和广阔的应用前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 精舱式电力推进系统的电气系统组成 图2 。3a b b 公司的a z i p o d 吊舱电气续构图 耀舱式攥避系统在机械缝构上巍度楚化，但是在愈气结构上比较复杂， 与传统的船舶电力推进系统一样，包括发电杭、配电税、交压器、变频器和 推进电机五个部分，它l f 】共翔构成了一个小型电网“”。图2 。3 为a b b 公司生 产的a z i p o d 吊舱式推进系统的电气结构，如图所示，整个系统有多台发电梳， 每台发电机由一台柴油枧驱动，形成并联运稼的发电机组，发出的电能由主 配电板进行控制和分配，通过电缆和各级变压器传送到推进单元和其住船沼 辅助设备，这样发亳桃不需要紧靠电动枕，便手对船舶内部设备的位置进行 优化，以增加载货空间。由予全船装有多台柴油发电机组，所以供电方式其 有极大的芡活性，在经何时刻都哥根据实际受载和谈期熬受载变化来选择运 行的机组数，从聪节畿燃料和维护费用。控制台是整个系统的大脑，它通过 电力自动管理系统来确定需要运行的发电梳组数。由于该系统是综合全电力 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统，即推进器和其他设备统一供电，所以控制台还要通过主配电板进行全 船的电力分配。 该系统采用双吊舱推进，每个推进器有各自独立的供电通道，在紧急情 况下即使一个吊舱发生故障，也可以使用另一个吊舱以5 0 的动力航行，使 系统的冗余度增加，安全性提高。”。 吊舱式推进系统的几家生产企业不仅是大型运输设备集团，同时也是全 球著名的电力系统和设备跨国公司，如a b b 和s i e m e n s 。他们在大功率变频 调速技术方面有多年的经验，技术比较成熟，因此，吊舱式推进系统的驱动 电机全部使用变频器来控制转速和转矩，最常用的是c y c l o 变频器和s y n c h r o 变频器，对于小功率或有特殊要求的场合，还可以使用p w m 变频器。由于 采用了可靠的硬件设备和先进的调速方法，所以吊舱式电力推进系统代表了 目前大功率交流调速的最高水平。例如，a b b 公司为a z i p o d 系统专门开发 的a c s 船用变频系统，使用直接转矩控制装置，根据电动机的核心变量( 即 磁通和扭矩) 直接控制c y c l o 变频器开关，与常规磁通矢量和p w m 方法相 比响应时间大大减少，因此整个系统具有良好的控制特性。 吊舱式推进系统的推进电机一般采用交流同步电机，因为直流电机虽然 控制特性好，但是由于结构上的原因，输出功率受到限制，一般应用在潜艇 等小功率舰船上，不适用于大型船用推进器。另外，与异步电机相比，同步 电机也有许多优点。首先，由于电机轴与螺旋桨直接相连，要求电动机的低 速性能要好，而同步电机低速传动性能远远好予异步电机。其次，同步电机 对负载转矩的扰动有较强的承受能力，而且调速范围宽，精度高。最新型的 吊舱式推进系统大多使用永磁同步电动机，因为它的结构更加紧凑，所以吊 舱的体积也随之减小，有助于推进效率的进一步提高“”。随着电机制造水平 的不断提高，英、美、日等国把目光投向了效率更高，体积更小的超导电动 机，美国海军上世纪7 0 年代末就与通用电气公司签订了研制超导电机的合 同，现已完成艇上试验。但是从目前的情况来看，超导电机达到实际应用水 平还需要很长一段时间。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 船一机一桨的能量关系 船、机、桨的能量转换关系如图2 4 所示。如忽略轴系、传动设备等的 中间损失和船、桨之问的相互影响，则船、机、桨三者之间的能量应是相等 的。当船舶不带减速齿轮箱并按等速直线航行时，推进电机与螺旋桨之间的 关系是：桨的转速应等于推进电机的转速；桨所需的转矩应等于推进电机所 能供给的转矩。船体与螺旋桨之间的关系：桨的进速等于经修正伴流后的船 速；桨的有效推力等于船体所受的阻力。 图2 4 船、机、桨的能量转换关系 船的特性可用随航速变化的阻力特性来表示，桨的特性受到桨的结构和 水动力因素的影响，常用推力和扭矩来表示。把船、机、桨三者随转速或航 速变化的一些技术经济参数，分别或集中地在图上用曲线表示出来，此曲线 即为特性曲线。