摘 要

随着电力电子技术的发展，电力驱动已经越来越广泛地应用于我们的生活中。在挖泥船、海洋钻井平台等电力推进特种工程船上，一些负载就采用电力驱动。为了能给船东提供更优化的船舶电推系统设计，本文就对驱动挖泥铰刀和钻井钻头的电动机进行建模与仿真。本文在直流电动机、异步电动机、同步电动机的机械特性的基础上，分析它们各自适合驱动的负载。然后使用MATALB软件，在simulink中搭建了简易的电动机模型，来模拟实际情况中驱动挖泥铰刀和钻井钻头等负载的电动机。最后对工作过程中挖泥铰刀和钻井钻头的工作情况进行分析，模拟了挖泥铰刀在水下切削的过程，得出了数学模型，并在simulink中使用几个模块模拟了切削参数、土质情况，将数学模型表示出来，合成一个转矩信号接在电动机输入侧，得到一个直流驱动铰刀电动机模型。对钻井过程则编辑了一个变化的转矩信号来模拟钻井过程中钻头所受扭矩，并将其接到到电动机的输入端得到了直流驱动钻井电动机模型。

关键词: 电动机；铰刀；钻井；工作特性；建模与仿真

Abstract

As the developing of power electronic technology, electrical driving has become more and more widely used in our daily life. On some special type project ships drove by electric like dredger and drilling platform, there are some loads that are drove by electric. In order to provide a superior design of electrical propulsion of ships to ship owner, we process the modeling and simulation of the electromotor which drives dredge cutter and drilling drill in this paper. Based on the mechanical characteristic of DC motor, asynchronous motor, synchronous motor, we analyze which kind of load that they are suitable. Next, we use the MATLAB to build some simplified models in simulink, which are used to simulate the motor in practical. At last, we analyze the work process of dredge cutter and drilling drill and simulate the cutting process of cutter under water, and we get the mathematical model. Then we use some module in simulink to simulate the cutting parameter, soil property, which express the mathematical model together. By using the module above, we get a torque signal. We put it to the input of motor, getting a cutter motor drove by DC motor. As for drilling process, we edit a changing torque signal to simulate the torque of drill during drilling. Putting the signal to the input of DC motor, we get a drilling motor model drove by DC motor.

Key words: motor; cutter; drilling; operating characteristic; modeling and simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

第2章 电动机的基本知识及simulink仿真模型 3

2.1 电动机的机械特性 3

2.1.2 同步电动机 5

2.1.3 直流电动机 8

2.1.4 永磁电动机 9

2.2 电动机的有关方程描述 10

2.2.1 直流电机 10

2.2.2 同步电动机 11

2.2.3 异步电机 12

2.3 电动机的仿真模型 13

2.3.1 直流电动机模型： 13

2.3.2 异步电动机直接启动模型： 15

2.3.3 同步电动机空载运行模型： 17

2.3.4 永磁同步电动机模型： 19

2.4 本章小结 21

第3章.电动机带负载的工作特性研究 22

3.1直流电动机带铰刀的工作特性研究 22

3.1.1 铰刀切削泥砂的模型 22

3.1.2 铰刀电动机仿真模型 24

3.2 钻井工作特性研究 26

3.3 泥泵特性 30

3.4 本章小结 33

第4章 结论 34

致谢 35

参考文献 36

第1章 绪论

1.1 目的及意义

负载是电力系统的重要组成部分。负载工作情况的变化影响着系统的稳定性。因而对负载进行工作情况分析，建立合适的理论模型有助于我们建立一个稳定和可控的电力系统。本文针对钻井船、挖泥船等电力推进特种工程船，建立铰刀电机等特种负载模型，为建立船舶电推及电力系统技术开发与验证手段、实现电推及电力系统设计优化、向船东提供最优性价比的电推及电力系统解决方案提供必要的公式和模型支持。

1.2 国内外研究现状

关于对电力负荷的建模与仿真，国内外许多学者都提出了新颖的方法。李东辉、张均东等针对船舶电力负荷中的电动机，提出了基于变阻抗负荷数学模型的新概念，给出了新的电动机仿真方法，并模利用Simulink提供的模块构造仿真模型，运行模型，得出了全压及星型、三角起动过程的定子电流、转矩等仿真曲线^[1]。李培强，李欣然，林舜江等从综合负荷的概念出发，综述了电力系统负荷建模方法、模型结构和参数辨识的最新理论和研究成果，并指出应对特殊行业和特殊用电设备的建模以及该种负荷对电网的运行的影响给予重视^[2]。船舶电网是一个独立的电力系统，绞刀电机、电动钻机等作为特种负载对电力系统的稳定运行有着重大影响。因绞吸式挖泥船在疏浚行业的广泛应用，国内外众多科研机构和生产企业对绞吸式挖泥船开展了一系列的研究工作。

国内河海大学的疏浚技术中心也建立了各种土壤切削刀具的试验平台,对刀具的切削机理和泥浆的混合过程进行了一系列研究。国内有许多学者做了关于疏浚作业的仿真研究，其中对泥泵及铰刀的负荷分析已经非常细致。黄豪飞研究了泥沙的运动特性对土壤切削模型的影响,优化了切削土壤和绞刀的匹配模型，将柴油机泥泵机组视为整体,研究了吸扬系统的功率、扭矩和转速输出特性,并以此为基础优化了泥泵与输泥管线的匹配^[3]。孙丹丹以荷兰IHC公司生产的海狸3800挖泥船为具体实例，确定了泥泵的型号及主要特性参数，将泥泵的工况分为启动过程和吸泥过程进行了分析建模，并且得到了合理的模拟仿真结果，说明了用计算机来仿真模拟是一种有效而经济的研究方法^[4]。丁宏锴分析了柴油机的运转特性，讨论泥泵的可能工作状况，为实现泥泵与柴油机匹配提出了功率配套与转速配套的要求，并建立了泥泵柴油机旋转数学模型^[5]。张翔对绞吸式挖泥船吸口处的泥浆形成过程进行了深入分析并仿真，描述了泥浆比重的计算过程，然后基于所计算的比重是否大于1将输送流体分为清水和泥浆，给出了输送管路特性曲线和泥泵特性曲线的模型；而针对铰刀，通过建立铰刀切削泥砂模型作为铰刀的机械特性，与铰刀电动机模型相匹配，建立了简化的铰刀电力拖动系统的仿真模型^[6]。天津大学的张曙光在其硕士论文中对平台用钻井电动机交流变频控制中恒压频控制矢量控制进行了建模与仿真，并进行了对比，他认为矢量控制优于恒压频比控制^[7]。

国外Chee-Mun Ong写了一本关于使用MATLAB进行电机的建模与仿真的书籍，在里面提到了一个模型是理论可以用于预测和控制的表现形式，出于实用性，模型必须真实、易于理解且便于操作^[8]。E.S. Oluwasogo, O.D. Osunde, A.K. Babarinde等对三相感应电动机特性采用静止参考坐标系进行了数学建模及计算机编程仿真，并得到了MATLAB程序的图表曲线^[9]。Esteban Della Nave, Eduardo Natalio Dvorkin则提出了一个针对石油钻井过程的模拟装置，它可用于比较不同的钻井设计方案，并预测其结果，以及改善钻进技术^[10]。国内外关于铰刀、泥泵的负荷特性研究已经很深入了，但关于采用电动机拖动这些负载的研究却不常见。

1.3 课题研究内容和预期目标