直接驱动技术在船舶电力推进中的应用【毕业论文】.doc

1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 直接驱动技术在船舶电力推进中的应用 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 直接驱动技术在船舶电力推进中的应用 摘要 船舶电力推进系统已有近百年历史，传统的船舶推进方式是利用原动机直接推进，而船舶电力推进则是一种由原动机带动发电机发电，经变频器把满足要求的电流送到推进电动机，从而驱动螺旋桨来推进。 近几十年来，随着电力电子技术的发展和大功率交流电机变频调速技术的日 趋成熟，电力推进技术在民用和军用船舶上的优越性日渐突出。直接驱动控制系统中，永磁同步电机具有体积小，重量轻；功率因数

2、高、效率高；控制简单，可靠性高等优点，成为了直接驱动研究领域的热点。 论文以直接驱动永磁同步电机为主要探讨内容。同时首先对船舶电力推进系统概念及结构做简要的叙述；其次研究了吊舱式推进器的转动惯量并稍作船舶电力推进中的运动理论分析，包括自由航行特性，反转特性和阻力特性，阐述船 机 桨三者能量关系；再次以永磁同步电机为例进行深入研究，并分析了永磁同步电机磁场定向矢量控制和直接转矩控制的基本原理。 关键词： 直接驱动；电力推进；永磁同步电机；矢量控制；直接转矩毕业论文 - Abstract Ship electric propulsion system has been nearly a hundr

3、ed years of history, the traditional ship propulsion method is the use of the original motivation directly forward, while the ship electric propulsion is by a prime mover driven generator, the frequency converter to meet the requirements of the current to the motor, thereby driving the propeller pro

4、pulsion. In recent decades, with the development of power electronic technology and high power AC motor variable frequency speed regulating technology matures, electric propulsion technology in civil and military ship advantages have become increasingly prominent. Direct drive control system, perman

5、ent magnet synchronous motor has the advantages of small volume, light weight; high power factor, high efficiency; simple control, high reliability, has become the hotspot in the field of direct drive. Based on direct drive permanent magnet synchronous motor as the main discussion content. At the sa

6、me time firstly the concept and structure of the marine electric propulsion system are briefly described; the second study of podded propulsor and the moment of inertia of a marine electric propulsion theory of motion analysis, including free sailing characteristics, inversion and resistance propert

7、ies, the ship machine propeller three energy relation; again with a permanent magnet synchronous motor for cases of in-depth research, and analysis of the permanent magnetic synchronous motor field-oriented vector control and direct torque control principl. Keywords:direct drive; electric propulsion

8、; permanent magnet synchronous motor; vector control; direct torque control 毕业论文 - 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题选题背景及意义 . 1 1.2 船舶电力推进技术发展状况 . 2 1.3 直接驱动技术发展综述 . 5 1.3.1 直接驱动技术及其特点 . 5 1.3.2 直接驱动电机的现状与发展趋势 . 5 1.3.3 直接驱动永磁同步电机的特点与应用 . 6 1.4 本文主要内容及工作 . 6 第 2 章 船舶电力推进系统与系统结构 . 8 2.1 船舶电力推进系统的组成 . 8 2.2 船舶电力

9、推进系统结构 . 9 2.2.1 直流电机电力推进系统结构 . 10 2.2.2 交流电机电力推进系统结构 . 10 第 3 章 电力推进 船舶的运动分析 . 13 3.1 船舶运动的推进力 . 13 3.2 螺旋桨的推力及扭矩特性 . 13 3.3 自由航行特性 . 14 3.4 反转特性 . 15 3.5 阻力特性 . 16 3.6 船 机 桨系统的相互作用 . 17 第 4 章 永磁同步电动机 . 19 4.1 引言 . 19 4.2 永磁同步电动机的概述 . 19 4.3 永磁同 步电动机数学模型 . 20 毕业论文 - 4.4 电力推进系统运动方程 . 20 4.5 变频调速系统 .