在某一工作条件下，船、机、桨三者的转速与能量均相等的 点称为“配合点”，也称为“平衡点”。在船舶设计转速和负荷条件下的配合 点，称为设计配合点，船舶在此点运行，就可得到设计航速，其螺旋桨的效 率较高，此航速不一定是经济航速。当三者中某一方的能量和转速发生变化 时都会使平衡点发生变化，在新的条件下形成新的平衡点，并偏离设计平衡 点，这时，功率、转速和效率等参数将发生相应变化“”。 船舶在航行时，受到空气和水这两种介质的阻力。在正常的气候及海情 下，航速不高的船舶的空气阻力，仅占总阻力的2 3 ，船舶航行时的阻力 特性主要是以分析船速及载重量变化时水对船舶的阻力的影响为依据。一般 民用船舶的水阻力，以摩擦阻力为主。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 船一机一桨的数学模型 船舶推进模型中的推进电机、螺旋桨和船体三个部分共同构成船一机一 桨系统，船一机一桨的运动由船的运动和推进系统的运动综合而成。主机直 接带动螺旋桨，后者产生推力，推力通过推力轴承作用在船体上推动船舶运 动。 2 4 1 螺旋桨的推力和扭矩 螺旋桨在水中作回转运动时产生推力r ，如果推力方向与船舶运动方向 相同，就推动船舶前进；如果推力方向与船舶运动方向相反，则拖动船舶倒 退。螺旋桨在水中回转时受到的阻力矩m 的作用方向与螺旋桨的回转方向 相反。因此，为使螺旋桨能以给定的转速1 1 旋转，必须由推进电机供给螺旋 桨以克服阻力矩的有效力矩，才能发出所需的推力r ，其所作的有用功率为 丁n ，而吸收的推进电机功率只为2 n n - m 。 螺旋桨特性通常由螺旋桨推力无因次系数岛和转桨力矩无因次系数 足。表示，它们都是进程系数j 的函数。螺旋桨的进程系数是描述船舶运动状 态的一个重要参数，它代表螺旋桨回转一周的轴向进程h 。与桨径d 。的比值。 如果螺旋桨单位时间内回转胛弧度，则 j = 吒2 石( n d 。) ( 2 1 ) 当进程系数变化时，世，和足。也随之发生变化。在敞水条件下，k ，、墨， 与i ，的关系被称为螺旋桨的敞水特性。航行中的船舶要受到海面情况变化引 起的船体阻力的变化，同时也由于机动操作的需要，螺旋桨的进速儿或转速 糟也不断变化，引起进速比j 发生变化，由于坼和髟，随，而变，因此螺旋 桨的推力r 和阻力矩m 。也在变化。 对于吊舱式电力推进系统，螺旋桨可能位于吊舱的前端或后端，无论在 哪种情况下，吊舱均会对螺旋桨的性能产生较大影响，反映为螺旋桨推力、 扭矩及效率的提高，如果计及吊舱阻力，则整个吊舱推进器的效率与单桨相 当甚至有所降低。最近，上海交通大学空泡水筒实验室进行了单桨及双桨形 式的吊舱推进器水动力性能测试及理论计算方法研究。针对单桨及双桨同转 形式的吊舱推进器，初步建立了定常水动力性能计算方法，并对单桨式吊舱 推进器进行了计算，试验和计算的结果如2 5 图所示“”“” 毒 害 ： k 4 母 参 - 口 j ( a ) 拖式推式 图2 5 考虑吊舱影响的螺旋桨敞水特性 螺旋桨主要几何参数为“”：直径2 5 0m m ，4 叶，盘面比0 5 9 ，毂径比0 2 9 ， 侧斜角3 5 0 ，拖式桨0 7 r 处螺距比为1 2 8 4 ，推式桨0 7 r 处螺距比为1 2 7 。 吊舱主要几何参数为：舱体长度4 0 0 衄，最大直径1 0 0m m ；支架展长 1 9 0m i l l ，弦长1 8 0i n l n ，最大厚度2 7 姗。 从图2 5 中可以看到，即使负载变化较大，岛和j 己还是可以用线性函 数来近似。1 ，设 k r = k m + 足， ( 2 2 ) k q = k q 0 + k q s j 由于大多数吊舱推进系统采用拖式螺旋桨结构， 近似图2 5 ( a ) 中的曲线，函数形式如下 b ；堑一! j 4 59 置。：旦一上， ( 2 3 ) 所以我们用一次函数来 利用线性升力理论，可以得到螺旋桨推力和力矩的有因次形式为 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) i娃wl酬ij”l潍il “ m 吼 玑 “ f = k r o 石z ：2n + k r j 露in v a ) q = 岛譬 白譬鼯坎 ( 。