小型船舶电力推进控制系统设计(附件)【字数：17264】
摘 要摘 要船舶电力推进技术是当今船舶行业的新兴技术，该技术能够有效的改善柴油机推进船舶噪声大、效率低、可控性差的问题，在小型船舶领域广为传播和使用。这种技术为现今船舶发展的方向，是一种运用电力电子设备和电能进行驱动的方案，也成为了各国争相发展的关键技术。国外对于船舶电力推进技术拥有比较先进的方案和设计，而我国的电力推进技术才刚刚起步。本课题针对船舶电力推进系统进行软件仿真研究，希望对电力推进技术起到一定的帮助。本文首先详细介绍了船舶电力推进系统的主要利弊和结构，分析了船舶电力推进电机的类型和优缺点。然后着重介绍了矢量控制异步电机的控制原理，并给出其数学模型以利于仿真。再通过对螺旋桨特性和参数的分析，介绍了螺旋桨工作中的一些关键因素。利用图谱拟合的方法给出螺旋桨的简单数学模型。接着本文利用Matlab/Simulink软件对上述两者的数学模型进行仿真实验，运用模块化的思想方法建设好各个用于各种功能的仿真模块，再将其组合到一起。最后对仿真的结果和数据进行分析和介绍。关键字小型船舶；电力推进；异步电机；矢量控制；Simulink
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 2
1.2.1 国外技术及现状 3
1.2.2 国内技术及现状 6
1.3 船舶电力推进电机分析 6
第二章 异步推进电机矢量控制原理 9
2.2 磁场定向的几种方法 10
2.3 直接矢量控制和间接矢量控制 10
2.4 坐标变换 11
2.4.1 CLARK变换 11
2.4.2 2S/2R变换 14
2.5 异步电机的数学模型 15
2.5.1 异步电机等效到静止坐标系下的数学模型 16
2.5.2 异步电机按转子磁链定向的数学模型 18
2.6 基于电压计算和观测转子磁链模型 19
2.7 本章小节 20
第三章 螺旋桨特性及数学模型 21
3.1 螺旋桨特性参数 21
3.2 在淌水状态下螺旋桨的推力和转矩 21
3.3 传播运动过程中所受阻力 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
22
3.4 螺旋桨工作特性曲线 23
3.5 螺旋桨的数学模型 25
3.6 本章小节 26
第四章 矢量控制异步推进电机及螺旋桨仿真 27
4.1 矢量控制异步电机的仿真 27
4.1.1 异步电机模块 29
4.1.2 磁链观测模块 29
4.1.3 ASR模块 30
4.1.4 ACR及逆变电路模块 30
4.1.5 给定电流计算模块 31
4.1.6 坐标变换模块 32
4.1.7 矢量控制异步电机仿真结果分析 33
4.2 螺旋桨工作在负载状态的仿真 35
4.2.1 进速比模块 36
4.2.2 推进系数模块 36
4.2.3 转矩系数模块 37
4.2.4 转矩和推力模块 38
4.2.5 航速计算模块 40
4.2.6 整个系统模型 41
4.2.7 螺旋桨仿真结果分析 42
4.3 本章小节 42
总结与展望 44
致 谢 45
参考文献 46
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
传统柴油机船舶推进系统效率低、噪声大、可控性差的问题急需解决，随着科学技术的发展，特别是电子技术的突飞猛进，使得用于替代传统船舶推进系统的电力推进控制系统成为现实。[1]相比传统柴油机推进船舶而言，电力推进船舶具有无可比拟的优势，这也为研究电力推进控制系统增添更多动力。
在百年前电力推进的概念就已经被提出，1830年左右电力推进有过一个发展的高峰期。其瓶颈是当时的电力交流调速技术的不成熟，所以大多数都采用电力直流电力推进。[2]尽管直流电力推进调速系统的结构简易、调速性能好，但由于直流电机结构复杂、重量和体积大且因为电刷等装置的可靠性不高，所以只在一些潜水艇和工程用船舶上应用。直到1880年，随着电力电子技术的迅猛发展,新型电机控制系统在效率和可靠性等方面有了重大突破，使电力推的应用范围变得越来越大，除了在大中型常规船舶上应用，比如豪华游轮、化学品船、渔船等也开始采用电力推进方式，显现出光明的市场前途。[3]
在1890年之后，电力推进又有了跨越式的进步，出现了吊舱式、导管式等新型架构，让电力推进这项技术更加成熟和先进。[4]目前许多豪华游轮都开始采用吊舱式电力推进系统，实用过程中取得很大成功。吊舱式电力推进系统是一场船舶推进系统的革命，让船舶推进系统更加科学和高效。吊舱电力推进系统的特点就是推进电机位于被置于船体外的舱体内，通过连轴装置直接推动螺旋桨。[5]它可以在水中无死角的旋转，如此设计便省去了舵机等装置。因为吊舱的设计把推进电机和螺旋桨置于船体之外的水下，让船体设计更加优化，也极大提高了装机总功率。这些新的设计让电力推进系统大大提高了其可靠性、适用性、机动性，也让电力推进系统能够更广泛的推广。吊舱式电力推进系统凭借这些优势成为了新的发展方向。[6]推进系统的关键问题在于调速性能，随着电力电子技术的发展，交流电机的调速已经日趋成熟，有取代直流电机而代之的趋势，于是本次毕业设计选用异步电机作为控制对象。
小型船舶电力推进系统的推进功率一般不到1500kW，相对于大型船舶电力推进系统总体较为简单，但是其电站容量小，抗冲击性差，从而对于推进系统的性能要求更高。[7]总而言之，研究小型船舶电力推进系统，要注重系统的精确性、稳定性、安全性等方面。
