（电力电子与电力传动专业论文）船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究.pdf

英文摘要 t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u s m o t o r sa p p l i e di ns h i pe l e c t r i cp r o p u l s i o n a b s t r a c t i nt h en e a rd e c a d e s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ce l e m e n t s ，h i 【g h p o w e rc o n v e r t e r s 鹊w e l la st h ea d v e n to fp o d e dp r o p u l s i o ns y s t e m s ，s h i pe l e c t r i c p r o p u l s i o nh a sg r a d u a l l yb e c o m et h em a i ns t e a mo ff u t u r es h i p sw i t hs e v e r a la d v a n t a g e s s u c ha sh i g h e rf l e x i b i l i t yo fs p a c ea r r a n g e m e n t ，b e t t e rm a n e u v e r a b i l i t y ，h i g h e rd r i v i n g e f f i c i e n c ya n dr e d u c e df u e lc o n s u m p t i o n t h er e s e a r c hb a c k g r o u n di nt h i sp a p e rw a sb a s e do ns o m ed o m e s t i ce l e c t r i cs h i p f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r u s tf o r c ea n dt o r q u eo fp o d e dp r o p e l l e r sw e r ea n a l y z e d ， a sw e l la st h er e s i s t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cs h i p m a t h e m a t i c a lm o d e l sa n d s i m u l n 、j km o d e l sw e r et h e ne s t a b l i s h e da n dt r e a t e da st h em a i ni o a do ft h ew h o l e s y s t e m ap e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) w a sc h o s e na st h ed r i v i n g m o t o ro ft h es y s t e ma n dh e n c et h ed i r e c ts t u d yo b j e c tb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ei nv a r i a b l es p e e do fh i g hp o w e rs y s t e m a f t e rt h a t , m a t h e m a t i c a lm o d e l so f ap m s mi nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m sw e r ea n a l y z e dh e r e ，a sw e l la st h eb a s i c p r i n c i p l ea n dt h ei m p l e m e mm e t h o do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a n dt h e n ，as t a t o r l i n k a g eo b s e r v e rw h i c hi sb a s e do nt h ep i da d a p t i v ec l o s e - l o o pc o m p e n s a t em e t h o dw a s a l s op r e s e n t e di no r d e rt oe f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ei m p a c to f o b s e r v i n gl i n k a g ec a u s e db y d co f f s e t t h r e e l