哪 2 4 2 船体与螺旋桨的相互影响 密予水有藕幢，所以船尾水下部分辩近酌水流处于边界层内。永流鹣速 度在船体附近接近船速k ，并随辫与船体距离增大而逐渐撼小，一直到较远 处流速为零。因此螺旋浆盘面处的流速小于船舶的航速，船滤与螺旋桨盘蕊 筵豹乎筠流速之差稔为箨滚，嫠滚分数磁表承以稳鼹手怒述兵豹减小，鞫 有 呢= ( 1 一暇) 略( 2 - 8 ) 供滚分数与艚型、螺旋桨尺度及螺旋桨与舷体闻的穗对德器等因素蠢荧， 敖决定僻流系数魄较讶取静办法麓进行专门的模型试验。衽无法进行横溅试 验的情况下，需要威用经验公式溅行估算，如溱洛公式( 适用于海上运输船 舶) 、汉克歇尔公式( 适用于标准商船) 和霍尔特洛公式( 适用予油船、货船、 洼嫠、熬装箱辍露逮浮怒等) 。这麓涯餐公式楚羧蕹菜类或浆冗类麓鍪! 遽行试 验获得的，适用性都有一定的范嘲。为了计算方便，本文假定试验船舶以恒 定速度航行，所以把伴流分数看成定值，并且敬彬= o 1 5 。 由予螺旋桨豹传爆，船尾处戆窳滚速度魄艇善处敦要大魑，毒溅体力掌 知道，巍船尾处承流速度增大对，水流对船尾鲶的压力就减小，这样藏被坏 了螺旋浆不工作时船体首、尾处的压力平衡条件，于是船酋、尾部的压力差 形成了船舶前进的附加阻力。附加阻力的增加和螺旋桨的撼力密切相关，暖 兹一般溺震燕力壤鬏嚣子 l f 。 寒计算瓣麴魅力豹影羲，考虑了鬻麓阻力箍 螺旋桨摊力为住0 1 取= ( 1 一t ，f ( 2 - 9 ) 这纛l 。取决手躲俸尾郏终形等医素，一般 。；0 。1 5 。擦力减，l 、霹黻谈蠢 与船速茏关。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 。4 。3 船一枫一桨系统的数学模墼 船浆系统中包括推进装置的旋转和船的盥线运动两个惯性体系。这样， 它们的动力学方程霹袭示受： 2 对立d t = 虬+ 虬+ 虬 ( 2 l o ) m d v s ：r r( 2 i i ) a t 式( 2 1 0 ) 中，为主推进电机模型的回转都分的转动惯爨，d m 为圈转 部分的转速变化率# 鸩为推进电机的驱动力矩；m 。为螺旋桨上的水阻力矩； m 为捺进轴系斡摩擦力矩。式( 2 一l1 ) 中，掰为船体羚慈矮量；d v a d t 蕊 船靛靛遽的交诬率；r 为推进装麓的有效摇力；r 为船体戳力。其中 m d ：9 5 5 0 a ( 2 1 2 ) 撵 m p = k q p n 2 d ； ( 2 1 3 ) 式中，为驱动电机的功率，p 为海水密发，甩为螺旋浆转速，d 。为螺 旋桨壹缎。 式( 2 1 0 ) 中奎推进电机模粼的回转部分的转动惯量j 锌于船舶主推进 系统中折算到桨轴上的所有转动部分的转动惯缴的总和，即 z = + 岛+ & ( 2 1 4 ) 其中t 为主推进电机内部旋转部件的转动惯量i 为传动轴的转动 惯量；，虢为螺旋桨的转动惯量，猩螺旋桨设计中，螺旋桨的转动惯量是根据 所选塌瓣卧墅沿各环形切覆是数傻积分法求褥。在对已有船熬进蠢操缎运动 仿真研究时，可查潮该船静螺旋浆设计书，隶酝隰旋桨静转麓惯量。没有现 成资料时，可采用下列近似方法计算“” 磊= 三骗锦妒譬 浯嘲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，k l 为桨毅影响系数，可取1 0 2 5 1 0 6 ，如果毂径比小，取下限， 如果毂径比大，取上限；k ，为叶剖面系数，k ，为叶外形系数，这两个系数都 可根据不同的螺旋桨进行选择；k 4 为叶梢厚度比系数，按下式确定： k 4 = 0 0 6 1 + “+ f lo 1 0 。y 为材料重量密度；p 为桨的盘面比；t o 为轴线处 的叶根厚度， 。为叶梢厚度，；g 为重力加速度。由式( 2 1 5 ) 求k 要求详 细了解螺旋桨的几何参数。当无法详细获得桨的几何参数时，建议用下列近 似估算公式 驴詈 浯 其中，矿为全桨的重量， k 为系数，对于整体式桨：a = - o 4 2 ；对于组 合式桨：k = - o 3 9 。在资料不全时，可采用下列近似公式估算螺旋桨重量，单 位为n 。 = 0 0 8 1 0 3 ( 2 17 ) 式( 2 - 1 1 ) 中的船体阻力r 由下式确定 r = a r - 曙 ( 2 一1 8 ) 式中为船速，4 为阻力系数，该系数与船体线形、排水量、污底程 度、拖带、航道和海情等因素有关。对于航速不高的民用船舶来说，可取m = 2 ， 即可以认为船舶的航行阻力与船速的平方成正比。 2 5 推进模块数学模型 图2 6 吊舱式电力推进系统组成 如图2 6 所示，吊舱式电力推进系统一般是由发电机组、电动机、工作 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机构、控制设备和电源组成。 该系统的电动机轴与螺旋桨直接相连，螺旋桨是电动机的负载，电动机 与负载为同一个轴、同一个转速，是单轴推进系统。根据电机拖动原理，电 力推进系统中电磁转矩、负载转矩与转速的变化关系可用转动方程表示为 t 一咒= j d 出o , _ ( 2 一1 9 ) t 为电磁转矩；瓦为负载转矩；q 为转子机械角速度；j 为电机转动 惯量。在实际工程计算中，经常用转速n 来代替角速度来表示系统的转动速 度，用飞轮距g d 2 ，代替转动惯量，来表示系统的机械惯性，上式可以简化 为 t 一瓦= 器警 ( 2 _ z o ) 电力推进系统的输入、输出及系统中的各变量大都是时间的连续函数， 我们称之为连续动态系统。一个连续动态系统运动规律的描述，通常是运用 基本的物理定律对系统的输入、输出量之间的关系进行数学建模后获得的， 常常是一个高阶微分方程式，可以称之为系统的时域模型。图2 7 是采用永 磁同步电机的电力推进系统的仿真原理图，控制系统的输入量为速度给定信 号昭，输出量为电机转速n 。时域的数学模型就是对这两个量之间的关系采 用高阶微分方程式来进行描述，各个环节的动态方程如下。”。 ( 1 ) 比较环节 速度给定信号l l 。与速度反馈信号 ，相比较，差值信号为 a u = “g 一“r ( 2 2 1 ) ( 2 ) 速度调节器 速度调节器为一个比例积分调节器，输入为“，输出为电压信号， 则速度调节器的输出为 叱：芷。“+ 墨i a u d t ( 2 2 2 ) 月 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中k 。为调节器的比例系数，f 。为调节器的积分时间系数。 ( 3 ) 交流调压装置 交流调压装置可以近似为一个电压放大系数为足。，惯性时间为f 。的一阶 惯性环节。”。所以，这部分可以用微分方程表示为 t 警讹l “以 ( 2 _ 2 3 ) ( 4 ) 永磁同步电机 这里只对永磁同步电机的模型作简单介绍，有关的详细内容参见第三章。 对于凸极式永磁同步电机，在d g 坐标系下，采用拓= o 的控制方法，以“。 为输入，转子速度为输出的永磁同步电动机系统如图2 7 所示。 图2 7 永磁同步电机系统框图 图中甜。为定子电压g 轴分量；y ，为转子磁链；r ，为定子绕组电阻；脚， 为转子机械角速度；上，为定子绕组g 轴等效电感；z 为电磁转矩；玎。为电机 极对数；毛为负载转矩；，为电机转动惯量，b 为粘滞系数。 2 6 吊舱式电力推进系统仿真 根据2 4 节的吊舱式电力推进系统数学模型，对该系统进行仿真。仿真 的结构框图如图2 8 所示，对系统中部分参数进行了假设。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 8 吊舱式电力推进系统仿真原理图 系统的s i m u l i n k 仿真结果如图2 9 所示。 图2 9 船舶航行速度曲线 从图中可以看到，系统在经过近5 5 秒的过渡过程后，船舶的航行速度达 到给定值2 0 k m h 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章从机械系统和电气系统两个方面介绍了吊舱式推进器的结构和特 点，分析了船、机、桨之间的能量关系和相互影响，分别建立了船体、推进 模块和螺旋桨的数学模型，最后对考虑吊舱影响的船舶电力推进系统进行了 仿真研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章永磁同步电机直接转矩控制理论分析 3 1 永磁同步电机简介 永磁同步电机是指采用高磁能积永磁材料励磁的一类同步电动机，它除 了具有一般同步电机的工作特性外，还具有体积小、重量轻、惯性低、效率 高、结构简单、易于控制等优点。