摘 要

船用无刷双馈感应电机（BDFG）是一种采用交流励磁方式的新型船用双馈感应电机。它与传统的双馈感应电机进行横向比较，两者在内部结构上最大的不同是新型的无刷双馈感应电机内部取消了传统的双馈感应电机内部所固有的电刷滑环装置，这也就意味着这种新型无刷电机在投入正常工作时其运行转速范围与传统电机相比要更宽一些。新型的无刷双馈电机电机与原有的传统感应双馈电机相比具备使用寿命长，电机的制造与生产成本相对低廉，工作时其运行可靠性高和维护与修理成本相对较低等多项优点。这种新型的无刷感应双馈电机既能用于在陆地上执行并网发电，也能用于在船舶等特殊的工作单位中进行独立发电。因此在国内现今大力推广的风力发电和船舶轴带发电等多项新的环保能源范畴中，这种新型的感应电机都具备相当乐观的应用前景。

新兴的船用BDFG 独立发电系统内部包含有无刷双馈电机本体和与电机本身配套的电机交流励磁控制系统这两种主要设备。这充分说明了这种新型的船用发电系统是将船用无刷双馈电机、原有的传统电力电子技术以及新的船舶自动化控制技术等多项先进技术相结合的高端船用发电装备。

本篇毕业论文主要对船用无刷双馈感应电机和基于船用无刷双馈感应电机技术的船用独立轴带发电系统进行了初步探讨，本篇论文所得到的结果对于独立船舶轴带发电系统正常工作时的相关探讨与探索具备比较重要的意义。

本篇论文在前几章首先对独立船用无刷双馈感应电机的基本构造、运行原理和数学模型等项目进行了研究，利用论文前几章所得到的结论进而在论文的第四章对独立船用独立轴带BDFG轴带发电系统的运行原理进行了探究并建立了相关的数学模型，在文章的结尾本篇论文还对船用独立轴带BDFG轴带发电系统工作时产生的故障的形式与诊断方法进行了初步探讨。

本篇论文得到的相应结论对船用独立轴带BDFG轴带发电系统的进一步发展起到了一定的有利作用。

关键词：BDFG；船舶轴带发电；故障诊断；独立发电系统

Abstract

Marine brushless doubly-fed induction motor (BDFG) is a new type of marine doubly-fed induction motor with AC excitation mode. Compared with the traditional doubly-fed induction motor, the biggest difference between the two is that the new brushless doubly-fed induction motor cancels the brush slip ring device inherent in the traditional doubly-fed induction motor. This means that the running speed range of the new brushless motor is wider than that of the traditional motor when it is put into normal operation. Compared with the original traditional induction doubly-fed machine, the new brushless doubly-fed machine has a long service life, and the manufacturing and production cost of the motor is relatively low. It has many advantages, such as high operation reliability and relatively low maintenance and repair cost. This new brushless doubly-fed machine can be used not only for grid-connected power generation on land, but also for independent power generation in special working units such as ships. Therefore, in many new environmental protection energy categories, such as wind power generation and ship shaft power generation, this new induction motor has a very optimistic application prospect.

The new marine BDFG independent power generation system includes two main equipment including brush-free double-fed motor body and motor AC excitation control system matched with the motor itself. This fully shows that this new marine power generation system is a high-end marine power generation equipment combining many advanced technologies such as brushless double-fed marine motor, traditional electric power electronic technology and new automatic control technology.

In this thesis, the marine brushless doubly-fed induction motor and marine independent shaft belt power generation system based on marine brushless doubly-fed induction motor technology are discussed. The results obtained in this paper are of great significance for the discussion and exploration of the normal operation of the independent ship shaft belt power generation system.

In the first few chapters of this paper, the basic structure, operation principle and mathematical model of independent marine brushless doubly-fed induction motor are studied. Based on the conclusions of the previous chapters of the paper, and in the fourth chapter of the paper, the operation principle of the independent marine independent shaft belt BDFG shaft belt power generation system is discussed and the related mathematical model is established. At the end of this paper, the fault form and diagnosis method of marine independent shaft belt BDFG shaft belt power generation system are also discussed.

