船舶电力推进仿真系统的设计与实现.doc

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大连海事大学

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毕业论文

二○○八年六月

船舶电力推进仿真系统的设计与实现

专业班级：

船电二班

姓名：

赵忠国

指导教师：

孙建波

轮机工程学院

1绪论 ６

1.1船舶电力推进技术的发展历史 ６

1.2船舶电力推进技术研究领域的国内外现状 ６

1.2.1国外的应用与研究 ６

1.2.2国内的应用与研究 ７

1.3课题的目的和意义 ７

1.4课题主要研究内容 ８

2船舶电力系统各部件建模 ８

2.1三相异步电动机的数学模型 ８

2.1.1A、B、C系统的电压、磁链和转矩方程 ８

2．1．2坐标变换与变换矩阵 １２

2．1．3异步电动机在两相坐标系上的模型 １５

2.2螺旋桨特性数学建模 １７

2.2.1螺旋桨的负载模型 １７

螺旋桨的扭矩特性 １９

3异步电机直接转矩控制系统 ２０

3.1直接转矩控制系统介绍 ２０

3.2直接转矩控制的基本概念 ２１

3.2.1.逆变器的开关状态 ２１

3.2.2逆变器的空间电压矢量 ２２

3.2.3.电压空间矢量与磁链的关系 ２３

3.2.4．电压空间矢量与电磁转矩的关系 ２４

3.3直接转矩控制系统的组成及工作原理 ２５

4船舶电力推进系统的Matlab/Simulink设计与实现 ３０

4.1Matlab/Simulink软件介绍 ３０

电力推进船舶系统仿真模型及组成 ３０

4.3仿真结果及讨论 ３４

5结论 ３７

致谢 ３８

参考文献 ３９

摘要

电力推进具有诸多的优越性，因此已成为现代船舶推进方式的发展方向。

但由于目前船舶电力推进系统的研究在国内仍处于初步阶段，在实际应用中还有许多问题，因此针对船舶电力推进系统进行建模与仿真研究具有重要的现实意义。

本课题对船舶电力推进系统进行了系统的研究。

本课题首先对船舶电力推进技术的发展和国内外研究与应用现状做了介绍；以异步电动机作为研究对象，采用当今比较先进的直接转矩控制技术，完成了异步电机及其控制系统的数学建模，并应用Matlab软件Simulink仿真技术对电力推进及其控制系统进行了软件设计与仿真，给出了部分仿真结果，仿真试验验证了本课题的建模方法是可行的，数学模型能较好地反映实际系统的稳态和动态特性。

本论文的主要工作可以分为三部分：

首先根据异步电动机，螺旋桨的工作原理归纳出其数学模型，其次研究了直接转矩控制系统的基本组成及工作原理。

最后在Matlab软件中根据异步电机，螺旋桨数学模型和直接转矩控制规律构建了船舶电力推进系统的各部分的仿真模型，并得出仿真曲线。

虽然某些模型在构建上采用了简化处理，但所得仿真分析的结果表明整个电力推进系统的数学模型具有一定的精度，验证了直接转矩控制系统具有优良的控制效果。

能够较好的模仿实际系统的工作状态。

关键词：

船舶电力推进，异步电机；数学建模；直接转矩控制；Matlab/Simulink仿真

Abstract

Theelectricpropulsionhasbecomethedevelopmentdirectionofthemarine

propulsionbyitssuperiorities，butatpresenttheresearchofsurfacevesselelectric

propulsionsystemindomesticisstillatthestartstage，andtherearemanyproblemsinthepracticeapplicationprogress，therefore，developthemodelandthesimulationofthemarineelectricpropulsionsystemisasignificantwork。

Thissubjecthasmadearesearchaboutthemarineelectricpropulsionincomputer.

Atfirst，Imakeaintroduceaboutthedevelopmentofmarineelectricpropulsiontechnologyandtheactualityresearchedbycivilandabroadresearchers.Thissubjectregardstheelectricpropulsionsystemwhichaapplyingthedirecttorquecontrolasynchronousmotorastheresearchobject.Onthebasisofsummingup,summarizingsystemicmathematicalmodal,thepaperemploythesoftwareMATLABtocarryonsimulationanalysistothesystem。

Theconcludesshowthatthemathematicalmodaliscorrectandwellreflecttherealsystem’scharacterics.