e v e ls t r a t e g yw a si n t r o d u c e dh e r ei no r d e rt oc o p ew i t ht h ep r o b l e m so fh i g h t o r q u er i p p l ee n c o u n t e r e di nt h et r a d i t i o n a ld t cs y s t e m s f i r s t l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo f d i o d e c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e rw a sg i v e na n dt h es p e c i a lp r o b l e m sa r o u s e db yd t c t e c h n i q u ew h e ni tw a sa p p l i e di nv a r i a b l es p e e ds y s t e m sw e r ea l s od i s c u s s e d as i m p l e f e a s i b l ev o l t a g ev e c t o rs e l e c t i o ns c h e m ew a sp r o v i d e di no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so f n e u t r a lv o l t a g eb a l a n c ea n dr e s t r i c t i o no fv o l t a g el i m i t a t i o n sa n dg e tab e t t e rc o n t r o l o v e rt h e m 英文摘要 a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ep r o p e l l e rm o d e l ，t h es h i pm o d e la n dt h et h r e e l e v e l d t cm o d e lo fp m s mw e r ei n t e g r a t e d t h ew h o l es i m u l a t i o nm o d e lo fs h i pe l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mb a s e do i lt h r e e l e v e ld t ct e c h n i q u ew a st h e ne s t a b l i s h e di nt h e s i m u l i n ke n v i r o n m e n t b e n e f i t i n gf r o mt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c e so ft h em a r i n e a u t o m a t i o na n ds i m u l a t o rr e s e a r c hi n s t i t u t eo fd m u ，t h ea u t h o rd e v e l o p e da d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o ns y s t e mo fs h i pe l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi nv c + + e n v i r o n m e n t t h ec o m p a r i s o n so ft h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h r e e - l e v e ld t ch a sab e t t e rd y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lt w o - l e v e ld t ca n dh e n c ev a l i d a t et h ep r e s e n t e d s c h e m e k e yw o r d s ：s h i pe l e c t r i cp r o p u l s i o n ：p o d = p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u s m o t o r o p m s m ) ) t h r e e - l e v e l ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：照舶电左推进生丞磁回生曳扭控剑丕统数班宜：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名芝矽第昂村萨；月；7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和江：编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密回( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：导师签 日期：年 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 船舶电力推进是利用推进电机直接带动螺旋桨旋转，从而推动船舶行进的一种 推进方式。