仿真利用模型复现系统中发生的本质的过程，并通过对系统模型的实验来研究那些设计中的系统，又称模拟。[8]这里所指的模型包括了物理的或数学的，静态的或动态的，连续的或离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统实验的危险性大、造价昂贵或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。[9]
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 2
1.2.1 国外技术及现状 3
1.2.2 国内技术及现状 6
1.3 船舶电力推进电机分析 6
第二章 异步推进电机矢量控制原理 9
2.2 磁场定向的几种方法 10
2.3 直接矢量控制和间接矢量控制 10
2.4 坐标变换 11
2.4.1 CLARK变换 11
2.4.2 2S/2R变换 14
2.5 异步电机的数学模型 15
2.5.1 异步电机等效到静止坐标系下的数学模型 16
2.5.2 异步电机按转子磁链定向的数学模型 18
2.6 基于电压计算和观测转子磁链模型 19
2.7 本章小节 20
第三章 螺旋桨特性及数学模型 21
3.1 螺旋桨特性参数 21
3.2 在淌水状态下螺旋桨的推力和转矩 21
3.3 传播运动过程中所受阻力 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
22
3.4 螺旋桨工作特性曲线 23
3.5 螺旋桨的数学模型 25
3.6 本章小节 26
第四章 矢量控制异步推进电机及螺旋桨仿真 27
4.1 矢量控制异步电机的仿真 27
4.1.1 异步电机模块 29
4.1.2 磁链观测模块 29
4.1.3 ASR模块 30
4.1.4 ACR及逆变电路模块 30
4.1.5 给定电流计算模块 31
4.1.6 坐标变换模块 32
4.1.7 矢量控制异步电机仿真结果分析 33
4.2 螺旋桨工作在负载状态的仿真 35
4.2.1 进速比模块 36
4.2.2 推进系数模块 36
4.2.3 转矩系数模块 37
4.2.4 转矩和推力模块 38
4.2.5 航速计算模块 40
4.2.6 整个系统模型 41
4.2.7 螺旋桨仿真结果分析 42
4.3 本章小节 42
总结与展望 44
致 谢 45
参考文献 46
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
传统柴油机船舶推进系统效率低、噪声大、可控性差的问题急需解决，随着科学技术的发展，特别是电子技术的突飞猛进，使得用于替代传统船舶推进系统的电力推进控制系统成为现实。[1]相比传统柴油机推进船舶而言，电力推进船舶具有无可比拟的优势，这也为研究电力推进控制系统增添更多动力。
在百年前电力推进的概念就已经被提出，1830年左右电力推进有过一个发展的高峰期。其瓶颈是当时的电力交流调速技术的不成熟，所以大多数都采用电力直流电力推进。[2]尽管直流电力推进调速系统的结构简易、调速性能好，但由于直流电机结构复杂、重量和体积大且因为电刷等装置的可靠性不高，所以只在一些潜水艇和工程用船舶上应用。直到1880年，随着电力电子技术的迅猛发展,新型电机控制系统在效率和可靠性等方面有了重大突破，使电力推的应用范围变得越来越大，除了在大中型常规船舶上应用，比如豪华游轮、化学品船、渔船等也开始采用电力推进方式，显现出光明的市场前途。[3]
在1890年之后，电力推进又有了跨越式的进步，出现了吊舱式、导管式等新型架构，让电力推进这项技术更加成熟和先进。[4]目前许多豪华游轮都开始采用吊舱式电力推进系统，实用过程中取得很大成功。吊舱式电力推进系统是一场船舶推进系统的革命，让船舶推进系统更加科学和高效。吊舱电力推进系统的特点就是推进电机位于被置于船体外的舱体内，通过连轴装置直接推动螺旋桨。[5]它可以在水中无死角的旋转，如此设计便省去了舵机等装置。因为吊舱的设计把推进电机和螺旋桨置于船体之外的水下，让船体设计更加优化，也极大提高了装机总功率。这些新的设计让电力推进系统大大提高了其可靠性、适用性、机动性，也让电力推进系统能够更广泛的推广。吊舱式电力推进系统凭借这些优势成为了新的发展方向。[6]推进系统的关键问题在于调速性能，随着电力电子技术的发展，交流电机的调速已经日趋成熟，有取代直流电机而代之的趋势，于是本次毕业设计选用异步电机作为控制对象。
小型船舶电力推进系统的推进功率一般不到1500kW，相对于大型船舶电力推进系统总体较为简单，但是其电站容量小，抗冲击性差，从而对于推进系统的性能要求更高。[7]总而言之，研究小型船舶电力推进系统，要注重系统的精确性、稳定性、安全性等方面。
仿真利用模型复现系统中发生的本质的过程，并通过对系统模型的实验来研究那些设计中的系统，又称模拟。[8]这里所指的模型包括了物理的或数学的，静态的或动态的，连续的或离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统实验的危险性大、造价昂贵或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。[9]
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