The corresponding conclusions obtained in this paper play a certain role in the further development of marine independent shaft belt BDFG shaft belt power generation system.e

Key Words：Marine shaft belt power generation; fault diagnosis; independent power generation system

目 录

摘 要 III

Abstract V

目 录 VII

第1章 绪论 1

1.1选题的背景与意义 1

1.2课题国内外研究现状 2

1.2.1船舶独立轴带发电系统与无刷双馈电机发展现状 2

1.2.2基于无刷双馈电机技术的船舶轴带发电系统发展现状 3

1.3本文主要研究内容 4

第2章 无刷双馈电机的构造与运行原理 6

2.1无刷双馈电机的基本构造 6

2.1.1定子构造 6

2.1.2转子构造 8

2.2 无刷双馈电机的工作原理 9

2.2.1同步与异步运行 9

2.2.2变速恒频发电 10

2.3 无刷双馈电机工作时的基本电磁关系 11

2.4 小结 13

第3章 无刷双馈电机的数学模型 14

3.1 多回路数学模型 14

3.1.1电压方程模型 14

3.1.2 磁链方程模型 15

3.2转子速d-q模型 16

3.3本章小结 18

第4章 轴带BDFG发电系统的运行原理和模型建立 19

4.1船用轴带发电系统的特点及要求 19

4.2 船用轴带BDFG轴带发电系统模型 19

4.3 本章小结 20

第5章 船用轴带BDFG轴带发电系统故障诊断 21

5.1电机工作时产生故障的形式与不良影响 21

5.2船用轴带BDFG轴带发电系统故障的诊断方法 22

5.2.1基于电机动态模型的诊断方法 23

5.2.2 基于信号分析的诊断方法 23

5.3 无刷双馈电机匝间短路故障模型建立与仿真 24

5.3本章小结 26

第6章 总结与展望 28

6.1主要结论 28

6.2工作展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1选题的背景与意义

进入二十一世纪，在地球文明逐步走向全球化的今天。通过各种大小船舶对各地所需物资施行海运是促进世界整体经济发展的最重要的交通运输模式之一^[1]。现今国际间的经济贸易活动大部分都要依靠海运才能得以实现，一般状况下在海运成本中船舶在正常航行状态下时所消耗的船用燃料所占船舶工作周期内的费用甚至会超过船舶正常工作周期内全部经营成本的一半。在航运业活力疲软的大背景下国内外各大远洋航运公司为缩减航运成本并增加盈利，都开始要求新建的民用船舶在船舶内部安装的船用设备的选型及其组合方面需要更多的考虑到经济性，而在船舶内部的主要工作设备中船舶主机及船舶电站就是其中一种比较重要的船用设备。下面就让我们开始对船舶主机的相关情况进行探讨。

现今建造的民用船舶在选择船舶主机之时，需要充分对船况、可能遇到的海况、正常工作时主柴油机的安全等多种客观情况进行权衡并为船舶在正常航行状态下内部各种设备能够安全运行而保留足够的功率储备。一般来说在船舶正常运行时其功率储备不能低于船舶主机额定功率的10％。这也就意味着若船只处于相对稳定的正常航行状态下且主机内部各种设备的工作状况相对良好，船舶储备功率的存在就会导致船舶在正常航行且未遇恶劣天气时不能更加经济的利用其工作时产生的额外功率，从而造成了相当程度的船舶主机功率储备的浪费。这也就意味着船舶主机在正常工作状态下往往只能输出主机额定功率的80％，造成主机的经济性降低。当前随着化石能源的严重短缺，尤其是以石油资源为代表的大宗的不可再生能源的急速消耗和国际环保局势的日趋严峻，在国民经济的各个领域施行节能减排逐渐成为了世界各国的共识。而由前文可知因为民用船舶安装独立的船用独立轴带发电系统能够降低昂贵的轻质燃油的消耗、减少船舶主机在船舶正常工作时可能造成的环境污染和温室气体排放，使得这项先进技术成为现在交通运输领域十分重要的一项船舶节能减排技术。