从船舶首次采用电机作为推进动力，至今已有近百年的历史【i 】。长期以 来，传统的看法认为，用发电机、配电装置、变频器和电动机来取代柴油机直接 推进会增加质量、体积和采购费，而且由于存在二次能量转换，其传动效率将低 于柴油机直接推进，从而导致全寿命周期费用增加。因此从护卫舰到航空母舰等 许多军用舰船，以及油船、客货船等许多大型民用船舶大多采用气轮机、柴油机 推进方式1 2 。3 】。尽管如此，电力推进所特有的噪声低、机动性能好、舱室布置灵活 等优点还是被人们所重视，电力推进在潜艇、破冰船、拖船等舰船上还是得到了 较广泛的应用。 2 0 世纪八十年代以来，现代电力电子技术开始向着高频，高效( 低开关损耗) ， 高功率因数，高功率密度( 组合集成化) 及高压大功率方向发展。以g t o 、b j t 、 m o s f e t 、i g b t 为代表的自关断器件得到长足的发展，尤其是以i g b t 为代表的 双极性复合器件的出现使得电力电子器件沿着大容量、高频率、易驱动、低损耗、 智能模块化的方向发展。伴随着电力电子器件的飞速发展，大功率变频器及交流 调速技术的发展也日趋高性能化。现代电力电子技术不仅改变了船舶能量变换的 面貌，而且使原先船舶电力推进存在的一些缺点发牛了根本性的变化，其优点和 长处得到进。一步的发展，同时进入实用阶段的永磁同步电动机给船舶电力推进装 置带来了更小的体积和更轻的重量：超导技术和燃料电池的研究已在某些领域有 了一定的进展。这些技术一旦得到突破都将会给船舶电力推进带来更加深刻的变 化。当前船舶所采用的电力推进已经不是以往的简单重复，无论是船舶总体系统 的组成或是推进装置自身的性能都有了长足的进步和提高。现代电力推进技术和 早期电力推进相比，最大的不同就是建立了综合全电力推进系统( i n t e g r a t e dp o w e r s y s t e m 简称i p s ) 1 4 1 ，亦即把船舶电力推进和口常用电的发电设备综合为一个统一 第l 章绪论 的电网加以考虑和设计。这样的综合系统不但能充分发挥电力推进系统原有的优 点，而且能为船舶带来更大的灵活性，以满足海上运行的各种要求。 现代船舶电力推进系统的优点主要体现在以下几点1 5 j ： ( 1 ) 有利于实现船舶动力装置的最优化配置和布局设计。采用综合全电力推 进系统，推进装置不需要构成长轴系，柴油机( 燃气轮机) 发电机组与推进电机 都可以相对独立布置，使总体设计的自由度大大增加。 ( 2 ) 机动性能好。由于电动机的转速易于调节，其控制性能明显优于传统的 热力机械，同时电力推进船舶还具有紧急停船时滑行距离短、小角度回转和快速 响应等优点。特别是采用吊舱式螺旋桨推进方式，可以不受传统舵的3 5 度角限制， 可以实现全方位旋转，大大增加船舶的旋转机动性。 ( 3 ) 推进效率高。电力推进船舶采用定距桨代替变距桨，可以大大提高螺旋 桨的推进效率，尤其是吊舱式电力推进船舶，还省去了舵，使螺旋桨和船体的间 距可以比较大，这意味着螺旋桨受船体伴流的影响明显减小，与传统的定距桨( 特 别是大功率船用双桨) 相比推进效率提高了6 - 1 0 。 ( 4 ) 节能与环保。减少各种燃油和滑油的消耗，减少废气排放和震动噪声污 染。 ( 5 ) 缩短建造周期并降低全寿命周期费用。从设计全过程来看，所有电源、 配电、推进模块以及各种用电设备都有模块供选择，大大简化并缩短了设计过程； 从生产角度来看，这些模块可以同时在高效的工厂环境中生产、测试，短的轴系 既利于生产又易于安装，因此建造周期可以得到大大缩短。 电力推进船舶的优点是明显的，但同时也有它的技术要求，首先船舶电力推进 要求推进功率大，例如，“玛丽女千2 号”游轮的推进功率高达1 1 8 m w ：调速范 围宽，以保证船舶在不同情况下的各种船速；推进系统动态性能好，使船舶具有 良好的机动性和灵活性；推进系统要求效率高，以节约能源，保证船舶较好的续 航能力；体积小、重量轻，从而节省船内有限的空间，减少船舶自身的体积和重 量。此外，还要求安全可靠，维修方便等。 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 2 0 世纪9 0 年代，随着吊舱式( p o d ) 电力推进装置的出现和推广应用，使大 型船舶推进系统产生了巨大变革。p o d 取消了传统的舵板，将电机安装在水下密 封的吊舱内，直接带动螺旋桨旋转，而且吊舱可以实现3 6 0 度全方位旋转，不受 传统舵桨的3 5 度角限制。 与传统燃机和电力推进装置相比，吊舱式电力推进装置的优点主要体现在以下 几点1 6 l ： 1 ) 大大改善了船舶操纵的机动性，船具有较小的回转半径，可原地回转，也 可以横移：缩短了紧急停车距离，倒车能力强。