10、 22 第 5 章 永磁同步电动机的电力推进系统 . 24 5.1 永磁同步电动机矢量控制系统的理论分析 . 24 5.1.1 矢量控制的基本思想 . 24 5.1.2 坐标变换中常用坐标系 . 24 5.2 永磁电动机直接转矩控制的理论分析 . 25 5.2.1 永磁电动机直接转矩控制的基本思想 . 25 5.2.2 直接转矩控制中磁链与转矩控制 . 25 全文总结 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 毕业论文 - 第 1 章 绪论 1.1 课题选题背景及意义 当前 21 世纪， 以热机如汽轮机、燃气轮机以及柴油机等为动力直接或者间接驱动螺旋桨的机械推进系统仍是船舶推进的主要方式。

11、但是，随着人类生活状况和文明程度的提高，对船舶推进方式需求也有了更高的要求。首先，在环保意识不断增强的今天，各国都有了越来越严格的环保法制，同时国际海事组织对船舶排放，特别是对各种污染物排放提出更为严格的要求，使得船舶柴油机燃用燃油受到了的限制；其次，石油作为一种不可再生能源，随着人类近两百年的使用，已显出了它的短缺性，同时原油价格不断上涨，很大程度上影响到了船舶所有者的切身利益；再者，一些特种船舶如军舰、 潜艇等因其某些特殊的要求，也对船舶推进方式有了更高要求。这些，都需要传统船舶推进方式进行更新。因此科学家在不断采用新技术改善和提高热机的性能，在满足这些要求的同时发现采用电力推进型式能更有

12、效的解决现阶段推进方式所存在的问题。无论是面对更为严格的排放要求，还是对于船舶运营的经济效益问题，以及符合特种船舶的特殊要求，电力推进方式都能很好的解决。 电力推进是指采用电动螺旋桨来推动船舶运动。这个环节一般由原动机、发电机、输电配电系统、电动机、螺旋桨、舵以及各种相应的监测、控制设备组成。船舶采用电力推进方式已经有 100 多年的历史，自 19 世纪第一艘电力推进实船的投入使用开始，此推进方式已经历了几个发展阶段。 20 世纪 40 年代是其的第一个发展高峰。那个时期，尽管大功率蒸汽轮机作为船舶推进动力已经初显成熟，由于当时机械水平不足，限制了蒸汽轮机的进一步应用，使得电力推进这种推进方式

13、在当时得到广泛应用。 20 世纪 40 年代末，由于机械加工技术的进步，特别是对齿轮传动装置加工能力的提高，为蒸汽轮机推进方式的广泛应用奠定了良好的技术基础；再加上柴油机自 1896 年问世以来，经过几十年的完善提高，已显示出其强大的优势。而同时，由于电机制造技术 和调速技术的限制，电力推进技术未能得到相应的改善和提高；相比之下，电力推进装置显得庞大笨重，效率低下，成本高昂，从而失去了在船舶推进市场上的主导地位，而柴油机凭借高效率，灵活配置，大功率等优点逐步在船舶推进市场上占据主导地位。尽管如此，但船舶采用电力推进所特有的噪声低，机动性能良好等优点仍然得到重视，在一些特种船舶如工程船、破冰船、

14、潜艇等上面得到较广泛的应用。 20 世纪 60 年代后，由于大功率变流技术发展，电子调节器、集成电路广泛应用，自动控制理论逐步发展，以及水冷技术应用于大功率变频器和电动机，再次为电力推 进技术广泛使用奠定了基础。 70 年代后随着电力电子器件飞速发展，新型器件不断出现，器件的开关频率和耐压系数不断提高，使得大功率交流电动机变换器的应用获得成功，从而使电力推进成为大功率船舶的动力成为可能。工程技术上的支持以及市场需求的导向，使得电力推进在上世纪 80 年代再次蓬勃发展起来。 同传统的机械推进方式相比，采用电力推进的船舶在经济性、布置、噪声、振动、船舶操纵和安全可靠性等方面具有明显优点，具体体现如

15、下： 1) 更好的经济性 首先综合电力系统允许任何发电装置在任何给定时刻按优先顺序提供推进动力和船舶日用功率，因 此将最大限度地减少主机装机数量或功率。再次综合电力系统便于采用分段和模毕业论文 - 块化构造，使用与维护费用降低。此外，综合电力系统油耗较小，船舶续航力增加。 2) 布置灵活性 由于打破了将主机、轴系和螺旋桨布置在一条直线上的传统模式，采用电气联接取代机械联接，从而使原动机可布置在任何位置，全船其他系统和设备的布置因而更加灵活，从而极大优化船体结构，降低排水量。 3) 噪声低，提高船舶的舒适性 由于原动机可恒转速运转，结构噪声低；而且原动机可以布置在水线以上，从而降低水下辐射噪声；

