（电力电子与电力传动专业论文）船舶电力推进双三相永磁同步电机驱动控制研究.pdf

磁链控制法是属于间接控制，没有对每个磁链直接控制。与三相永磁 同步电机相比，在额定磁链时，有更大地调速范围和更快地响应速度， 但磁链具有直流漂移倾向。对于独立磁链控制方法，提出三种算法。 两台逆变器交替运行控制法：两台逆变器开通或关断都是根据各自空 间电压正六边形来控制的。在任意时刻，多数情况下，一个逆变器被 连接到运动矢量上，而另一个被连接到零矢量上，因此由该逆变器产 生的转矩保持不变。额定磁链下，电机不可能运行在很高的转速，能 得到最大转速只有额定转速一半。两台逆变器同时运行控制法：两个 逆变器同时连接到运动矢量上，两磁链同时旋转，并使合成磁链的幅 值在参考值附近保持恒定，电机可达到额定速度，但转矩脉动比算法 一要高。转矩脉动可控法：采用转矩脉动控制器，在大多数情况下， 独立磁通分量之间夹角被控制，两磁链矢量可独立移动。无论是瞬时 针或逆时针方向，都可选择运动矢量来增加转矩。但在低速时，该算 法不能工作。若把上述三种方法结合来使用，则能获得最佳控制效果。 通过对在常规负载和螺旋桨性负载实验和仿真，验证了该方法的可行 性。 对矩阵变换器在船舶电力推进中应用进行了探索性研究。在矩阵变换 器供电下，提出了基于磁链参考矢量、双空间矢量和双周期调制策略， 双周期调制法，把一个周期平均分为两个相等周期，在两个周期内， 四个运动矢量均使用。在输入和输出侧，可以获得更好地谐波性能。 同时实现了矩阵变换器空间矢量调制和永磁同步电机d t c 控制。在电 机加减速、突加负载及四象限运行条件下，表现出快速、稳定等良好 的动态性能，仿真实验验证了组合控制策略的有效性和可行性。 在永磁同步电机d t c 控制中，定子磁链估计准确性关系到系统控制的 成败。针对定子电压、电流检测过程中直流漂移，设计了基于低通滤 波器串联补偿的磁链估计器，较好地解决了因直流漂移而引起的磁链 估计偏差问题。温度变化易引起定子电阻的改变，而电阻值变化又会 引起电流变化。设计出定子电阻p i 估计器，消除了因电阻值变化，对 磁链估计的影响。采用定子注入高频电压信号的方法来实现估计转子 初始位置。实验和仿真表明，这些设计和算法有效可行。 关键词：电力推进，双三相永磁同步电机，直接转矩控制，空间矢量调 制，矩阵变换器，螺旋桨，估计器 d o u b l e - t h r e e - p h a s ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e sc o n t r o lf o rt h ev e s s e l e l e c t r i cp r o p u l s i o n a b s t r a c t t h ev e s s e le l e c t r i cp r o p u l s i o ni sa na d v a n o e dp r o p u l s i o nm o d e ，i nt w e n t i e s r e c e n t l y ，i th a so b t a i n e da l i - t i m e f i o ur i s h t h ec o r ei si n t e g r a t e df u i ie l e c t r i c p r o p u l s i o nt e c h n o l o g y ( i f e p ) f o rt h em o d e r nv e s s e le l e c t r i cp r o p u l s i o n a n dt h e p r o p u i s i o nm o t o rd r i v ei s o n eo ft h ei f e p sk e yt a c h n o l o g l e s t h ep r o p u i s i o n m o t o r sr u n n i n ga n dd r i v i n gp e r f o r m a n c e si sv er yi m p o r t a n tf o rt h ev e s s e le l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mt o f u ns u c c e s s f u l l y a st h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) p e r f o r m a n c ei ss u p e r i or i t y ，i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h ev e s s e l e l e c t r i cp r o p u l s i o n i na l lk i n d so fp m s m t h em u l t i p h a s ep m s mh a sb e e nu s e da s p r o p u l s i o nm o t o r s b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob er e s o l v e df ori t sc o n t r 0 1 t h ed o u b l e t h r e e - p h a s ep m s mi sm a i n l yo b j e c ti nt h ep a p e r ，i n c l u d i n g g e n e r a lp m s m ，d t cd r i v e sc o n t r o l h a sb e e nr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a j l y t h e d o u b l e - t h r e e p h a s ep m s md t cc o n t r o lt h e c r yh a sa l s ob e e nr e s e a r c h e d 。a n di t s c o n t r o la l g o r i t h m sb a s e do ns p a c ev o l t a g em o d u l a t i o na n dh y s t e r e s i sc o n t r o l l e r e h a v eb s e npr e s e n t e da n dr e a l i z e d u n d e rm a t r i xc o n v e r t e r ( m c ) s u p p l y ，p m s m c o n t r o la l g o r i t h m sb a s e do nd t ct h e o r yh a sa l s ob e e np r e s s n t e da n dr e a l i z e d w h e nt h ep m s mi sc o n t r o lj e di nd t c ，t h es t a t o rf l u xm u s tb ee s t i m a t e d ；h o w e v e r ， t h ee s t i m a t e df l u xv e r a c i t yi sv e r yk e yf a c t o rf o rt h ed r i v e sc o n t r o ls y s t e m t h e i n f l u e n c ev e r a c i o u sf a c t o r sm a j n l yh a v ev ar i a t i o no ft h es t a t o rr e s i s t a n c e ，d c o f f s e ti nt h em e a s u r e m e n to ft h es t a t o rv o l t a g ea n dc ur r e n tt os u c c e s s f u l l ys t a r t t h em o t o ru n d erd t cf r o ma n yp o s i t i o n 。t h er o t o r si n i t i a lp o s i t i o nm u s ta l s ob e k n o w n ，a n dt h em a g n e t i cp o l a r i t yo ft h ei n i t i a lp o s i t i o ni s a l s oi d e n t i f i e d t h e r e l a t i v es o l u t i o n sh a v eb e a np r e s e n t e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i nb o t hc o n d i t i o n t h ed o u b l e t hr e e p h as ep m s mh a sb e e nr e s e a r c h e di nd t c s c h s m e f i r s t i n d i v i d u 8 1 if l u xv e c t o r sp r o d u c e db yb o t hs e t so fw i n d i n g sar e c o m b i n e d t h er e l a t i o no ft h et o r q u ea n dp o w e ra n g l ei sa c h i e v e di n m t r e f er e n c ef r a m e s e c o n d d u r i n gp r o p e ro p er a t i o n ，t h ep o w e ra n g l eo f f l u x p r o d u c e db ye a c hs e t so fw i n d i n ga n dda x i sm a yb epr e s u m e dt h ee q u a i i t y 。