为了提高系统正常工作时的工作效率，现在一些厂商开始利用新兴的无刷双馈电机对原有的独立船用独立轴带发电系统进行改进。这种采用新式电机的独立船用独立轴带发电系统适用于采用定距桨技术的民用船舶。这种新型电机在原有的传统感应电机之上对内部结构进行了改进，其与传统的感应电机最大的不同就是采用了内部机械构造经过特殊设计的转子绕组。这项技术革新能够使这种新型感应双馈电机在投入实际应用中只需采用与传统感应电机相比容量较小的变频器就能够在较宽的转速范围实现电机的变速恒频发电。此外，与传统的感应电机不同的是新兴的无刷双馈电机内部还没有电刷滑环结构，后者与前者相比具有内部基本构造相对简单、正常工作时运行可靠性高、生产采购成本低、易于维护保养等优点。由前文可知，船用独立无刷双馈轴带发电系统将新兴的无刷双馈电机与原有的船用独立轴带发电系统成功的结合了起来。这项新的技术革新具备较强的适用性和大面积推广并投入实际应用的价值，因此得到了各大厂商的重视。

船用独立轴带发电系统虽然开始得到各大厂商的青睐，但这种电机也并非完美无缺。为船舶安装船用独立轴带发电系统虽然从长期工作的角度考虑可以降低船舶整体的运行成本，但其对船舶一次投入的固定成本过高，以至于船东在短时间内难以收回所投入的成本。且从科研角度考虑我国对船用轴带BDFG独立发电系统的研究与探索相对西方各国较为薄弱。是以，对船用轴带BDFG独立发电系统的故障进行研究，找出系统故障产生的原因并提出相关的保护措施刻不容缓。

本毕业设计的目的是对船舶轴带BDFG独立发电系统在工作中可能产生的故障进行初步的介绍和分析，进而对基于无刷双馈电机的独立船舶轴带发电系统在正常工作时产生故障进行分析并找到行之有效的诊断方法并得到相应结论。论。

1.2课题国内外研究现状

1.2.1船舶独立轴带发电系统与无刷双馈电机发展现状

与西方国家相比，中国国内对以上尖端技术的相关科学探索与研究较国外起步的时间较晚但发展的速度较快。中国国内对船舶独立轴带发电系统与无刷双馈电机的相关探讨的起步最初是由沈阳工业大学于上世纪80年代末发起，从上世纪90年代开始国内的其他相关院校对这些尖端技术也开展了跟踪探讨。其中以华中科技大学、合肥工业大学、西安交通大学等高校较具代表性。其中华中科技大学的相关科研人员更是最先将当时新兴的BDFG技术（即无刷双馈电机技术）与原有的船舶独立轴带发电系统结合了起来。其与中国长江航运集团两者共同研究开发的，具有自主知识产权的中国国内首台自产的800KW级船用轴带无刷双馈发电机已于2013年召开的中国国际海事会展上亮相。除国内相关领域的高校之外，其他的一些科研单位也在相关领域取得了不小的成绩。以南京高传自主开发的首台500 KW级全自动轴带发电系统为例，这个发电系统采用了无刷双馈电机技术。这台电机现在被安装在恒新航运公司旗下的“江信10号”轮上，机上各设备已经成功完成各项安全测试并投入商业运行。