16、特别是减少原动机数量后，取消齿轮箱，大大降低了振动噪 声。 4) 提高船舶的操纵性和机动性 推进螺旋桨由电机控制，能在全速范围内实现无级调速，正、倒车操作直接通过电力电子控制系统来实现，方便简单，从而更好地适应海况变化后船舶航行相应需要。 5) 更高的安全可靠性 采用综合电力系统的船舶，发动机常以最佳效率工作，使用寿命得到延长；同时电力系统多采用左右舷双重总线向负载供电，具有较大冗余度，具备强抗故障能力，使得安全性得到有效保障。另外，电力推进提高全船自动化程度，减少船员，以及全船电子设备的扩展应用等方面表现出良好的发展前景。 1.2 船舶电力推进技术发展状况 电力推进方式具 有很大发展潜力。在

17、百余年的研究中，船舶电力推进方式己从早期的汽轮机发电的第一代直流电力推进方式，经过交流电机驱动的第二代电力推进方式，发展到了第三代吊舱式电力推进方式。 船舶利用自身配备的发电装置所获取的电能驱动船舶运动的方式称为电力推进方式。传统的船舶推进方式是利用汽轮机、柴油机或燃气轮机等原动机直接推进螺旋桨，而电力推进船舶是将原动机的机械能转变为电能，再采用电动机直接驱动螺旋桨转动。 20 世纪 80 年代中期以来，随着电机、电力电子技术、交流调速技术和数字控制技术的发展，船舶电力推进系统在机动性、调节性能 、运行效率、推进功率等方面都有突破性进展，使得电力推进船舶方向越来越多元化，其系统也不断提升。因此

18、电力推进船舶得到了造船界和航运界的重视，近年来采用电力推进系统的船舶数量逐渐增加。一般来说，任何类型的船舶都可以采用电力推进系统来驱动。尤其是对需要有高度机动性能的船舶、机舱布置有特殊要求的特种船型、具有大容量辅助机械的船舶以及需要有特殊工作性能的船舶等等更适合采用电力推进系统，例如破冰船、轮渡、豪华游轮等。 目前，我国的电力推进技术还处于起步阶段，电力推进技术还没有得到广泛的应用。所以我国采用电力推进的船舶屈 指可数：由广船国际股份有限公司为中远公司建造的“泰安口”号和“康盛口”号；上海船舶研究设计院设计、天津新港船厂建造的烟大铁路轮渡 1 一 3 号；上海船舶研究设计院设计、江南重工建造的

19、科学考察船；上海爱德华造船公司为瑞典船东建造的“帕劳斯佩拉”号化学品船；浙江船厂为法国船东建造 4 艘平台供应船；中国船舶工业总公司和中国水产科学研究院为北京颐和园管理处建造的“太和”号大型豪华仿古画舫等。相对而言，国外尤其是西方国家在电力推进技术方面领先我国。早在 1986 年美国海军就制定了舰船和潜艇的电力推进方面的研究计划，英、德、法等 欧洲国家也制定了电力推进计划，毕业论文 - 从而掀起了对船舶电力推进研究的高潮。 下面简单介绍电力推进技术在几个方面的发展概况： 1) 电力电子技术的发展 电力电子技术直接影响到电力电子器件对电能变换和控制。随着新元器件的研发及现代计算机、控制技术的迅速

20、发展，电力电子技术的应用性能更加完善可靠。现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面，一直趋向大功率化、高频化，标准模块化、智能化等方向发展，为交流电动机及控制系统用于船舶电力推进提供了技术基础。 2) 大功率变频调速技术的发展 交流电机调速技术是电力推进系统的关键技术。 20 世纪 80 年代，交流调速己能和直流调速相抗衡。 20 世纪 90 年代，我国交流变频调速装置的研发开始有了新的突破。变频调速装置按结构形式可分为交一交变频调速装置和交一直一交变频调速装置两种。交一交变频装置可把交流电变成频率和电压均可调节的交流电 ;交一直 -交变频装置则是先把交流电经整流器整流成直流电，再经过逆变

