船舶电力推进系统中螺旋桨负载模拟的研究

论文摘要

电力推进以其诸多优越性获得了广泛的应用,并成为船舶推进方式的发展方向。由于船舶电力推进在实际应用中存在很多的问题,而电力推进系统中螺旋桨作为推进器又占有重要地位,因此针对船舶电力推进系统中螺旋桨负载进行建模与仿真研究具有重要的意义,而且能对船舶电力推进的技术应用起到一定的借鉴作用。本文以螺旋桨负载为研究对象,采用鼠笼式异步电机为推进电机和负载电机,通过对负载电机转矩的控制来模拟螺旋桨转矩的特性,即作用在鼠笼式异步电机轴上的转矩与推进电机带动螺旋桨工作时的扭矩相一致,达到准确模拟螺旋桨在不同工况下螺旋桨工作的特性。研究了螺旋桨特性,并将船和桨作为整体,建立了螺旋桨负载仿真模型。本论文的主要工作如下：在异步电机转速矢量控制的基础上采用转子磁链定向的方法,对异步电机进行转矩的控制,并对异步电机典型的负载转矩特性：恒转矩负载特性、通风机类负载特性和恒功率负载特性进行了仿真验证；采用模糊PI控制器对异步电机转矩控制进行改进,与常规PI控制进行了比较,模糊PI控制提高了异步电机转矩在突加转速扰动和突减转速扰动时的抗扰性能。通过螺旋桨各个参数之间的关系,对螺旋桨的特性进行研究并分析了螺旋桨的三种典型转矩特性。采用最小二乘法对螺旋桨特性曲线进行曲线拟合,并且采用了有界形式对进速比、推力系数和阻转矩系数进行修改。为更加真实的模拟出螺旋桨转矩特性,通过推进系统转动部分机械运动平衡方程式,分析仿真系统的负载电机转矩和转动惯量与实船的螺旋桨转矩和转动惯量之间的关系,并对转矩进行折算；使用MATLAB/SIMULINK仿真工具,对螺旋桨负载进行仿真模型的建立。对仿真结果进行研究分析,能够很好的模拟出实际螺旋桨负载的特性,能够对于电力推进系统进行理论的预测和分析,达到避免被研究的系统装置在实地考核时发生重大失误的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 船舶电力推进发展现状
• 1.2.2 螺旋桨负载研究现状
• 1.2.3 系统建模方法研究
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 机械负载模拟电机转矩矢量控制的研究
• 2.1 空间矢量变换原理
• 2.1.1 空间矢量坐标变换原理
• 2.1.2 空间矢量坐标变换的实现
• 2.2 机械负载模拟电机的数学模型
• 2.2.1 模拟电机在三相静止坐标系上的数学模型
• 2.2.2 模拟电机在二相静止坐标系上的数学模型
• 2.2.3 模拟电机在二相同步旋转坐标系上的数学模型
• 2.3 转矩矢量控制原理
• 2.3.1 转子磁链观测器
• 2.3.2 基于转子磁链定向的异步电机矢量控制原理
• 2.4 转矩控制系统模块
• 2.4.1 电流滞环PWM控制模块
• 2.4.2 磁链观测器模块
• 2.4.3 转矩和磁链的PI调节器模块
• 2.4.4 转子磁链定向转矩矢量控制模块
• 2.5 机械负载转矩特性仿真研究
• 2.5.1 恒转矩负载特性仿真研究
• 2.5.2 通风机类机械负载特性仿真研究
• 2.5.3 恒功率机械负载特性仿真
• 2.6 本章小结
• 第3章 机械负载模拟电机模糊控制
• 3.1 模糊控制的基本理论
• 3.1.1 模糊控制的特点
• 3.1.2 模糊控制的原理
• 3.1.3 模糊控制系统的组成
• 3.1.4 模糊控制器的结构
• 3.2 机械负载模拟异步电机转矩的模糊控制
• 3.2.1 模糊PI控制器的设计
• 3.2.2 模糊控制器的设计
• 3.3 机械负载模拟异步电机模糊控制系统仿真
• 3.3.1 负载电机转速突加扰动性能研究
• 3.3.2 负载电机转速突减扰动性能研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 螺旋桨负载特性
• 4.1 螺旋桨负载特性相关参数
• 4.2 螺旋桨负载特性参数间关系
• 4.3 螺旋桨负载特性研究
• 4.3.1 进速比、推力系数和阻力系数的研究
• 4.3.2 推力和阻转矩的研究
• 4.3.3 螺旋桨转矩特性的研究
• 4.3.4 船与桨相互的影响
• 4.4 进速比、推力系数和阻转矩系数的改进
• 4.5 船舶阻力特性
• 4.6 数据处理方法
• 4.6.1 插值法
• 4.6.2 曲线拟合
• 4.7 螺旋桨负载转矩与实际转矩的折算关系
• 4.8 本章小结
• 第5章 船舶推进螺旋桨模拟负载仿真
• 5.1 仿真系统的构成
• 5.2 仿真装置模型
• 5.2.1 螺旋桨模型
• 5.2.2 仿真系统模型
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 船舶自由航行
• 5.3.2 船舶倒航运行
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