摘 要

船舶电力推进系统，作为船舶推进的发展趋势，一直受到学者的广泛研究。直接转矩控制理论，作为新兴的控制策略，它可以解决传统控制理论的一些不足。所以，对于船舶电机的直接转矩控制研究有着非常广泛的前景。

分别对永磁同步电机，船桨系统，直接转矩控制进行了研究分析。并在仿真平台Matlab/simulink上面，分别搭建三个仿真模型。分别对各个模型进行仿真实验，验证模型的正确性。其中，直接转矩控制系统是核心内容，它包括；磁链，转矩观测器，滞环比较器，电压开关表，逆变器等部分。进行船舶空载启动，突加负载，加速航行三种工况实验。验证直接转矩控制理论是否能够针对不同的船舶运行工况，对电机起到一个很好的调速功能。

研究结果表明，针对不同工况下，直接转矩控制系统都能对电机起到一个很好的调速功能，满足船舶对电机控制的需求，所以直接转矩控制系统具有非常实际的意义。

关键词：船舶电力推进；永磁同步电机；螺旋桨；直接转矩控制；Matlab/Simulink 仿真

Abstract

As the development trends, electric propulsion system has been the hot research in the ship propulsion system. Direct torque control as a new control strategies, it is better than the traditional control strategies in some way. It is very significant to research on direct torque control of the permanent magnet synchronous motor

Research on permanent magnet synchronous motor, load system and direct torque control system. And establish the simulation model with Matlab/Simulink simulation platform. Do simulation experiments to test the correctness of three simulation models. In these models, direct torque control system is very important and it includes torque magnet testing, hysteresis compactor, voltage-switching tables, inverter and so on. Starting ship, sudden-load, speed up the three conditions of navigation experiment. Verify the theory of direct torque control that has a good function to control the motor speed.

The results showed that, in different conditions, direct torque control system can have a nice speed control function to meet the demand of ship permanent magnet synchronous motor to speed control. So the direct torque control system has a very practical significance.

Key words：marine electrical propulsion; Permanent magnet synchronous motor; propeller; Direct torque control; simulation目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2直接转矩控制发展现状 2

1.2.1船舶电力推进发展现状 2

1.2.2直接转矩控制策略发展现状 3

1.3主要工作内容 5

第2章 永磁同步电机的仿真与实验研究 6

2.1永磁同步电机结构 6

2.2永磁同步电机的数学模型 7

2.2.1坐标变换 7

2.2.2永磁同步电机数学方程 8

2.3永磁同步电机仿真模型 9

2.4永磁同步电机仿真实验 11

2.4.1电机突加负载实验 11

2.4.2电机变频调速实验 12

2.5本章小结 13

第3章 船桨系统的仿真及实验研究 14

3.1螺旋桨结构 14

3.2螺旋桨与船舶运动的数学模型 15

3.2.1伴流系数与推力减额系数 15

3.2.2船舶阻力 17

3.2.3螺旋桨推力和扭矩 18

3.2.4船舶螺旋桨运动方程 21

3.3螺旋桨与船舶运动仿真模型 22

3.4螺旋桨仿真实验 25

3.5本章小结 27

第4章 直接转矩控制策略研究 28

4.1直接转矩控制原理 28

4.2逆变器 29

4.3直接转矩控制系统 30

4.3.1磁链、转矩观测器 31

4.3.2滞环比较器 32

4.3.3扇区判断 33

4.3.4空间电压矢量表 34

4.4控制系统仿真模型 35

4.5直接转矩控制仿真实验 37

4.6本章小结 40

第5章 船舶电力推进系统仿真实验 41

5.1启动实验 41

5.2突加负载实验 42

5.3加速航行实验 43

5.4本章小结 44

第6章 总结与展望 45

6. 1总结 45

6.2展望 45

致谢 46

参考文献 47

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

与传统的轴系—螺旋桨推进系统相比，船舶电力推进系统具有许多优点。首先，采用软性电缆，结构和空间布局更加优化，舱室的利用率更高；其次，随着科技的发展，电力电子技术水平不断提高，电气调速取代了机械调速，使得船舶电力推进系统已经可以实现无极调速，而且对于吊舱式电力推进系统，螺旋桨可以大角度旋转，操纵更加灵活；然后，对于多变工况的航行情况，船舶主机仍然可以运行在额定工况范围内，船舶电力推进系统经济性更好，而且排放性也优于传统轴系推进系统；最后，船舶电力推进系统振动，噪声相比传统轴系更小，采用三台电机，可以很好的满足设备冗余要求。^[1]因此，船舶电力推进系统的应用范围在不断增大，除了传统的破冰船，挖泥船，勘探测试船舶外，还包括后续发展起来的邮轮，班轮，穿梭油轮，滚装船，近海客货轮，LNG运输船等等，在这些船舶上都有着广泛的应用^[2-4]。

永磁同步电机体积小，重量轻，转动惯量小，散热少，是吊舱式推进电机的理想选择，而且由于没有转子励磁损耗，永磁同步电机的效率与功率因数相比于同功率的其它电机高^[7]。但是永磁同步电机发展相比较于其它电机要晚，第一批永磁同步电机是由美国GE公司利用铁氧化磁钢研制出的，但是功率非常小，未能得到广泛应用，直到20世纪70年代，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料的出现，永磁同步电机的性能才得到了大大的提高，目前比较流行的永磁电机的永磁材料是稀土铷铁硼，它具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度和矫顽力都较大，可以大大减小电机的体积，并且效率还得到了提高^[4]。