o n t h eb a s i so ft h ep r e s u p p o s i t i o n i n d i v i d u a lf l u xo fe a c hs e t so fw i n d i n g si su s e d a so b j e c t ，t h er e l a t i o i lo ft o r q u ea n dp o w e ra n g l ei so b t a i n e dr e s p e c t i v e l yi nm t r e f e r e n c ef r a m e i ti ss h o w nt h a to t cd r i v e sm e t h o da n dd o u b l e - t h r e e - p h a s e p m s mm o d e li sc o r r e c t t h ed o u b l e t hr e e p h a s ep m s md t cs c h e m eh a sa n i m p o r t s n tt h e o r ys i g n i f i c a n e ea n da p p l i c a t i o nv a l u e f o rt h ed o u b l e t hr e e - p h a s ep m s m w h i c hi sb a s e do n s p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n ( s v m ) a n dd t cs c h e m e ，t h er e s u l t s n tf l u x a n di n d i v i d u a if l u x c o n t r o lm e t h o dh a v eb e e n p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y s i n e e t h e r ea r et w o i n d e p e n d e n tt h r e e - p h a s ei n v e r t e r sd r l v i n g t h ed o u h i e - t h r e e p h a s ep m s m ， d u r i n gt h e i ro u t p u ts p a c ev o h a g av e c t o r s a 1 ia c t i v ep h a s ei o c a t i o i 3 5c a nb e v i e w e da sf o u rc o n c e n t r i o1 2 - s i d e dp o l y g o n s b u tt h e i rc e n t r i ci s i n d e p e n d e n t r e s p e c t i v e l y t h e s ep o l y g o n sa r eb a s i so nr e s u i t a n ta n di n d i v i d u a lf l u xc o n t r o l m e t h o d s t h er e s u i t a n tf l u xb e l o n g st oc o n t r o li n d i r e c t l y ：e a c hf l u xc a n n o tb e c o n t r o l l e dd i r e c t l y h i g h e rs p e e dr a n g ea n df a s t e rt o r q u er e s p o n s ec a nb e a c h i e v e dw i t hr a t e df l u xc o m p a r e dt ot h r e ep h a s ep m s md t c ，b u tt h e ys h o wa d cd r i f tt e n d e n c y i ni n d i v i d u a lf l u xc o n t r o lm e t h o d ，t h r e ea l g o r i t h m sa r e p r e s e n t e d t w oi n v e r t e rr u n n i n gb yt u r n sm e t h o d ：b o t hi n v e r t e r sa r es w i t c h e d f r o mt h s i ro w nh e x a g o n a ls p a c ev e c t o rl o c a t i o n a ta n yi n s t a n to ft i m e ，a tm o s t o n ei n v e r t e ri ss w i t c h e dt oa na c t i v ev e c t o ra n dt h eo t h e ro n ei ss w i t c h e dt ot h e z e r ov e c t o r ；t h e r e f o r e 。