摘 要

随着经济社会的高速发展，船舶营运过程中的燃油消耗问题日益凸显，节能减排是未来发展趋势。船舶轴带发电技术在船舶行业中得到了重视，利用船舶主机的功率裕量，为船舶正常营运提供电力支撑，同时减少了船舶燃油消耗，是近年来研究的重要方向。无刷双馈电机作为轴带发电机，具有结构简单、无碳刷滑环、易维护等优点；有特别的转子设计，具有较宽调速范围，可以在采用小容量的变频器的情况下，实现变频转速发电；轴带无刷双馈发电系统有较高的推广价值和优异的实用性，在船舶业应得到广泛使用。

本文将以绕线式无刷双馈电机为研究对象，分析无刷双馈电机的基本工作原理，研究无刷双馈电机在作为电动机和发电机时的运行方式；推导无刷双馈电机的abc数学模型和dqn数学模型，利用MATLAB/simulink工具箱搭建转子速仿真模型，并对无刷双馈电机异步、同步、双馈运行模式进行仿真。

研究标量控制的方案，搭建标量仿真模型，进行变速、变载仿真实验，结果表明标量控制策略简单可靠，能够保证在一定调速范围内保证功率绕组输出电压、频率恒定，适合于对动态性能要求较低的变速恒频、恒压发电系统。所以标量控制适合用于轴带独立发电系统。

关键词：无刷双馈电机；轴带发电；绕线型转子；标量控制

ABSTRACT

With the rapid development of the economy and society, the problem of fuel consumption in the operation of ships is becoming increasingly prominent, and energy saving and emission reduction are the future development trends. Ship shaft power generation technology has received attention in the shipbuilding industry. Using the power margin of the main engine of the ship to provide electrical support for the normal operation of the ship, while reducing the fuel consumption of the ship, is an important research direction in recent years. The brushless doubly-fed motor as a shaft generator has the advantages of simple structure, carbon-free brush slip ring, and easy maintenance; it has a special rotor design, has a wide speed range, and can be used with a small-capacity inverter , To achieve frequency conversion speed power generation; the shaft brushless double-fed power generation system has high promotion value and excellent practicality, and should be widely used in the shipping industry.

This paper will take the winding type brushless doubly-fed motor as the research object, analyze the basic working principle of the brushless doubly-fed motor, and study the operation mode of the brushless doubly-fed motor when it is used as a motor and a generator; abc mathematical model and dqn mathematical model, the MATLAB / simulink toolbox is used to build the rotor speed simulation model, and the asynchronous, synchronous and doubly-fed operation modes of the brushless doubly-fed motor are simulated.

Study the scalar control scheme, build a scalar simulation model, and conduct variable speed and variable load simulation experiments. The results show that the scalar control strategy is simple and reliable, which can ensure that the output voltage and frequency of the power winding are constant within a certain speed range, suitable for dynamic performance requirements Lower variable speed constant frequency, constant voltage power generation system. Therefore, scalar control is suitable for the shaft independent power generation system.

Key Words：Brushless doubly-fed motor; shaft power generation; wound rotor; scalar contr

目录

摘 要 1

ABSTRACT 1

目录 1

第1章 绪论 3

1.1 引言 3

1.1.1 轴带无刷双馈电机的研究背景 3

1.1.2 无刷双馈电机的研究意义 4

1.2 轴带无刷双馈电机的发展历程与国内外现状 4

1.2.1 船舶轴带发电系统的发展历程 4

1.2.2 无刷双馈电机的发展历程 5

1.2.3 无刷双馈电机国内外研究现状 6

1.2.4 无刷双馈电机的几种控制策略 7

1.3 本文主要研究内容 7

第2章 绕线式无刷双馈电机的原理与结构 9

2.1 绕线式无刷双馈电机的工作原理 9

2.1.1 工作原理 9

2.1.2 运行方式 10

2.2 绕线式无刷双馈电机的绕组 12

2.2.1 定子绕组 12

2.2.2 转子绕组 13

2.3 本章小结 14

第3章 绕线式无刷双馈电机的数学模型 15

3.1 绕线式无刷双馈电机在abc坐标系下的数学模型 15

3.2 绕线式无刷双馈电机在dpn坐标系下的数学模型 18

3.3 绕线转子无刷双馈电机的建模 25

3.4 绕线式无刷双馈电机仿真和实验分析 25

3.4.1 异步运行模式下的仿真实验 25

3.4.2 同步运行模式下的仿真实验 27

3.4.3 双馈运行模式下的仿真实验 28

3.5 本章小结 29

第4章 无刷双馈电机独立运行控制策略及仿真研究 30

4.1 无刷双馈电机的标量控制策略 30

4.2 仿真实验 31

4.2.1 变载性能仿真实验 32

4.2.2 变速性能仿真实验 35

4.3 本章小结 37

第5章 全文总结及展望 38

5.1 全文总结 38

5.2 研究展望 38

参考文献 39

致 谢 41

绪论

引言

轴带无刷双馈电机的研究背景

自2020年1月1日起，IMO颁布的限硫令开始执行，限硫令中规定所有船舶必须要使用含硫量低于0.5%的燃料油，所以低燃料油将会成为主流的选择。但是，国际远洋船的燃料消耗主要是重油，低硫油在限硫令颁布之前只占燃料油消耗的很少一部分。主要原因是因为重油的价格要比低硫油便宜许多。根据世界主要港口的船用燃料油的价格统计显示，这些年以来每吨的平均价格差已超过200美元。由于对船舶燃料油品质要求提高，除了转换燃料外，安装脱硫塔也是解决方法，不过这些方法都会使船舶的燃料成本大幅增加。

因此，如果想要提高船舶的经济效益，降低船舶在燃料方面的费用，合理利用清洁能源，或降低燃油的消耗量就有着重要的意义。在船舶节能的研究领域中，目前主要集中在船舶电站节能方面。在对船舶电站的节能研究中，又以轴带发电系统作为主要的代替目标，轴带发电系统可以很好的降低油耗、改善工作环境和简化运行管理，这些特点和优势引起了造船界和航运业的关注。

在轴带发电系统中，采用无刷双馈电机，这种轴带无刷双馈发电系统具有无滑环，无碳刷，构造简单明了，调速特性优良，变频器容量较小等优点。这些优势让轴带无刷双馈发电系统在船舶业投入大量研究和使用成为可能。