1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 交流异步电机直接转矩控制方法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 - 交流异步电机直接转矩控制方法在船舶电力推进中的应用 摘要 随着电力推进技术的不断发展，及其相关领域技术的不断完善，电力推进在船舶动力推进方面取得了认可和积极的地位。在船舶电力推进领域里，交流异步电机和永磁同步电机在以交流电力推进为主的情况下占据着主导地位。直接转矩控制技术是 20 世纪 80 年代发展起来的新技术，这是一种新型的高性能的交流调速传动控制技术。 新世纪以来，随着可持续发展以及
2、节能减排等受到持续关注，低排放，低噪音的新型动力推进方式受到了重视，因此，在船舶动力方面如何更高效，更节能的采用动力推进系统也受到了关注。在各类控制方式中，由于直接转矩控制方式具有控制方式直接、结构简单及转矩动态响应快等特点，所以可应用于船舶动力推进系统。 本文对直接转矩控制的基本原理以及存在的问题作了分析，从基本原理出发，给出了一种基于 MATLAB 环境下的异步电动机直接转矩控制系统仿真模型。应用该 仿真程序，对直接转矩控制系统进行了详细的仿真研究，并分析了传统的直接转矩控制系统的仿真结果。针对直接转矩控制系统在低速时存在的磁链畸变和转矩脉动等共有的缺点，本文介绍了优化的控制方案 边带预测
3、优化控制方案，这种控制方案在低速时可以改善定子磁链的波形，可以加快直接转矩控制的动态性能，同时具有计算较为简单，受电机参数影响较小的优点。以此对直接转矩控制更深入的了解来适应其在船舶电力推进中的应用。 关键词 ： 船舶电力推进；直接转矩控制；交流异步电机；仿真 毕业论文 - Abstract With the electric propulsion technology continues to evolve and with the related technologies in the field of continuous improvement, electric propulsion
4、 ship power propulsion has achieved recognition and positive position. In the field of marine electric propulsion, the AC induction motor and permanent magnet synchronous motors under AC electric propulsion mainly occupy a dominant position. Direct Torque Control technology is developed in the 1980s
5、, new technology, which is a new type of high-performance AC variable speed drive control technology. The new century, the continuing concern with the sustainable development and energy conservation by the new low-emission, low noise propulsion has been duly noted, therefore, is how more efficient i
6、n terms of ship power, more energy-efficient propulsion system by the attention. Direct torque control method has a direct control mode, the structure simple and fast torque dynamic response characteristics, it can be used in ship propulsion systems. The article on the basic principle of direct torq
7、ue control, as well as the problems are analyzed, starting from first principles is given based on the MATLAB environment, the asynchronous motor direct torque control system simulation model. Application of the simulation program, direct torque control system, a detailed simulation study and analys