使船舶操纵更安全、更灵活。 2 ) 省去传统舵系部件，改进了船的线型，大幅度降低阻力，提高推进效率。 阻力可下降1 5 2 0 ，大大节约了能源，增加了船舶的续航能力。 3 ) 减轻了船舶的自重，船舶的总体布局更加灵活，增加了船舶的载重量。 4 ) 动力装置振动小、噪声低，而且还减小了有害气体的排放。 由于吊舱式电力推进装置具有上述显著的优点，国际上，已经在大型游轮、作 业船、渡轮等电力推进船舶系统中大量推广应用这一技术。 但是，由于吊舱式螺旋桨的主推进电机置于水下封闭的吊舱内，其体积、重量 和通风等问题就成了该技术应用的瓶颈，特别是大型船舶。而永磁同步电动机以 其体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、可靠性高等优点，成为吊舱式电力推 进主电机的最优选择。永磁同步电动机用于船舶电力推进中具有如下优点1 6 】： 1 ) 更高的效率，永磁同步电动机采用高效永磁体，转子没有激磁损耗，电机 整体效率高达9 8 以上。 2 ) 体积小、重量轻，相同输出功率的永磁同步电动机比直流电动机在体积、 重量方面减少4 0 。 3 ) 电机直径显著减小，转动惯量小，电机转子与螺旋桨可以一体化设计。 4 ) 转速低，螺旋桨转速可以从2 0 0 r m i n 下降到1 2 0 r m i n ，提高转矩，提高螺 旋桨效率，降低噪声。 5 ) 低噪声，低振动，较直流电机安静。 第1 章绪论 6 ) 由于永磁同步电动机转子不发热，无需转子外部空气冷却系统，解决了吊 舱式电力推进系统散热难的技术难题。此外，定子冷却利用吊舱外壳在水下散热， 充分利用了电机能力。 1 9 8 7 年，德国西门子公司为德国海军研制成功的“s c h w e d e n e c k 一号睡眠舰船， l1 0 0 k w 、2 3 0 r m i n ，采用6 相永磁同步电动机推进。与相同舰船直流电机推进系统 相比，其重量、体积和长度减少了4 0 ，损耗为直流电机推进的8 0 船用永磁同步电动机由大功率变频器供电，国际上船舶电力推进系统，功率小 于2 m w 的交流变频调速装置大多采用i g b t 脉宽调制p w m 电压型变频器，功率 大于4 m w 的大多采用交交变频器，而功率大于1 5 m w 的大型游轮电力推进系统 采用负载换向( l c i ) 交直交同步电机调速系统。 对于这种中压变频电源，其输出方式主要有两种：一种是直接输出大电压，另 一种是经过变压器升压之后输出大电压。对于第一种情况则要求变频器有承受相 当数量电压的能力，而对于第二种输出方式，虽然对变频器本身没有太多的要求， 但却存在着先天性的缺点，不仅增加了系统的复杂性和成本，同时也降低了变频 系统的效率【丌。 为达到中压的要求，目前主要有两种实现途径，一是采用电力电子器件的串联， 结构为二电j c 逆变器，但需要解决电力电子器件串联而引起的动、静态均压问题； 二是采用多电平逆变电路结构，可以避免开关器件串联问题，降低了电压变化率， 从而降低了对开关器件电压承受能力的要求，同时也减少了共模干扰，相应提高 了电机的效率，此外多电平策略还有控制灵活、输出电压的相位和幅值便于调节 和控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高等优点，而且由于可以使用价格相 对便宜的低频高压大功率开关器件，故受到了许多国内外著名电气公司的青睐哺j 。 我国各高校和科研院所也在积极开发这种新一代的电气传动设备，开发利用新能 源。显然，开发具有自主知识产权的大功率多电平逆变器交流传动系统，不仅具 有显著的经济效益而且具有深远的社会效益。 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 1 2 课题研究的国内外现状 2 0 世纪9 0 年代，在大型柴油机一电力推进系统中，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【l o l 。目前全电力 推进船舶正在蓬勃发展，t 4 5 型“d a r i n g ”是世界上最强大的第一艘真正意义上的 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 已于2 0 0 7 年全部服役，最大速度 达到2 8 k n s ，采用a l s t o m 公司提供的2 2 0 m w 推进电机和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。快速停船和速度反向产生的动能由变换 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 到预先设定的极限值之前，将能量转移到大电阻箱，以热能形式消耗掉【1 2 1 。 我国在舰船综合全电力推进系统的研究和应用方面起步较晚，但发展迅速，在 原动机、发电机、配电、变频调速等关键技术方面，已积累了一定的工业基础。 目前兆瓦级柴油机、发电机和中高压配电板生产，都有比较成熟的技术。在电力 电子及交流调速领域取得了不少的科研成果，并有产品投入实际的应用，第三代 电子器件i g b t 及其产品已开发成功。