i n d i v i d u a it o r q u e sg e n e r a t e db yt h ei n v e r t e r sa r ek e p t c o n s t a n t t h em a c h i n ec a r tr u na tah i g h e rs p e e da tr a t e df l u x t h em a x i m u m s p e e di tc a na t t a i ni sh a l ft h er a t e ds p e e d t w oi n v e r t e rr u n n i n gs i m u l t a n e i t y m e t h o d ：b o t hi n v e r t e r sh a v et ob es w i t c h e dt oa c t i v ev e c t o r ss i m u i i a n e o u s l yt o r u nt h em a c h i n ea tr a t e ds p e e d i ti s p r o p o s e d t or o t a t eb o t hf l u x e s s i m u i t a n e o u s l y k e e p i n g t h e m a g n i t u d eo f r e s u i t a n tf l u xc o n s t a n ta ti t s r e f e r e n c sv a l u e r a t e ds p e e do ft h em a c h i n ec a nb ea c h i e y e d ，b u tt h et o r q u e r i p p l e i s h i g h e r c o m p a r e d t ot w oi n v er t e r r u n n i n gb y t u r n sm e t h o d t o r q u e o r i p p l ec o n t r o l l a b l em e t h o d ：i tt r i e st os o l y et h ep r o b l e mf a c e di nt w o i n v e r t e rr u n n i n gs i m u l t a n e i t ym e t h o d ，a c t i v ev e c t o rar es e l e c t e dt oi n c r e a s et h e t o r q u ei na n t i c l o c k w i s ea n dc l o c k w i s ed i r e c t i o n s t h et or q u er i p p l ei sr e d u c e d g r e a t l y b u ta l g o r i t h m $ 撑3 c a n tw o r ka ti o ws p e e d i ft h r e ea l g o r i t h m sa r e c o m b i n e d i h em o s to p t i m a ic o n t r o lm e t h o dc a nb ea c h i e v e d 1 1 1ac o n v e n t l o n a i l o a da n dp r o p e l l e rl o a d ，t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nh a v eb e e nd o n e ；i ti s s h o w nt h a tt h e s ec o n t r o im e t h o d sa r ef e e s i b l e m a t r i xc o n v e r t e r ( m c ) a p p l i c a t i o ni se x p l o r e di nv e s s e le l e c t r i cp r o p u l s i o n u n d e rm cs u p p l y i n g t h ec o n t r o ls t r a t e g yt h a ti sb a s e d0 1 1s t a t o rr e f e r e n c ef l u x l i n k a g e a n dd o u b l e s i d a dv e c t o rm o d u l a t i o ni s p r e s e n t e d i np m s m i n d o u b l e - s i d a dm o d u l a t i o n t h es w i t c h i n gp er i o di sd i v i d a di n t ot w oe q u a lp e r i o d s a n di nb o t hp e r i o d s ，t h ef o u rs e l e c t e da c t i v ev e c t o r sa r ea p p l i e d t h eb e t t e r p e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e da t t h ei n p