8、is of simulation results of the conventional direct torque control system. This article describes the optimization of control programs the sideband to predict the optimal control program, this control scheme can be improved at low speeds the stator flux for the shortcomings of direct torque control
9、system of flux distortion and torque ripple at low speeds, the waveform, you can speed up the dynamic performance of the direct torque control, but also has a relatively simple calculation, by the advantages of the smaller impact of the motor parameters. This is more in-depth understanding of the di
10、rect torque control to adapt to the ship electric propulsion applications. Keywords: marine electric propulsion, direct torque control, induction motor, simulation 毕业论文 - 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的来源及意义 . 1 1.2 课题相关技术国内外发展及现状 . 1 1.2.1 研究课题国内外现状 . 1 1.2.2 船舶电力推进发展及现状 . 2 1.2.3 直接转 矩控制的发展现状及特点 . 2 1.3 完
11、成论文的主要工作 . 4 第 2 章 交流异步电机直接转矩控制的研究 . 5 2.1 直接转矩控制的基本原理 . 5 2.1.1 交流异步电机数学模型 . 5 2.1.2 异步电机磁链模型 . 6 2.1.3 逆变器开关模式和电压空间矢量 . 8 2.2 直接转矩控制的基本结构 . 10 2.2.1 直接转矩控制中的磁链观测器 . 10 2.2.2 直接转矩控制中的磁链调节器 . 10 2.2.3 直接转矩控制中的转矩调节器 .11 2.2.4 直接转矩控制中的磁链扇区划分及确定 .11 2.2.5 逆变器的开关频率调节 . 12 2.2.6 直接转矩控制系统的性能的优缺点 . 12 第 3
12、章 直接转矩控制系统仿真研究 . 14 3.1 仿真软件的介绍 . 14 3.2 异步电机直接转矩仿真模型建立 . 15 3.3 仿真结果分析 . 18 第 4 章 交流异步电动机在船舶电力推进中的应用 . 21 4.1 船舶电力推进系统的结构简介 . 21 4.2 船舶电力推进的缺点 . 23 第 5 章 结论与展望 . 24 5.1 船舶电力推进未来发展方向 . 24 5.1.1 能源多样化 . 24 毕业论文 - 5.1.2 推进器多样化 . 24 总结 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 毕业论文 - 第 1章 绪论 1.1 课题的来源及意义 船舶电力推进技术发展已有近百年历
13、史，但是受到各种因素影响，发展比较缓慢，并且大多数也只应用于特种船舰中。 20 世纪 80 年代起随着推进电机、供电系统和电力电子技术和信息技术等发展迅 猛，船舶电力推进也加快了发展脚步，并在机动性、可靠性和运行效率等都有了突破性进展，因而船舶电力推进技术的应用不断扩大，并且受到了广泛的关注，同时也显示出强大的发展前景。 船舶电力推进系统主要由原动机、发电机、电动机、螺旋桨及其控制调节设备组成。电力推进电机主要有直流电动机、同步电动机和鼠笼感应式电动机。随着电力电子技术的不断发展，船舶电力推进系统已进入了一个由直流电力推进到交流电力推进的新阶段。在控制方法中，直接转矩控制方式作为一种新的控制方
14、式面世，其以自身新颖的控制思想，简明的系统结构，优良出众的动、静态 性能受到了普遍的关注，并得到了迅猛的发展。直接转矩控制去掉了复杂的矢量变换和电动机数学模型的简化处理，没有一般的 PWM 信号发生器，其直接的控制手段、明确的物理概念信号处理得到了普遍的肯定。并且这是一种转矩响应迅速，超调量小，高动、静态性能的交流调速方法。 当前船舶所采用的电力推进已经不同与以往的简单重复，无论是船舶总体系统的组成还是推进装置自身的性能都有了长足的提升和进步。现代船舶电力推进技术与早期船舶电力推进技术相比有许多不同点，其中最大的不同就是把船舶电力推进和日常用点的发电设备综合为一个统一的电网来设 计，也就是简历