然而在舰用大功率燃气轮机、永磁同步电动 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 很大的差距，在i f e p 方而的研究也仍然处于起步阶段i 协5 l 。 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 航运公司建造了两 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 s p 7 ， l 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。中远建造的1 8 0 0 0 吨级半潜船，是第二艘使用电力推进的船舶，也是采用西门予s s p 吊舱式电力推 进系统，功率为2 4 7 0 0 k w ，吊舱可3 6 0 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，供给永磁同步电动机【l o 】。 由长江船舶设计研究院设计巾港集团天津船舶工业公司建造的国内第艘电 力推进，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。另外广州造船厂和大连造船厂也在建造几艘电力 推进船舶，采用6 6 0 0 v 中压电力推进系统。大连与烟台间的烟大轮渡船，东海石 第l 章绪论 油平台也选用了电力推进系统，其中烟大轮渡船。中铁渤海轮渡一号 和“中铁 渤海轮渡二号 均采用a b b 公司提供的推进系统。目前我国还没有自主设计电力 推进系统在民用船上使用【i o l 。 而在高性能大功率交流变频调速的研究和应用方面，主要有两个发展方向，一 个是研究高性能、，高开关频率、高耐压的开关器件，另一个是从逆变器的拓扑结 构入手，研究开发多电平逆变器。而后者由于整体效率高，d r d t 小，共模干扰小、 输出电压的谐波含量小等优点，已经成为现代电力电子技术的最新发展之一l 引。 虽然采用多电平拓扑结构的商用产品直到2 0 世纪9 0 年代才出现，但是其发展 非常迅速，越来越多的商业化产品都已经开始了基于多电平逆变器的设计，关于 多电平逆变器的科研成果正在不断的涌现。在国内，有不少高校和科研院所已经 在进行高压大功率多电平逆变器的研究，而且已经取得了一些成果，新的拓扑结 构和控制方法也不断地被提出，但大多数仍然停留在实验室研究阶段，还不能进 行产品定型，走向市场。因此，要实现高压大功率多电平逆变技术的产业化发展， 还需要我们坚持不懈的努力。 1 3 系统仿真的发展现状与意义 系统仿真是近四十年来发展起来的一门综合性很强的新兴技术科学，它集成了 计算机科学技术、网络技术、图形图象技术、多媒体技术、软件工程技术、信息 处理和自动控制等高新技术的知识，以计算机和各种物理设备为工具，利用系统 模型对实际的或设想的系统进行实验研究。 伴随着第一台电子管计算机的诞生和以相似理论为基础的模拟技术的应用，建 模与仿真作为一种研究新产品、新技术的科学手段，已经成为许多领域科研工作 者必不可少的t 具，而且在航天、航海、兵器等模拟训练中也有广泛的应用前景。 1 9 3 0 年左右，美国海军陆战队就采用了林克仪表飞行模拟器进行模拟训练，当时 其经济效益相当于每年节省1 3 亿美元而且少牺牲了5 2 4 名飞行员1 1 6 1 5 0 年代， 澳大利亚武器研究机构和英国皇家航空研究所联合研制的b l o o dh o u n d 导弹， 利用了仿真实验辅助发射，与同期的美国、苏联、德国直接通过导弹发射相比， 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 发射次数仅为后者的十分之一，大大减少了成本。随着建模与仿真技术的发展以 及其在新产品、新技术开放发面显示出来的优越性，为改变当时各领域独立闭塞 式开发研究的状况，美国国防部于1 9 9 5 年正式颁布了建模与仿真总体规划 m s m p ( m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nm a s t e rp l a n ) ，试图把各部门的力量汇集起来，解决 建模与仿真的共同问题，形成分布式交互仿真，以节省人力、物力。 我国在建模与仿真技术方面起步较晚，但短短的几十年间，我们已经取得了飞 速发展。2 0 世纪5 0 年代初，建模与仿真技术最早应用于自动控制领域，飞机、导 弹的飞行控制、制导系统采用数字仿真和半实物仿真进行分析试验，采用的是模 拟计算和面向方程的建模方法。6 0 年代，建模与仿真的应用不仅仅在连续系统和 工程领域，而且扩展到离散系统和社会经济等非工程领域，如交通管理、企业管 理、人口动力学等。7 0 年带，训练仿真器获得突破性进展，各领域应用训练仿真 器对驾驶员、指挥员和管理人员进行培训，飞行模拟器、电站训练仿真器、铁路 机车仿真器等相继研制成功。8 0 年代，我国建成了一批具有先进水平的仿真实验 室和仿真工程，应用于型号研制。在仿真算法和仿真软件方面，包括微分方程、 线性方程和离散事件的串行离散混合仿真语言，可在工作站和微机上运行。