u ts i d ea n di nt h eo u t p u ts i d e i n a d d i t i o n ，s p a c ev o l t a g e c u r r e n tv e c t o rm o d u l ar i o na n dd t cd r i v e sh a v eb e e n r e a “z e di np m s m w h e nt h em a c h i n e sl o a di si n c r e a s e do rd e c r e a s e d s u d d e n l ya n dr u ni nf o urq u a d r a n t s ，ab e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c ec a nb e o b t a i n e d i ti sc o n f ir m e dt h a tt h ec o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v ea n d f e a s i b l ea ts i m u l a t i v ee x p er i m e n t i nd t cd r i v eo fp m s m t h ev e r a c i t yo ft h es t a t o rf f u xe s t i m a t i o ni sv e r yk e y p r o b l e mi n c o n t r o l s y s t e m ，f o rd co f f s e t o ft h es t a t o rv o l t a g e ，c u r r e n t m e a s u r e m e n t t h ef l o xe s t i m a t o rt h a tt h ei o wf i l t e r sa r ec a s c a d e dh a sb e e n d e s i g n e d ，a n dt h ef l u xe r r o ri sc o r n p e n s a t e df ort h ed co f f s e t t h et e m p e r a t u r e c h a n g er e s u i t si nt h es t a t o rr e s i s t a n e ev a r i a t i o n ，a n dt h ev a r i a b l er e s i s t a n c e i e a d st h es t a t o rc ur r e n tv a r i a t i o n s 0p ls t a t o rr e s i s t a n e ee s t i m a t o rh a sb e e n d e s i g n e d as e n s o r l a s sm a t h o dt oe s t i m a t et h ei n i t i a lr o t orp o s i t i o nh a sb e e n i n v e s t i g a t e d ：t h em e t h o di sb a s e do na p p l i c a t i o no fab i g h - f r e q u e n c ys i n u s o i d a l v o l t a g e ，i t i ss h o w nt h a tt h e s ed e s i g n sa r ev a l i da tt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t k e y w o r d ：e l e c t r i cp r o p u l s i o n ，d o u b l e t h r e e p h a s ep m s m d t c s v m ，m c p r o p e i i e r e s t i m a t o r v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特j 日x j d i l 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其 他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和 所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：兰叠望日期：尘堑! 竺! 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复 制手段保存沦文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 锄盛 导师签名：日期：莎彳，以，t 第一章绪论 1 1 本课题研究意义 第一章绪论 船舶电力推进是一种先进的推进方式，它简化了原动机和螺旋桨之间 机械联接。操纵性女r 、机动灵活、易1 二获得理想的控制特性。