西方发达国家的远洋航运界和交通运输业内部对船用无刷双馈感应电机技术进行的早期探索受当时相对落后的技术条件所限，虽然研究开始的时间与国内相比相对较早但在较长的一段时间内仍然陷入了停滞状态，以至于相关科研团队对其要解决的重要问题长期没有重大突破。直到时间进入了上世纪80年代，随着西方业界内多种限制电力电子技术发展的技术瓶颈被突破和自动控制理论的飞速进步与大面积推广，国际上才又掀起了一轮探讨利用无刷双馈电机以改进原有采用传统的感应电机的船用独立轴带发电系统的浪潮^[2]。自二十世纪八十年代至今，以美国的俄亥俄州立大学、英国的剑桥大学、纽卡斯尔大学、日本的金泽理工学院和丹麦的奥尔堡大学等高校为代表的一大批西方院校和交通运输领域相关的科研机构都对船用无刷双馈感应电机这项交通运输领域内新兴的技术进行了相当程度的研究与探讨。由于西方的造船业及相关的配套产业与国内相比发展时间较早，西方相关科研单位研制的船舶轴带发电机与我国的同类产品相比更加成熟，西方交通运输领域相关人士对原有的船用轴带发电机其内部结构中逆变器的控制容量大，且造价高，其在正常工作状态下输出的电流往往存在着较大的谐波分量，这也就导致了船用独立轴带发电系统在船舶正常航行时其内部对系统所承受的负荷变化的反应速度偏慢、对系统负荷变化的反应表现得不够灵敏且系统的动态性能不佳等缺点都心知肚明，新兴的船用无刷双馈感应电机的快速成熟和在相关领域大面积的投入应用使得船用独立轴带发电系统在正常工作时产生的问题如今得到了初步解决，从而使采用无刷双馈电机的船舶独立轴带发电系统在西方民用远洋船舶上得到了大面积的应用与推广。

1.2.2基于无刷双馈电机技术的船舶轴带发电系统发展现状

经过了数十年的不懈努力，国内相关领域的科研团队对基于无刷双馈电机技术的船用独立轴带发电系统的研究与探索已经有了一定成果。如大连海事大学的李恒玖博士在其硕士毕业论文—船用轴带发电机系统探究中以船用轴带发电系统中的船用无刷双馈轴带发电控制系统为主要的研究对象，对船用轴带发电系统中安装的船用无刷双馈感应电机自身处于正常的发电运行状态时电机内部的能量传递关系进行了初步探索，并且运用之前所得到的几项结论建立了如多回路模型、转子速模型和双同步速模型等几种常用的反映船用无刷双馈感应电机在正常运转状态下其内部工作状态的数学模型。与此同时还对船用独立无刷双馈轴带发电控制系统在其进入正常工作状态时系统的工作特点和要求进行了介绍与剖析，对船用轴带发电系统本身进入独立发电运行状态时电机控制系统的变频调压问题利用建模仿真的手段进行了研究。并对仿真所得的结果进行分析得出了想要的结论。在Ｍatlab／Simulink软件上,根据之前建立的几种数学模型分别对两种控制策略进行了建模与仿真，得到了预期的结论；北京理工大学的杨竟喆通过建模分析验证的方式对电动车辆永磁同步驱动电机正常工作时可能产生的主要电气故障进行故障诊断的方法进行了探索与研究，并对在线故障诊断系统进行了硬件设计并对所得结果进行了建模模拟；沈阳工业大学的施隆则对无刷双馈发电机系统内部变流器的故障诊断与容错控制策略和开绕组无刷双馈发电机系统中双两电平变流器功率开关器件的开路故障诊断方法和开绕组无刷双馈发电机容错控制展开了探讨^[3]；华中科技大学的刘毅博士则对无刷双馈电机建立相应的数学模型，讨论了动态跟踪系统输出电压的幅值、频率和相位的锁相环技术，针对对称和不对称负载条件提出了有效的控制方法^[4]；重庆大学的叶仁杰以并网双馈风力发电机组为研究对象，探讨了机组在电网故障下的暂态运行性能。而在这一领域西方国家的学者所做的相关探讨则更加深入:Athanasios G. Sarigiannidis等学者通过对各系统进行建模分析探讨了一种由永磁同步发电机（PMSG）和背靠背变换器组成的改进型轴带发电机（SHG）系统在滚装船上的设计和实际应用。 Ramtin Sadeghi 等学者则提出了一种改进的直接转矩控制方法来实现无刷双馈电机的平滑同步，并通过建立新的BDFG系统模型来验证该控制方法是否有效。

1.3本文主要研究内容