电力推进船舶功率限制的半实物仿真研究

发布时间：2017-07-29 19:07

  本文关键词：电力推进船舶功率限制的半实物仿真研究

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【摘要】：随着电力电子技术和变频调速技术的发展，电力推进船舶成为未来船舶发展的重点方向。由于船舶较大的推进功率，以及新型大功率用电负载的增加，对船舶能量的管理提出了更高的要求。功率限制是对电力推进船舶进行能量管理最重要的关键技术之一。国内对该领域的研究和应用较少，因此本文对功率限制展开研究。 由于传统的数字仿真存在置信度不足等缺点，本文采用半实物方式，对功率限制的控制算法进行研究，对可行性进行验证。 对电力推进船舶发电及主要用电设备的数学模型进行分析，搭建各设备的数学模型。对作为船舶主要负载的螺旋桨的负载特性进行重点分析，并对如何用两台电机模拟船舶的螺旋桨特性进行研究。将个体模型搭建成一个完整的船舶电力系统模型。 对电机的功率限制的实现提出两种控制算法，一种为功率转速电流三闭环，另一种为由转速电流双闭环切换为功率电流双闭环。并分别针对这两种算法，以直流电机为对象，进行了数字仿真，以验证其可行性。 引入RT-LAB仿真机与PLC、变频器和变频电机，，搭建能够完整模拟船舶电力系统的小比例半实物仿真系统。在仿真机中运行数学模型及控制算法，PLC为自动化控制器，两台对拖的变频电机模拟螺旋桨，以数学模型和实物相结合的小比例半实物方式，研究和验证功率限制的两种控制算法。整个半实物仿真系统通过数据交换共享一组数据。为了能够更接近实船，还引入了部分PMS功能以及脱扣快速停车功能，使船舶能够在检测到设备损坏的情况下，能够快速卸掉负载，让快速卸载作为功率限制的重要补充。将包含快速卸载的完整功率限制算法在小比例半实物模式下，以异步电机为对象，再次进行研究和可行性验证。 经过研究和验证，本文中提到的算法能够实现功率的快速卸载和功率限制。符合实船的控制要求。
【关键词】：电力推进船舶 功率限制 RT-LAB 半实物仿真
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.14
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及研究手段11-15
• 1.2.1 研究现状11-14
• 1.2.2 研究手段14-15
• 1.3 本文的主要工作15-17
• 第2章 半实物研究平台的构建17-27
• 2.1 系统组成及工作原理17-19
• 2.2 系统主要硬件设备及参数19-23
• 2.2.1 仿真机RT-LAB主要性能19-20
• 2.2.2 电机主要技术参数20-21
• 2.2.3 变频器选择及主要性能参数21-23
• 2.2.4 PLC的选择及主要性能参数23
• 2.3 系统分析及建模方法23-24
• 2.3.1 系统分析23-24
• 2.3.2 建模方法24
• 2.4 软件说明24-26
• 2.4.1 RT-LAB软件及Simulink仿真软件24-25
• 2.4.2 西门子全集成自动化软件STEP725
• 2.4.3 变频器调试软件Starter25-26
• 2.4.4 上位机组态软件WinCC26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 系统的数学模型27-44
• 3.1 柴油发电机结构27-28
• 3.2 柴油机与调速器完整模型28-29
• 3.3 三相同步发电机模型29-32
• 3.3.1 理想假设及Park变换29-30
• 3.3.2 同步发电机模型的建立30-32
• 3.4 励磁系统模型32-34
• 3.5 变压器模型34-36
• 3.6 螺旋桨数学模型36-42
• 3.6.1 伴流系数及推力减额系数37
• 3.6.2 船舶阻力特性37-38
• 3.6.3 螺旋桨推力系数，扭矩系数，进速比的分析38-40
• 3.6.4 转矩的折算40-41
• 3.6.5 船桨模型41-42
• 3.7 整体模型42
• 3.8 本章小结42-44
• 第4章 电机功率限制算法及其数字仿真44-60
• 4.1 整体模型的仿真44-45
• 4.1.1 起动后突加负载44-45
• 4.1.2 起动后突卸负载45
• 4.2 船舶电力推进方式45-47
• 4.3 PID控制47-49
• 4.4 双闭环调速分析49-50
• 4.5 双闭环设计50-51
• 4.6 矢量控制51-53
• 4.7 交流电机和直流电机的等效53-55
• 4.8 电机数字仿真的两个算法55-59
• 4.8.1 三闭环控制算法56-58
• 4.8.2 速度环和功率环切换算法58-59
• 4.9 本章小结59-60
• 第5章 电推船功率限制的半实物仿真60-82
• 5.1 半实物仿真总体方案60-63
• 5.2 RT-LAB功能的实现63
• 5.3 PLC功能的实现63-67
• 5.3.1 程序结构64-65
• 5.3.2 通讯报文65-67
• 5.4 变频器基本工作原理67-71
• 5.4.1 整流环节67
• 5.4.2 转子磁场定位67-68
• 5.4.3 SPWM和SVPWM68-71
• 5.5 传动系统功能的实现71-74
• 5.5.1 基本功能说明及调试71-72
• 5.5.2 变频器通信功能的实现72-74
• 5.6 HMI功能的实现74-75
• 5.7 半实物仿真模式下功率限制的实现75-81
• 5.7.1 脱扣模式下电机停车保护75-77
• 5.7.2 三闭环模式下功率限制的半实物仿真实现77-78
• 5.7.3 速度环到功率环模式下功率限制的半实物仿真实现78-81
• 5.8 本章小结81-82
• 第6章 总结与展望82-84
• 6.1 全文总结82-83
• 6.2 研究展望83-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-86

【参考文献】

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本文编号：590634