在常规柴油 机推进船舶中，主推进控制功能实现是围绕柴油机进行，而对于船舶电力 推进来说，主要是对电力推进系统的控制，柴油机仅作为中心电站发电机 的原动机，其控制要求大为降低。近十年来，全球有三百多艘0 i 同类型的 船舶使用了电力推进系统，民用船舶的电力推进系统技术正在进入应用阶 段。目前，无论是军舰还是商业船舶，都朝着全电力推进( i n t e g r a t e df u l l e l e c t r i cp r o p u l s i o n ，i f e p ) 方向发展1 1 1 。i f e p 推进系统既发扬了电力推进 系统长处，又提高了电网供电可靠性，并为船舶带来最大灵活性，使总体 设计更能够满足未来船舶各种要求。英国皇家海军t 4 5 1 2 。l 驱逐舰就是以感 应电机作为推进电机的最先进全电力推进系统。 i f e p 系统一般由发电模块( p g m ) 、输电模块( p t m ) 、电能变换p c m ) 、 区域配电模块( p d m ) 、电力推进模块( p m m ) 以及平台负载及环型供电 网等组成1 4 - 6 l 。每个模块都是高度集成化的完整系统，是对船舶电力系统具 有化时代意义的重大变革。其中电力推进模块中，永磁推进电机的驱动控 制规律正是本课题所要研究的内容。 船舶电力推进电机驱动控制系统，是1 f e p 的关键予系统之一，直接关 系到船舶电力推进系统的性能。在国内，船舶电力推进研究还处于起步阶 段。已建或再建电力推进船，推进电机驱动系统绝大多数由国外研发。而 我国造船工业却有很大地发展潜力，对船舶电力推进驱动系统研究，不仅 可以提高我国的工、l k 基础和造船技术水平，而且具有十分重要的战略意义。 船舶电力推进驱动系统和一般工业驱动系统既有密切的关系，又具有 自身特点。目前研究热点问题主要在以下几个领域展开l l 。5 】： ( 1 ) 采用变频调速的多相交流永磁推进电机理论、结构性能分析及设 计方法； ( 2 ) 高效地电站管理系统； ( 3 ) 电力推进系统控制、监测与诊断技术，如多相永磁电机变频调速 系统： 海晦事大学博十学位沦义 ( 4 ) 电力推进驱动系统智能化、数字化、小型化； ( 5 ) 减少系统谐波问题； ( 6 ) 能量储存技术； ( 7 ) 固态电路接触器； ( 8 ) 变换器设计能力提高； 船舶电力推进系统研究不局限于上述情况。p w m 、电压源逆变器驱动 将大量采用，但都必须建立在能够获得大功率电子器件、推进电机具有良 好功率密度、低噪音和振动信号、高可靠性、高性价比以及综合监控系统 基础之上。 对国内外船舶综合电力推进应用情况、技术特点、发展趋势和存在问 题深入分析，结合自身实验条件，确定以双三相永磁同步电机作为驱动控 制对象，对船舶全电力推进电机驱动控制规律进行系统研究。主要精力放 在( 1 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 6 ) 上，同时兼顾其他几点讨论。 船舶电力推进电机驱动控制关键在于对推进电机的控制。自从电力推 进船建造以来，不同类型推进电机都有使用，而近十年越来越多采用永磁 同步电机作为推进电机。随着电力推进船舶功率越来越大，以及对船舶平 稳性、舒适性和安全性要求越来越高；继而对推进电机及其控制系统要求 也越来越高。其中采用双三相永磁同步电机作为推进电机，是一种很好地 选择，但对双三相永磁电机的控制却面临很多问题。 本文将在永磁同步电机d t c 控制理论基础上，对其驱动控制系统进行 研究，对上述( 1 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 6 ) 几项具体分解为以下问题： ( 1 ) 对双三相永磁同步电机d t c 控制理论分析，找出与普通三相永 磁同步电机d t c 控制理论之间关系； ( 2 ) 基于空间电压矢量调制原理，解决双三相永磁同步电机控制问题； ( 3 ) 船舶电力推进电机控制目前大多数采用电压源逆变器，本文将研 究采用矩阵变换器来控制永磁同步电机，以便获得更佳控制效果，且 能对能量进行反馈； ( 4 ) 提高永磁同步电机d t c 控制性能的办法； ( 5 ) 与驱动技术相关问题； 上述问题解决对于船舶电力推进驱动控制系统具有重要理论意义和应 用价值。 第一章绪睦 1 2 船舶电力推进技术进展 = 十世纪九十年代，在大型柴油一电力推进系统中，主推进系统驱动控 制技术，主要是采用同步或周波变换器作为变频器的交流( a c ) 驱动技术。 目前，仝电力推进船正在蓬勃发展，t 4 5 型“d a r i n g ”驱逐舰是世界上最 强大的第一艘真正意义上电力战舰( e l e c t r i cw a r s h i p ) 。第一批六艘t 4 5 将 于2 0 0 7 年全部服役，最大速度2 8 k t s ，a l s t o m 公司提供2 x 2 0 m w a i m ( a d v a n c e d i n d u c t i o nm o t o r s l 推进电机；1 5 相p w m 脉冲调制变换器， 具有6 脉冲输入桥和动态制动。快速停止或速度反向而产生动能由变换器 吸收，反过来作为推进动力。动态制动系统能够探测到直流母线电压上升， 达到预先设定极限值之前，将能量转移到大电阻箱，以热能形式消耗掉i “。 