21、器把这个直流电逆变成频率和电压都可调的交流电。特别是大功率交一直一交变频调速装置的成功研制为船舶电力推进系统的发展奠定了技术基础。 3) 吊舱式推进器的诞生 1989 年 ABB 芬兰公司率先提出了“吊舱式电力推进器”的全新推进 概念，突破了“柴油机加传动轴系”的推进设计传统。由于吊舱式推进装置具有重量轻、体积小、效率高、拆装方便、建造周期短、投资成本和维护费用低等众多优点，所以世界上许多新造船舶纷纷采用吊舱式推进系统。如 ABB、 siemens、 Alstom、 Kamewa、 Kawasaki 等公司在推进器上取得重大突破，推出了不同形式的吊舱结构，这些成了企业内部的商船电力推进标准。如

22、下图 1.2 所示的吊舱结构图就是由 ABBAziPod 公司设计的。目前，核心技术仍掌握在外国公司手中，我国电力推进系统的设备一般都要由国外引进组装。 图 1.2 吊舱结构图 4) 永磁同步电动机的发展 研制永磁同步电动机的目的是为了使电机向效率高、可靠性高、结构简单、管理简单、成本低方向发展。用永磁体取代励磁绕组的同时，也取消电刷和集电环等薄弱环节，进而降低了加工和装配费用，提高了设备的功率和效率密度。自 20 世纪 50 年代永磁同步电动机问世以来，历经了数次升级换代，例如正弦波永磁同步电机取代了矩形波永磁同步电机；稀土永磁材料在永磁同步电机的应用；变频调速永磁同步电机取代了频率不变的永

23、磁同步电机。毕业论文 - 变频调速永磁同步电机是由逆变器供电的。它在结构上取消了阻尼绕组，使得制 造更加简单，阻尼材料的热损耗得到了有效的消除，转矩脉动也得到了改善，并进一步提高了电机效率和增大转矩。 20 世纪 80 年代，剩磁高、矫顽力大、价格低廉的新型稀土永磁材料在永磁电机领域的应用，极大的促进了调速永磁同步电机的发展。在设计方法、电机结构、制造工艺、运转性能等方面都有了质的飞跃，也使永磁同步电机成为交流调速领域的一个重要分支。 20 世纪 90 年代，有关永磁电机的研究和开发经验进一步成熟，加上永磁材料性能的不断提高和完善、电力电子器件的进一步发展和改进，现代永磁同步电机正向着大功率、

24、高性能化、智能化和微型化方 向发展。 5) 高性能永磁材料的发展 早期电力推进系统采用直流电机推进，其调速系统简单、性能好，但直流电动机存在体积大、重量大、维护困难、电刷和机械换向器结构复杂、价格高等缺点，并且在转速、功率、离心力和换向片耐压等方面也受到很大限制。 1983 年科学家发现钦铁硼材料具有高剩磁、高磁能积和高矫顽力，并在永磁无刷直流电动机上得到了首次应用。永磁无刷直流电动机保留直流电动机的优良特性的，同时还解决了直流电动机的换向问题，提高了电机的转矩密度、功率密度、电磁转矩和运行效率的平衡性，减轻了电机重量及减小了体积。这为永磁电机 的发展奠定了坚实的基础。不久异步起动永磁同步电动

25、机取代了永磁无刷直流电动机，永磁同步电动机又取代了异步起动永磁同步电动机，促进了电动机进一步向大功率方向发展。 1997年 sicmens 公司首先采用永磁电机作为船舶电力推进系统的主推进设备。此项技术的应用再次提高了推进效率，并引起了航运与造船界的广泛关注。其后 ABB 公司也采用了永磁电机作为推进电机。 6) 电机控制理论及其发展 电机的控制理论通常有恒压频比控制 (V/F)、矢量控制 (VC)和直接转矩控制 (DTC)三种。 电机最初的控制理论是 V/F 控制。该控制理论的控制变 量为电机外部变量 电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现变压变频控制的调制器中，最后由逆变器产生一个