15、综合全电力推进系统。这种综合系统不仅可以充分发挥电力推进系统原有的优点，而且能给船舰操作等带来更大的灵活性，以此能更好的满足各种运行条件。 由于交流异步电机相比于其他电机性价比突出，又因直接转矩控制方式的简洁高效、性能突出，故选择交流异步电机的直接转矩控制方法来对船舶电力推进进行研究。 表 1.1 各类电机性能比较表 直流电机 交流异步电机 永磁同步电机 寿命（ h） 250000 500000 50000 功率密度 低 中 高 最高转速（ r/min） 6000 20000 10000 过载能力 2 倍 35 倍 3 倍 电机效率 75%85% 85%90% 92%97% 坚固性 一般 很好
16、 好 1.2 课题相关技术国内外发展及现状 1.2.1 研究课题国内外现状 目前全电力推进船舶领域正在快速发展，现今世界上最强大的第一艘真正意义上的电力战舰是 T45 型“ Daring”。就国内来说，于 2003 年交船的大吨位，电力推进、全回转起重船是由中港集团天津船舶工业公司建造的。另外广州造船厂和大连造船厂也再电力 推进船制造方毕业论文 - 面有所表现，制造了几艘采用 6600V 中压电力推进系统的船舶。 目前我国电力推进技术处于起步阶段，但是发展速度较快，在原动机、发电机、变频调速等关键技术上已经积累了一定的基础，比较成熟的技术有兆瓦级柴油机、中高压配电板和发电机。并且随着新一代 I
17、GBT 等相关产品的成功开发，在将来这一段时间里船舶电力推进想会取得进一步的发展。另一方面，我国电力推进技术应用于大吨位船舶的比较少，主要还是高压大容量电力电子器件、制造方面等其他技术与发达国家有较大的差距。目前我国还没有在民用船舶上使用自主设计电力推进系统。 1.2.2 船舶电力推进发展及现状 从第一艘电动实验船诞生到现在，电力推进系统已经有 170 多年的历史了，船舶电力推进系统作为一种在船舶动力中新的推进方式长期以来并没有很好的得到应用，主要是由于传统上用发电机、配电装置、电动机来取代机械推进，这样会使船体增大，重量增加；又因为其存在两次能量转换，效率相对于机械推进方式较低。 20 世纪
18、 80 年代以来，随着电力电子技术的快速发展，基于 IGBT 实现的电力推进技术在国内外受到了重视。 1989 年，芬兰 KMY 和 ABB 芬兰公司提出了吊舱式电力推进的概念，其主要思路是把螺旋桨驱 动电机放置在一个能全角度回转的流线型吊舱内，悬挂在船尾下方，其推进方式有着良好的优越性。船舶电力推进有相当多的优点，应用后可实现灵活操作，机动性强，电力推进装置又能从驾驶台直接控制，能轻松应对突发状况，低速特性良好，功率恒定，电流特性恒定，在安装空间处由于省去了主机与螺旋桨之间的轴系等有大量的多余空间可利用，噪音震动小，废气排放大量减少。不过电力推进方式也存在一些缺点，例如在能量转换中，因为需要
19、经过两次转换，使得相对于传统方式效率降低；另外投资成本相对于传统的推进方式要高大约 25%。 总体来说，电力推进方式 是电力电子技术进步的必然产物，科技的进步也必将为电力推进技术提供更好的技术基础和更广阔的市场，这是未来船舶推进方式的主要发展方向。 1.2.3 直接转矩控制的发展现状及特点 1985 年德国科学家 Depenbrock 提出异步电机的直接转矩控制 (DTC)思想。直接是矩控制是继矢量控制之后发展起来的又一种高性能交流调速技术。因为转子磁链难以观测，以至于系统性能受电机的参数影响比较大，又由于矢量变换复杂，都它实际控制效果难于到达理论分析的效果。直接转矩控制是直接在定子坐标系下计
20、算和控制转矩，并采用定子磁链定向控制，产 生出最佳 PWM 信号，从而实现对逆变器开关状态进行最优控制。 DTC 弥补了矢量控制之不足，它避免了复杂的坐标变换，减少了对电机转子参数的依赖性， DTC 又以其新颖的控制思想，优良的动、静态性能得到迅速发展。 DTC 的研究目前虽然已取得了很大进步，并且也得到了不少应用，但是它在理论和实践上显得还不够成熟，例如低速性能差、脉动转矩大、限制系统的调速范围等。矢量控制和直接转矩控制都是属于磁场定向控制，矢量控制是转子磁场定向控制，而 DTC 是一种特殊的定子磁场定向控制。 直接转矩控制从某种程度上来说是一种综合控制法。其实质是 定子磁链定向控制，是一种
21、特殊的定子磁链定向控制。该控制法有比许多其他控制法突出的优点，但是也有许多是需要进一步研究和改进的。 直接转矩控制法的优点有： 1) 可以直接在静止坐标系上来运算矢量分解，避免了繁琐的矢量变换和计算，直接控制磁链和转矩，是计算更加方便，简洁。 2) 能直接对转矩进行控制，灵活的对磁链的幅值和形状进行控制，是整个系统的动态毕业论文 - 转矩响应更迅速 3) 直接转矩控制在减少参数变化对系统性能影响方面也有突出表现，它只需要定子参数，不需要测定复杂的转子参数。 4) 定子的磁链矢量和电压矢量及开关状态一一对应，方便实现全数字 化控制 在 Depenbrock 教授所提出的直接转矩控制系统中，其磁链
22、是按正六边形的轨迹运动的，由于其六条边分别有相应的六个非零电压矢量与之对应，可方便地切换六个工作状态直接由六个非零电压矢量来完成六边形磁链轨迹，所以磁链控制环节很简单。 除了相比于其他控制方式突出的有点特性以外，直接转矩控制方法也存在着明显的缺点，该系统类似于六阶梯波逆变器供电的感应电动机的调速系统，因此磁链幅值存在 6 倍频脉动，脉动幅值约为 7，因此所引发转矩脉动、噪声较大等现象。但六边形磁链控制系统中每 1/6周期中仅使用了一种开关工作状态 ，故开关次数相对较小，所以基本上在某些大功率应用的场合会进行考虑。 日本学者 Takahashi 教授也于 1986 年提出了 DTC 思想，其磁链