9 0 年 代，我园对新的仿真技术展开了研究，其中包括联网仿真、分布式交互仿真、虚 拟现实仿真、建模与仿真的重用和互操作性以及分布式虚拟环境等。在船舶电力 推进系统的研究方面，同样也采用了系统建模与仿真技术，如：武汉理工大学船 舶电力推进系统仿真实验室早在2 0 0 3 年以前就展开对船舶电力推进系统的建模与 仿真研究，大连海事大学船舶自动化与仿真器研究所是国内少数几家有独立开发 大型轮机模拟器能力的科研单位之一，在模拟器研究领域享有较高的声誉，已经 成功地完成了“基于虚拟现实技术的船舶轮机仿真系统的研究 、“船舶运动与 主动力装置智能控制虚拟现实仿真系统的研究”及“青岛远洋船员学院多功能大 型集装箱船轮机模拟器的研制”等科研项目，目前也致力于船舶电力推进系统的 建模与仿真研究。另外，哈尔滨工程大学、上海海事大学、上海交通大学以及中 国船舶重工7 l l 、7 12 研究所也有相关的预研项目 1 6 - 1 7 1 。 第l 章绪论 本设计来源于导师的课题项目：智能运输系统与智能控制算法可视化仿真的研 究( 国家2 l l 工程重点实验室建设项目，高等学校博士学科点专项科研基金资助 课题) ，论文选题紧密结合导师和船舶自动化与仿真器研究所的研究工作，研究 内容主要体现在电力推进船舶建模及其主推进电机的控制与仿真方面。 1 4 本文完成的主要工作 本文采用二极管中点钳位型三电平逆变器，以三电平直接转矩控制技术在船 舶电力推进永磁同步电动机控制系统中的应用作为主要研究课题。论文的主要 工作如下： 1 查阅国内外船舶电力推进方面的大量资料，以国内某电力推进船舶为研究 背景，建立电力推进船舶的船一机一桨数学模型。并且在m a t l a b 的s i m u li n k 环 境下建立了吊舱式螺旋桨仿真模型和船舶运动仿真模型。 2 查阅国内外三电平逆变器方面的大量资料，对永磁同步电机的直接转矩 技术进行了深入的学习和研究。 3 通过对二极管中点钳位型三电平逆变电路原理的深入分析，建立了基于 三相永磁同步电动机的三电平n p c 逆变器数学模型。 4 根据三电平逆变器的新特点，通过对直接转矩控制算法的研究，设计了基 于三电平逆变器的直接转矩控制开关矢量表；建立了基于三电平直接转矩控制 的船舶电力推进系统的仿真模型，并在此基础卜进行了基于三电平直接控制技 术的船舶电力主推进系统的仿真研究。 5 借鉴本校船舶自动化与仿真器研究所研制火型船舶轮机模拟器的成功经 验，在v c + + 开发环境下，建立船舶电力推进的分布式虚拟仿真系统，并在此基 础上进行船舶电力推进系统的分布式仿真研究。 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 第2 章电力推进船舶的运动分析及其数学建模 2 1 船舶运动的概述 船舶的运动包括运动学和动力学两个方面他】。描述船舶位置、速度、加速度、 角速度、角加速度等物理量随时间变化的规律属于船舶运动学；研究船舶受到力 和力矩作用后运动位置和姿势的改变属于船舶动力学。 ( 1 ) 船舶的直线运动 直线运动是指船舶在某一条直线上运动从运动方向来分，直线运动可分为纵 向运动、横向漂移( 平移) 运动、垂向沉浮( 升降) 运动。直线运动从运动方向 的变化性来分又可分为往复运动( 也称为振动、荡动) 和单向运动( 也称为进动) 。 荡动又可分为横荡、垂荡、纵荡，分别以横向、垂向、纵向轴为运动直线。 ( 2 ) 船舶的回转运动 回转运动是指船舶以某个方向为轴，产生角度的变化运动。从转动轴来分可分 为三种形式，以纵向为转动轴的称为横向转动；以横向为转动轴的称为纵向转动； 以垂向为转动轴的称为水平转动。从转动的方向来分又可分为单向转动( 以横向 或纵向为轴称为倾斜，以垂向为轴称为回转或改变航向) 或往复转动( 摇动) 从转动轴来分，摇动可分为以纵向为转动轴的横摇、以横向为转动轴的纵摇和以 垂向为转动轴的首摇。 从船舶的直线运动和回转运动特点可知，荡动和摇动是外界水流和风浪作用后 引起的，是一种随机运动；单向直线运动和单向回转运动则是操纵船舶引起的， 是可控的。 2 2 船舶运动的推进力 船舶推进器是船舶运动的动力，推进器的类型甚多，比如螺旋桨、风帆、明轮、 直叶推进器、喷水推进器、水力锥形推进器以及一些在普通螺旋桨的基础上发展 起来的特种推进器。本文所讨论的船舶电力推进系统中所用的推进器吊舱式 螺旋桨就是近年来在普通螺旋桨基础上发展起来的。 第2 章船舶运动分析及其数学建模 2 2 1 吊舱式螺旋桨的推力及扭矩模型 和普通螺旋桨一样，吊舱式螺旋桨也由若干桨叶组成，各邻近叶片之间相隔的 角度相等。当螺旋桨转动时，桨叶向后拨水而产生推力，其本身除了旋转外，还 跟着船舶一起做直线运动。螺旋桨的推力和扭矩可以用下面式子来表示【1 9 2 1 1 ： t = k 7 , o n 2 d ： ( 2 1 ) q = , o n 2 d ； ( 2 2 ) 式中行为螺旋桨转速，单位为转秒；p 为海水的密度，单位为千克立方米；啡为 螺旋桨直径，单位为米；k r 为推力系数：为扭矩系数，它们均是进速比的函 数 螺旋桨在水中的实际前进速度称为进速，用匕表示，其旋转一周向前前进的 距离称为进程，用表示，则有： = 鲁 ( 2 3 ) 螺旋桨进程与螺旋桨直径d p 的比值称为相对进程，也称进速比，用j 表示， 其表达式为： ，：笠：旦( 2 4 ) d pn d p 进速比，是影响螺旋桨性能的一个重要参数，在螺距户和转速一定的情况下， 若不考虑诱导速度，进速比，越小，螺旋桨的推力和扭矩越大。