26、交变的正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之在指定的电压和参考频率下运行。其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求。无需从电机端部引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号，属于开环控制。但是在低频时，由于转矩受定子电阻压降，输出电压较低的影响较大，使最大输出转矩减小。 矢量控制理论是 1971 年德国西门子公司提出的。即将电机的三相电压、电流、磁链经坐标变换变到 以转子磁链定向的两相参考坐标系，定子电流被分解成相互正交解祸的两个分量：励磁分量和转矩分量。在矢量控制中电动机的转矩和定子电流的转矩分量成比例，只要控制定子转矩电流分量就可以控制电动机的转矩。

27、通过控制电流来控制电机的转矩，这样使系统具有较好的动态特性。磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载。 1985 年，德国鲁尔大学 dePenbrock 教授提出了直接转矩控制理论。这种控制方式是使定子磁链按正六边形轨迹运动，由于正六边形的六条边与六个非零电压空间矢量一一对应，因此可通过施 密特触发器切换逆变器工作状态，直接控制电压空间矢量实现磁链控制。直接转矩控制的另一种形式是由日本学者 I.Takahashi 提出的，控制定子磁链运动轨迹近似为圆形。该控制方法是通过实时计算电机转矩和磁链误差，结合定子磁链空间位置选择相应开关矢量。 毕业论文 - 1.3

28、直接驱动技术发展综述 1.3.1 直接驱动技术及其特点 本文所叙述的直接驱动技术即为电力传动来驱动船舶航行，就是主机带动发电机组产生电能，再通过电动机带动螺旋桨工作。而传统的直接传动和间接传动都为机械传动。直接传动就是主机直接通过轴系传给螺旋桨，没有减速离合设备 。重量尺寸不仅大而其机动性能差。间接传动就是主机和螺旋桨之间的动力传递除经过轴系外，还经过中间环节如减速器，离合器。但其轴系结构复杂，传动效率低。由于现在电力电子技术，大功率变流技术，集成电路，永磁同步电机等快速发展，电力传动的优势得到完全体现。采用电力传动螺旋桨推力方向可自由变换，很好操作，船舶可快速进退和微速航行；同时省掉了舵、尾

29、柱和尾轴管，减小了船的阻力；不再需要减速器，主机也就不用换向，延长了其使用寿命等。船舶采用机械传动装置后，船舶体积增大、重量也随之增加，驱动系统结构也复杂，而且由于传动机械的存 在，系统成本变高、其运行噪声大、传动效率变低。随着此领域对降低噪声、维修方便、节约能源等越来越高的要求，传统的传动系统已改善效果不大，因此人们已经开始致力于新型的直接驱动系统的研究。直接驱动是将驱动电机与其传动轴和推进器直接连结起来，电机产生的转矩不经齿轮而直接传递到推进器上。 1.3.2 直接驱动电机的现状与发展趋势 采用无齿轮箱的直接驱动系统省却了齿轮传动装置，但是为了达到牵引的要求，必须按传动比相应增大牵引电机的

30、转矩。牵引电机额定转矩的大小对电机体积、重量有着决定性的影响。所以，直接驱动式牵引电机有转矩 大、重量轻、结实可靠等性能特点。随着科技的发展，对驱动电机的要求越来越高。新技术、新材料、新工艺的不断出现，大大推动了直接驱动电机的研究与应用，归纳起来，这类电机的发展趋势主要体现为 : 1) 无刷化 由滑环和碳刷组成的机械换向器一直是电机的隐患，它使得电机噪声变大、可靠性下降，寿命缩短，电磁兼容性差。随着电力电子和控制技术的不断发展，用电力电子换向电路来替代机械换向器是技术进步的必然趋势。无刷电动机经过几十年的研制开发，已取得显著成果并己进入商品化生产。 2) 永磁化 随着电机逐步走向无刷化、电子化，永磁材料在控制电机 中的普遍应用已是必然趋势。高性能永磁材料的使用还能减小电机体积，减轻重量，提高效率，降低制造成本等等。我国稀土资源丰富，稀土永磁的产量和性能都已处于国际先进水平，为永磁电机的发展提供了良好的条件。 3) 模块化 模块化是指通过多台电机组合、电机和传感器的组合、电机和其他机械组合、电机和控制器组合，直至将电机、控制器和传感器等构成一体，形成一套电动控制系统，从而明显提高系统的精度和可靠性。 4) 数字化、智能化 数字化是指在其控制单元中采用数字控制芯片，并综合现代控制理论、电力电子技术、