在提倡节能的时代，这是巨大浪费，本文在第四章将提出可行的解决办法。 2 0 0 3 年1 0 月，英国嘉年华集团子公司c u n a r d 和法国s a i n t n a z a i r e 船 厂共同建造的q u e e nm a r y2 是世界上最大电力推进豪华游轮，总吨位 1 4 8 5 2 8 9 t ，分成4 2 个区域，有2 6 2 0 个乘客卧铺1 7 1 。q m 2 是世界上第一艘 安装了4 台吊舱推进装置电力推进船， r o i l s r o y c e 公司提供m e r m a i d p o d 推进系统，构成该系统4 台2 1 5 m w 永磁推进电机，大小和功率相同， 直接驱动定距螺旋桨。驱动系统由a l s t o m 公司提供，实行变频调速，船 速最大3 0 节( k n o t ) 。整个电站2 3 电能供给m e r m a i dp o d 推进系统，电 站总功率达1 1 8 m w 【8 】i 。 1 9 9 2 年至2 0 0 5 年，西门子公司提供柴电电力推进系统6 5 套d o - l l 】， 其主推进驱动采用s i m a rd r i v es y s c h r o2 2 1 m w ，0 1 5 0 r p m ，2 4 p w m 。 详情表1 1 。配电电压等级很多，使用最多地配电等级是6 9 0 v ，占6 3 1 。 2 0 0 0 年后，6 6 k v 配电所占比例逐年提高，现在达2 0 。6 k v 占3 ，4 1 6 k v 占3 ，1 1 k v 配电一例，占1 5 ，预示着全电力推进船向着中高压配电方 向发展，详情见表1 2 。推进驱动系统中脉宽变频驱动( s i m a rd r i v e p w m ) 达6 4 6 ，是西门子公司使用最多的p w m 调制驱动方式，详情见 表1 3 ，这些数字表明驱动调制主要采用p w m 技术。 表1 1 主发电机组和麻急发电机组有关参数表 单机装机容量总容量 发电机系统 ( k v a )( k v a ) 电胝等级( k v ) 转速( r p m l 主发电机组 4 2 0 1 5 3 0 01 6 8 0 8 4 0 0 0o 6 6 0 6 9 ，4 1 6 ，6 ，6 ，1 15 1 4 1 8 0 0 应急发电机组5 6 0 1 3 0 0 5 6 0 1 3 0 0 0 4 ，0 6 99 0 0 - 1 8 0 0 3 上晦海事大学博l 学忙沦义 表1 2 配电电压等级的发展趋势 f 配电等级( k v )0 6 9 0 4 5 ，0 2 30 6 9 ，0 2 3 0 6 94 166 61 61 1 l 安装台数 4 64 l 2 1 32 ，1 表1 3 主推进驱动系统类型 单机功率总装机p w m安装 主推进驱动系统 转速( r p m ) ( m w )功率( m w ) 脉冲数台数 d c d r i v e 0 3 6 5 6 7 50 7 3 2 0 2 5 00 1 2 01 2 3 s c r 3 6 1 s i m a rd r i v es y n c h r o1 9 2 13 8 4 2 0 1 2 0 ，1 4 3 ，1 5 02 4 5 0 - 7 5 0 ，1 0 0 0 ，1 5 s i m a rd r i v ep w mo 6 3 5 7 2 81 2 6 1 2 4 6 ，1 2 ，2 4 4 2 0 0 s i m a rd r i v ec y c l04 4 7 51 7 9 0 1 7 06 ，1 24 8 5 9 9 8 5 1 0 4 ， s i m a rd r i v eb o o s t e rm o t o r66 3 9 0 1 0 4 p o d d e dp r o p u l s i o n 0 1 2 0 ，1 3 4 ， 4 3 1 18 6 2 2 1 26 s 1 m a rd r i v ec y c l o 1 7 5 ，1 7 6 ，l9 0 其他 0 7 、21 3 6 6 ，1 21 在系统结构方面，船舶电力推进系统几乎都采用吊舱式结构。所谓吊舱 式电力推进系统，就是推进电机直接和推进螺旋桨相联，构成独立地推进 模块，并吊在船体底部，可以3 6 0 。水平旋转。吊舱式电力推进系统主要有 a b ba z i p o d 推进器、k a m e w a 和a l s t o m 联合推出m e r m a i d 推进器、 s t n a t l a s 和j o h nc r a n e l i p s 共同开发d o l p h i n 推进器、s i e m e n ss s p p r o p u l s o r 推进器等。其中，a b b 吊舱式电力推进器占据着市场最大份额。 但系统结构多年来很少改变，尚有有待完善地方。s s pp r o p u l s o r 采用永 磁电机；用i g b t 实现周波变换器( c v c l o c o n v e r t e r ) 。m e r m a i d 系统采用 p w mi g b t 多电平变换器等。 a b b a z i p o d 吊舱式推进系统，得到了广泛地应用。