当进速比j = o 时， 这时进速为零，即螺旋桨只旋转不前进，螺旋桨的推力和扭矩都达到最大值。随 着进速匕的增加，进速比j 增加，推力和扭矩随之减小。 2 2 2 螺旋桨的重要参数 ( 1 ) 盘面比秒 螺旋桨的各桨叶伸张轮廓所包含面积之总和称为伸张面积，以么，表示；螺旋 桨旋转时叶梢( 桨叶的外端) 所划过的面积称为螺旋桨的盘面积，以如表示；螺 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 旋桨的叶梢直径称为螺旋桨的直径，以d 。表示。盘面比为伸张面积以与盘面积如 的比值。 ( 2 ) 螺距比 螺旋桨的面螺距p 与直径d ，之比称为螺旋桨的螺距比。如果螺旋桨叶面各不 同半径处的面螺距相等，则该螺旋桨为等螺距螺旋桨；如果螺旋桨叶面各不同半 径处的面螺距都不相等，则该螺旋桨为变螺距螺旋桨。对于变螺距螺旋桨，一般 取半径为0 7 0 r 或0 7 5 r ( r 为螺旋桨的叶梢半径) 处的面螺距代表螺旋桨的螺距。 2 2 3 螺旋桨推进力图谱 在螺旋桨出厂前，一般要进行试验，检验螺旋桨的推进性能。试验得到的一系 列相关试验数据，可绘制成工作特性曲线，反映出螺旋桨推进力与各项参数的关 系。当螺旋桨的直径、螺旋桨叶数、叶盘比发生变化时，螺旋桨的工作特性曲线 是不一样的。螺旋桨模型单独在均匀水流中的试验称为敞水试验。由敞水试验得 到的无因次推力系数k r 、无因次扭矩系数和螺旋桨效率与进速比j 的关系 被称为螺旋桨特性曲线( 敞水特性曲线) 。 在进行船舶运动特性模拟时，螺旋桨特性一般可根据螺旋桨模型系列试验图谱 进行计算。一个螺旋桨系列，是将一定类型的螺旋桨按次序变更某些主要参数而 构成的。在同一系列中，将桨叶数z 和盘面比0 相同，而螺距比尸d ，不同的五或 六个螺旋桨模型称为一组，并将同一组螺旋桨的敞水特性曲线绘制在同一图谱内。 在船舶操纵运动特性研究中，可根据实船配置的螺旋桨类型，采用上述图谱 计算推力和扭矩系数。一般来说，随船资料会给出本船螺旋桨的推力系数、扭矩 系数特性曲线。若没有这样的船舶资料，则应根据实船配置的螺旋桨类型，采用 上述图谱计算推力系数和扭矩系数。不同类型的桨推力系数和扭矩系数一般相差 不大，故在实际仿真计算中可采用信息较全的图谱，如荷兰b 型螺旋桨系列图谱， 这样做已足够满足工程上精度的要求。如无螺旋桨敞水特性曲线，可根据螺旋桨 参数由回归分析公式近似计算推力系数、扭矩系数，再根据实际仿真结果调整。 如图2 1 所示为某螺旋桨工作特性曲线。 第2 章船舶运动分析及其数学建模 当船舶处于静水无风浪稳定航行时，螺旋桨运行在图2 1 中的j = c ( 常值) 的 某一工作点上。然而实际船舶在航行中，受到海面情况的变化，船体阻力的变化 以及机动操作的需要，螺旋桨的进速匕或转速刀将发生变化，于是进速比，也发 生变化，进而引起螺旋桨推力和扭矩也发生变化。由此可见螺旋桨的敞水特性描 述了桨在各种工况下的运转特性。根据此特性能仿真出船舶工作在任何运行状态 下的螺旋桨的工作特性。 田p i j -，-一 一 i 、 、 巡9 ， i f- - - -鱼 厂、 、 if i 一、 - 1 、 - 一 j， 、 1 k ， 卜i 图2 1 螺旋桨工作特性曲线 f i g 2 1w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fp r o p e l l e r 2 2 4 螺旋桨与船体的相互作用 以上讨论的是螺旋桨的敞水特性，但实际上螺旋桨是在船尾工作的，这时桨与 船会相互影响。一方面，螺旋桨会受到船体尾流的影响；另一方面，螺旋桨的工 作会使船体尾部的流场发生变化。其结果使得船体与螺旋桨都与它们单独工作时 不同。因此在研究螺旋桨装船后的水动力特性时，应把船体与螺旋桨作为一个整 体进行研究，但是因为这一问题本身的复杂性和难度，迄今为止还未得到很好的 d 9 8 7 6 5 4 3 2 lm吣。瞄们帖吣眈叭。 嚣嗽 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 解决，所以现实的选择只能是采取代替的解决方法。在工程应用上首先考虑船对 桨的影响，然后考虑桨对船舶的影响，最后再以简单的形式对两个结果进行综合 从而求得最后的结果。 ( 1 ) 船对螺旋桨的影响 船在水中向前航行时，会有三种伴流对螺旋桨产生影响。首先因水有粘性，故 当船在运动时沿船体表面形成界层，界层内水具有向前的速度，形成正伴流，这 种因粘性摩擦而伴随流动的水流称摩擦伴流。其次，由于船身周围的流线运动， 当船舶在水中向前航行时，首尾处的水流具有向前速度，即产生正伴流，而在舷 侧处水流具有向后速度，故为负伴流。由此而形成的伴流称为形势伴流或势伴流。 此外，由于船舶的兴波作用，船在航行时，水面形成波浪。螺旋桨附近为波峰或 波谷，则水质点具有向前或向后的速度。这种因波浪作用而使水产生的伴随船身 的运动称为波浪伴流，一般较小。 设船对水的速度为v ，由于伴流使流过螺旋桨的水流速度匕，显然匕 ，。