23、轨迹为圆形方案，即让磁链向量基本上沿圆形轨迹运动，为了得到高性能的速度控制，尽可能使电机气隙磁场为圆形。这是一种磁链的实时控制，通过比较实时计算所得的实际磁链幅值与给定值相比较，并同时考虑此时磁链所处的位置来选择电压矢量及其持续时间的长短。采用这种控制方案以后，逆变器的开关周期为随机变化，但是电机的损耗、转矩的脉动和噪声最小。但由于系统在六分之一中都要交替使用两种开关状态， 所以开关次数比较多，开关损耗比六边形法略大 ,因此该方法一般用于中小功率应用的场合。 总的来说直接转矩控制着眼于转矩控制以得到快速的转矩响应，在最直接的定子坐标系下进行磁链和转矩的控制，一般只要知道定子电阻就可以把定子磁链
24、给观测出来，由于定子电阻的变化容易得到补偿，所以直接转矩控制对电机参数的变化不敏感。 DTC 不同于矢量控制，矢量控制需将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，要模仿直流电机的控制而要求解耦后的简化交流电动机的数学模型来实现对转矩的间接控制，因而避免了磁场定向控制系统中复杂的坐标变换和参数运 算，系统十分简单，更容易实现。 DTC 由于是建立在瞬时空间理论的基础上，所以便于应用空间矢量方法来分析关于三相交流电动机的数学模型并且控制各个物理量。直接转矩控制以转矩和磁通的独立跟踪自调整，并借助于转矩的 Band Band 控制来实现 PWM 高动态性能和控制策略，所以直接转矩控制系统的逆变器是
25、一种低成本高效率的器件。目前 ABB 公司的变频器调速系统采用的就是这种控制方式。虽然直接转矩控制技术具有许多突出的优点，但作为一种新理论、新技术，也存在技术上的不成熟之处。首先在中高速区采用的 U I 定子磁链模型已比较完善， 但在低速区定子电阻的变化会使得定子电流发生畸变十分严重。目前采用在低速下采用 I N 模型，高速下采用 U I 模型的方法加以克服。不过模型的切换又会引起转矩的振荡。同时采用直接转矩控制的调速系统在低速时由于死区效应的积累误差较易引起转矩的脉动，问题严重时还会引起转速的脉动。目前针对此类问题的解决办法是通过高速数字信号处理器计算出所有的失真电压，再根据电流方向进行补偿
26、。 DTC 在低速范围内还存在很多难题，尤其是定子电阻的辨识问题，已经成为阻碍它进一步发展的瓶颈。实践证明，从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已基本不可 能了，必须研究寻找别的方法。随着现代控制理论的发展应用，其为交流调速电气传动系统的控制提供了坚实的理论基础 ,越来越多的科学学者也在把现代控制技术应用于交流电机的调速中。将现代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究 ,这是这种新技术的发展趋势 ,也是当代学者值得深入研究的课题。 毕业论文 - 1.3 完成论文的主要工作 本文首先从介绍电力推进的发展及现状入手，对船舶电力推进发展及展望做了简要的介绍，并对电力推进系统进行简要的研究，分析现状下根
27、据电动机的性能来选择对于船舶电力推进前景有益的电机。 然后对直接转矩控制进行分析研究，从直接转矩 的控制原理，基本结构，对其数学模型和空间矢量以及动态方程进行分析研究，再对直接转矩控制进行仿真。 最后再结合直接转矩控制在船舶电力推进中的应用及其注意点出发，从船舶的螺旋桨这部分出发进行研究，从理论再考虑到实际进行研究分析，全面准确的来完成本文。 毕业论文 - 第 2章 交流异步电机直接转矩控制的研究 2.1 直接转矩控制的基本原理 2.1.1 交流异步电机数学模型 异步电动机的数学模型是异步电动机进行控制的理论基础，本节从异步电动机的基本数学模型出发，介绍了在直接转矩控制分析中所采用的异步电动机
28、的空间矢量等效电路及其数学模型的基本方程 。 为了便于更好的分析介绍异步电机的数学模型，在建立数学模型时可作下以下假设： 1) 交流异步电机的定子、转子三相绕组均完全对称，其有效导体沿气隙空间作正弦分布； 2) 各个绕组的自感和互感都应该忽然铁心涡流等影响，当做是线性的； 3) 不考虑外界因素，如温度和频率变化等对异步电机参数的影响。 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将其等效成绕线转子，并且这算到定子侧，折算后每相的匝数都相等。异步电动机的空间矢量的等效电路图如图 2.1 所示，该图是在正交定子坐标系基础上来描述异步电机的。 图 2.1 异步电机空间矢量等效电路图 其中各个量的意义为： su 是定子电压空间矢量、 si 是定子电流空间矢量、 ri 是转子电流空间矢量、 s 是定子磁链空间矢量、 r 是转子磁链空间矢量， 是电角速度。 我们可以得出异步电机在定子坐标系上的方程为 usss iRu （ 2-1） 0 rrrr jiR （ 2-2） 并且可以推出出定子磁链、转子磁链还有电磁转矩的关系： rsr iL （ 2-3） dtiRU sSss （ 2-4） Srrs TjT 11 （ 2-5）