1 9 9 0 年成功开发出 第一套1 m w a z i p o d 推进系统，装配在救生服务船上。最终突破是在1 9 9 7 年，两套1 4 m wa z i p o d 吊舱推进系统装配在巡航邮轮e l a t i o n 上。现在已 有1 2 2 套a z i p o d 吊舱推进系统装配在各型船舶上。2 0 0 0 年，推出c o m p a c t a z i p o d 推进系统( 小功率) ，现己签约3 8 套 1 2 - 13 i ，功率范围在 0 4 m w 一4 5 m w ，提供无限制驾驶角度( n 3 6 0 0 ) 。永磁同步电机直接驱动 筇一章绪论 定距螺旋桨，用变频实现转矩和转速精确控制。c r pa z i p o d ( 大功率) 推进系统，已有2 套被安装在日本r o p a x 渡轮上。 我国舰船综合全电力推进系统研究和应用方面起步较晚，在原动机、发 电机、配电、变频调速等关键技术方面，有一定工业基础。目前兆瓦级柴 油机、发电机和中高压配电板生产，都有较成熟技术。在电力电子及交流 调速领域取得不少科研成果，并有产品投入到实际应用，第三代器件i g b t 及其产品已开发成功。在舰用大功率燃气轮机、永磁电机、高压大容量电 力电子器件、吊舱式推进器等设计、制造方面与发达国家还有很大地差距， 在1 f e p 方面研究几乎还处于空白。 应用方面，1 9 9 8 年和2 0 0 4 年上海爱德华船厂为瑞士t a r b i t 航运公司 建造两艘化学品油轮，是国内第一次采用p o d 电力推进系统。采用西门子 公司s s p 7 ，1 x 5 1 0 0 k w ，1 2 p w m ，s i m a rd r i v ec y c l o 驱动控制方式。中 远建造1 8 0 0 0 吨级半潜船，是第_ _ = 艘使用电力推进的船舶，也是采用西门 子s s p 吊舱式电力推进系统，功率为2 4 7 m w ，吊舱可3 6 0 。旋转，利用 c y c l o c o n v e r t e r 将6 6 k v 交流电转换为1 2 7 5 h z ，3 3 k v 交流电，供给永 磁同步电机。 由长江船舶设计院设计和中港集团天津船舶工业公司建造的国内第一 艘电力推进自航式、大吨位全回转起重船，于2 0 0 3 年顺利交船。采用交流 变频电力推进一双固定导管螺旋桨、四舵和首、侧推进装置，采用p l c 控 制站对电力推进系统及主要机电设备进行监控和操纵。另外广州造船j 一、 大连船厂也建造了几艘电力推进船，采用了6 6 0 0 v 中压电力系统。大连与 烟台间轮渡船，东海石油平台也选用了电力推进系统。目前，我国还没有 自主设计电力推进系统在民用船上使用。 从上述船舶电力推进技术发展现状中发现，电机及其驱动控制技术是 整个电力推进系统关键技术之一。 1 3 船舶电力推进电机驱动控制系统现状 1 3 1 船舶电力推进电机发展现状 船舶电力推进之所以取得普及推广，主要得益于交流电机调速技术进 步，也与不断出现适用于船舶电力推进新型电动机密切相关，理想电力推 进电机不但要体积小，而且要重量轻。除异步、同步及常规永磁电机外， 目前还有几种新型电机较为瞩目。 5 海海事大学博t ：3 何论文 切向磁场永磁电机最近，由英国防御评估研究机构设计并得到劳斯莱 斯公司支持的切向磁通永磁电机，在功率密度上有了进一步提高。从3 m w 切向磁通永磁电机样机开始，然后研制l6 2 4 m w 永磁电机。在德国，西 l j 子公司也取得很大进展，成功研制5 m w ，1 5 0 r p m 永磁推进电机【”。 径向磁场永磁电机定子有效导体按电动机轴线径向地布置，转子装有 己径向化稀土永磁体。研究者对2 0 m w 各种船用推进电机进行了计算比较， 结果表明：其功率重量比等性能，要比其它已有电动机好，是未来大功率 舰船推进电机强有力的竞争者。大功率永磁同步电机( p m s m ) 因具有良 好性能，在船舶推进方面应用己成为必然趋势。西门子和a b b 都已开发出 径向磁通永磁电机。俄罗斯研制成功了3 5 m w 潜艇用永磁电机，正在研制 5 m w 永磁推进电机。美国在研制9 2 m w ，1 5 0 r p m 永磁推进电机。a l s t o m 已研制出2 1 5 m w 永磁推进电机，装配在q m 2 上【”。 多相永磁同步机把控制功率让更多的变频器分担，是减小逆变器额定 功率的可行办法。与三相永磁电机相比，每次开关时可以减小定子绕组电 流的压力。对j 二大功率或大电流的应用场合，多相驱动是非常便利的，如 船舶电力推进、航空应用电动或混合车辆等。从概念上看，多相永磁同步 电机并不是新的l “i ；但最近几年，这类电机驱动应用掀起了新的高潮 1 5 - 18 l 。 一般选择定了侧两套二三相或六相绕组的感应电机或同步电机作为推进电 机。两套三相绕组空间位置互差3 06 ( q u a s is i x p h a s e 或s p l i t p h a s e ) 。选择 不对称六相绕组代替对称六相绕组( 任何相邻两相绕组空间互差6 0 ) 的电 机，理由在文献【1 4 】中已详细讨论；本质上说，可以减少定子电流低次 谐波引起的转矩纹波。转矩纹波主要频率从六倍于供给频率转移到1 2 倍供 给频率，幅值显著减小。准六相机器结