Thegroundworkcanbedividedthreeaspects.Firstly，thepaperhassummedupandsummarizedthemathematicalmodalofasynchronousmotorandpropelleraccordingtotheirworkprinciple，thenthepaperstudiesthebasiccomposesandprincipleofdirecttorquecontrolsystem.Atlast，accordingtothemathematicalmodalofasynchronous,propelleranddirecttorquecontrolrules，buildthesimulationmodalofmarineelectricalpropulsionsystemwithMATLABsoftwareandgettheconclusion.

Althoughsomesub-systemsimulationmodelisdealwithsimplywhentheyaresetup，buttheresultofsimulationandanalysesindicatethewholemarineelectricalpropulsionsimulationmodelhagoodprecisionandvalidatetheexcellentcontroleffectofdirecttorquecontrolsystem。

Itcanwellsimulatetheactualsystemworkingconductioninsomeways.

Keywords:

marineelectricalpropulsionasynchronousmotormathematicalmodalDTCMatlab/Simulinksimulation

船舶电力推进仿真系统的设计与实现

1绪论

1.1船舶电力推进技术的发展历史

船舶电力推进系统的应用始于上世纪20年代，至今已有近100年的历史。

但长期以来，由于电力推进局限于齿轮传动，在功率提高上受到限制。

另外，我们知道电力推进可以采用直流电动机，也可以采用交流电动机。

采用直流电动机时，船舶的机动性能良好，但在维护保养方面，难度增加。

直流电动机的体积和重量也十分可观。

采用交流电动机时，由于交流电动机变速困难，使船舶机动性能变差，但维护保养简单，电动机的体积和重量较直流电动机也小得多。

由于这种种原因，电力推进一直局限于一些工程船舶上使用。

自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟，此时的船舶电力推进是基于晶闸管的整流和逆变原理实现的。

机动性、可靠性和运行效率等方面都有了突破性的发展。

使得船舶电力推进技术的应用领域不断扩大。

特别是最近几年随着吊舱式电力推进装置（PoddedPropulsionUnit）的开发及应用，使船舶采用电力推进的市场份额迅速增长，它已成功应用在豪华游轮、穿梭油轮，成品游轮，破冰船、化学品船、半潜船等船舶上。

电力推进已成为二十一世纪船舶推进的发展方向之一。

1.2船舶电力推进技术研究领域的国内外现状

1.2.1国外的应用与研究

电力推进从停滞期到目前的蓬勃发展得益于现代科技的飞速发展，特别是一些发达国家已经取得了很大的成就。

美国海军在1994年就提出了舰船综合全电力系统（IPS）的设计思想。

他们将船舶的电力系统和推进系统有机地组合为一个整体，全船能源系统由发电系统，推进系统，日常配电，区域配电和系统监控等多个子系统组成；它采用模块化结构和区域配电方式，各类功能模块承担着本子系统的控制、运算、网络通讯等功能；各个模块通过现场总线与中心计算机联网，实现能源的综合利用和统一管理。

这一技术的诞生可以说是船舶技术的一场革命。

同时也是民用船舶能源-动力系统发展的方向。

目前世界上以吊舱式电力推进器系统为主要发展方向，1990年，ABB芬兰分公司1.5MW的Azipod吊舱推进器运用于“SEILI”号航道工程船开创了吊舱式电力推进的先河。

此后，瑞典Kamewa公司和法国Alstom公司合作开发了Mermaid吊舱推进器，德国Schottel和Siemens公司研制成功Siemens-SchottelPropulsor（SSP）吊舱推进器，荷兰Wartsila（LIPS）公司和德国SAM电子公司发展了Dolphin吊舱推进器。

据统计，新建的客轮、渡轮与破冰船等约有30%左右采用电力推进。

2003年，日本Kawasaki重工集团推出了Podpeller吊舱推进器，法国DGN和美国EBC也都在加紧发展自己的吊舱推进器产品。

1.2.2国内的应用与研究

我国的电力推进技术还处于起步阶段，电力推进技术的应用并不广泛，使用的新产品和船型不多。

2002年12月17号，广船国际为中远广州公司建造的半潜船“泰安l”号正式交付使用。

该船采用6600V中压电力系统和两套SSP-5吊舱式电力推进系统代替传统的大型主柴油机、巨型舵叶，轻巧的螺旋桨可360度回转，使船舶能够在极小的回旋半径和范围内灵活操纵。

这是中国自己建造并投入营运的第一艘具有极高商业价值和广阔市场前景的海洋I-程大型特种船舶。

目前，‘白的姊妹船“康盛口”号也已经投入运行。

上海爱德华船