定 义伴流速度为“：，一匕，伴流系数为g ：兰：l 一丝，可见螺旋桨相对水的速度 1 ， ， 匕= ，( 1 一占) 于是螺旋桨的进速比，可表示为： ，：旦：v o - c )( 2 5 ) n d en d e ( 2 ) 螺旋桨对船的影响 螺旋桨在船后工作时，桨的吸水作用使船尾的流速增大。根据伯努力定理，流 速增加则压力下降，因而船尾水流速度增加将导致船尾压力重新分布。尾部压力 降低，首部压力不变，船增加了额外的阻力，此外，由于尾部流速增大，摩擦阻 力也有所增加，这样，就会导致螺旋桨的有效推进力较螺旋桨位置固定不变条件 下进行敞水试验时所得到的推进力要小，因此要在理想推进力的基础上减去一定 的值才是螺旋桨的有效推进力，称为推力减额t 。推力减额t 用所占理想推进力的 比例来表示。推力减额主要由四部分组成，分别为摩擦分量t f 、压差分量f p 、兴 波分量t 和船型修正分量t s 。即： 第2 章船舶运动分析及其数学建模 t 2 t f 七t p + t + t s 0 = o o l a b s ( v 1 4 ) t p = 0 0 0 8 8 ( v 1 4 ) t w = 0 2 5 ( o d 一0 2 ) t s = 0 1 8 + 0 7 ( b l s 一0 1 6 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中国为伴流系数，b l s 为船体的宽度和长度的比值，1 4 为船舶设计的最大航 速( 米秒) 。 摩擦分量中的船速取绝对值，因为不管前进后退，产生的摩擦力都是反作用力。 而压差分量中的船速不取绝对值，因为船倒退时船尾水流产生的压差有利于推进 力( 倒向的) 增加，所以其为负值，使推力减额值减小。因此在实船计算时，螺 旋桨的实际推力瓦与敞水中的推力r 应满足r 严r ( 1 一，) 。 ( 3 ) 螺旋桨的效率 当螺旋桨装船后，设船的总阻力为船尾螺旋桨的效率公式如下： r ，t ( i 一，)y t l l r j k 1 一， r = 荔而oh o q2 o n oq 高2 西南一l - c o2 瓦- - - - i 而2r lprl2zc s 2 万l 一彩2 万刀q2 万如 l 一国 。 ( 2 1 1 ) 式中孙=21r生k为螺旋桨的理想推进效率，钒=圭三为船体影响系数02 1一缈 另外，由于伴流在螺旋桨盘面上的分布不均匀，对螺旋桨的效率也有影响，其 数值体现在相对旋转效率r l ，上，其值约为0 9 7 一1 0 5 。因此螺旋桨本身在船后工作 时的效率为1 1 0 = 仉仉。 2 2 5 螺旋桨的扭矩特性 螺旋桨扭矩特性指的是螺旋桨的扭矩与转速之间的关系曲线。最常见的是三条 特性曲线。 ( 1 ) 自由航行特性曲线 船舶电力推进中永磁同步电机控制系统的研究 船舶在静水中无外力约束自由航行达稳态时所得到的螺旋桨扭矩与转速之间 的关系曲线称为自由航行特性曲线。在此特性曲线上进速比j ，为常值，扭矩 特性近视一条二次曲线，其表达式可以写成： = 群刀2 = 如疗2 ( 2 1 2 ) 其中，为船舶稳定航行时螺旋桨扭矩；k 砂为扭矩系数。 这样，对应于进速比j 的不同取值，将得到一组具有平方关系的特性曲线，如 图2 2 所示。 q 。 ，j o j = 。诊譬 矿 0 n 图2 2j = c 时的螺旋桨工作特性曲线 f i g 2 2w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fp r o p e l l e rw h e nj _ c 在任意一条j - - c ( 常值) 的特性曲线上，螺旋桨的每一转速都对应一个确定的航 速。整个一条特性曲线对应很多不同航速，j = 0 对应螺旋桨的系缆状态。实际卜， 螺旋桨装船后，要考虑船的阻力特性。桨的工作点要满足船舶的阻力和桨的推力 达到平衡的要求，船稳定航行的工作点是船的阻力特性曲线和桨的有效推力特性 曲线的交点，即= 丁( 1 ，) = r ，其中r 为船舳阻力，为航速v 的函数，由此可 见，船舶在稳定航行时，船速与桨的转速成正比，螺旋桨必工作在某一j = c ( 常值) 的特性曲线上。 ( 2 ) 系缆( 抛锚) 特性 第2 章船舶运动分析及其数学建模 当船舶在有风暴的情况下或拖带其它船只的情况下航行时，船的推进阻力增 加，航速降低，螺旋桨的工作特性向上移动，若阻力很大，航速为零，便得到系 缆特性曲线，如图2 2 中曲线( j = 0 ) 。系缆工作特性表达式可写成： q = 如矽；疗2 = k 丹一2 ( 2 1 3 ) 其中，q 为船舶系缆时的螺旋桨扭矩，x 为扭矩系数。 ( 3 ) 螺旋桨反转特性 当船速不变时，螺旋桨实施反转过程中扭矩与转速的关系曲线称为螺旋桨的反 转特性曲线。螺旋桨的反转时间与船舶的倒航时间是有区别的。螺旋桨反转时间 短，以秒计算，而船舶倒航( 例如由全速前进到全速后退) 所需要的时间很长， 以分计算。在过渡过程中倒航时间是螺旋桨反转时间的1 0 0 1 5 0 倍。因此可以认为， 在船舶实施倒航的初始阶段，船舶航速不变，尽管螺旋桨这时已在反向旋转。正 因为如此，螺旋桨在反转时，桨的扭矩特性有非常特殊的变化。 q 。 l ” 0。 纩 v b n 7 c 图2 3 螺旋桨的反转特性曲线 f i g 2 3r e v e r