所以，自8 0 年代以来，各国学者和研究人 员都纷纷致力于高磁场永磁材料、永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用 研究，取得了卓有成效的研究和开发成果。对于自起动永磁式同步电机，尤 其是永磁式微特电机，广泛应用于军事装备、计算机外围设备、仪器仪表、 数控机床、汽车电子、家用电器等领域。可以预料，随着高磁场永磁材料价 格和电动机转子制造价格降低，以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断 完善和提高，高磁场永磁式同步电机及其驱动系统将会得到进一步的发展及 应用，在某些方面或一定程度上有可能逐步取代现有的普通绕线转予电动机 及其驱动系统。“。与普通电动机相比，相同容量的永磁同步电机的直径明显 减小，所以在船舶电力推进系统中得到越来越广泛的应用，对于近年发展起 来的吊舱式电力推进系统来说，较小的电机直径意味着可以造出具有最佳毂 直径比的吊舱式推进器，所以永磁同步电机已成为新一代吊舱式推进器的标 准配置1 。 永磁电动机的转子采用永久磁铁励磁，目前多使用稀土永磁材料。由于 转子磁钢的几何形状不同，使得转予磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形 波两种，因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一 种为正弦波形，称为永磁同步电动机( p m s m ) ；另一种为梯形波，由于这种电 机的某些特性与直流电机相似，所以习惯上称为直流无刷电机( b l d c ) 。由于 b l d c 具有梯形波反电势，所以转子位置的测量可以非常方便地利用反电势的 测量得到，而且控制方式也非常简单。但是简单的逆变器控制导致了转矩脉 动的产生，因此宣流无刷电动机一般不用于高性能驱动系统。“。 p m s m 与b l d c 的不同仅在于控制策略和激励电压的方式。在p m s m 中，电 机反电势的形状基本上是正弦的，其正弦的纯度取决于永磁材料充磁的质量。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果永磁铁在转子中的放置正确，纯正弦的气隙密度是可以得到的。因为实 际上定子绕组不会精确正弦分布，囚此其气隙密度也只能是尽量接近正弦。 8 ( a ) 面贴式( i ) ) 内嵌式( c ) 内埋式 图3 1 永磁同步电机的不同转子结构 p m s m 电机转子的结构和永磁体的安装方法对电机的性能影响很大。图 3 1 显示了p m s m 的三种基本的结构。永磁体可以安装于转子表面或是嵌入于 转子内部。表面安装式和嵌入式的p m s m 各有其优缺点。如图3 1 ( a ) 所示的 表面安装式转子结构可能是最简单、最便宜的一种结构，也是现今用得较多 的结构。这种结构中电机转予直径变得较小，从而导致电机的小惯量，因而 这种结构适用于伺服系统。这种电机的电枢反应非常小，永磁体的作用类似 于空气，因此有效气隙长度较大，永磁电感非常低。这意味电机的定子磁链 几乎与转子永磁磁链相等，如图3 2 ( a ) 所示。 j z s 。 心叠f 。 ( a ) 面贴式 j 患夕一 ( b ) 内嵌式 图3 2 不同转子结构p m s m 的矢量图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然而在p m s m 中小电感并不总是有利，因为小电感将导致弱磁控制成为一 个问题。在弱磁控制期间虽然电压己经达到的逆变器所能提供的最大值，但 速度依然需要不断上升。弱磁控制是通过增加反相直轴定子电流分量实现的， 如果电感很小，弱磁就只能通过很大的去磁电流和低负载实现了。 在面贴式p m s m 中，永磁体必须放置于有弧度的电机转子表面。一般来说 永磁体或者是被打造成型或者是由小块磁铁集合胶结而成。常用的永磁铁， 如铁氧体和稀土永磁很难打造成型，因此永磁体的构形产生额外的问题和花 费。特别是在高速电机中，胶结的部分必须制作得很好。 永磁体也可以