異步牽引電機起動峰值電流抑制控制策略研究

1、異步牽引電機起動峰值電流抑制控制策略研究research on control strategy for suppression of asynchronous traction motor starting peak current摘 要： 針對dtc模式下異步牽引電動機起動峰值電流過大的問題，提出了一種抑制異步牽引電機起動峰值電流的轉(zhuǎn)矩和磁鏈分時控制策略。根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下異步電機的數(shù)學(xué)模型，利用matlab/simulink軟件包中的s函數(shù)模塊和基本模塊，構(gòu)建出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，對交流異步電動機在不同控制策略下的起動過程進(jìn)行了動態(tài)仿真。仿真結(jié)果與目前牽引電機運行的數(shù)據(jù)接近，證

2、明了該仿真模型的合理性和有效性；同時，仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)矩和磁鏈分時控制策略至少可以降低2/3的起動峰值電流。關(guān)鍵詞：異步電動機；起動峰值電流；直接轉(zhuǎn)矩控制；matlab中圖分類號：tm301.2：tm343 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：aabstract：for the problem of asynchronous traction motor starting peak over-current in the dtc system, this paper proposes torque and flux linkage time-shared control strategy for suppression

3、 of asynchronous traction motor starting peak current. according to dynamic mathematical model on coordinate system of asynchronous motor，the simulation model of the dtc system is established by using s-function and standard modules in matlab/simulink software package. the research on the simulation

4、 of start-up proceeding of ac asynchronous motor is carried out with the use of the model under different control strategies. simulation results and the motor operation data at present are close, which testifies the accuracy and the effectiveness of the simulation model; at the same time, the simula

5、tion results indicate that torque and flux linkage time-shared control strategy can reduce two thirds starting peak current.key words：asynchronous motor; starting peak current; direct torque control; matlab0. 引 言交流異步電動機因結(jié)構(gòu)簡單，使用安全、運行可靠、維護(hù)方便，環(huán)境適應(yīng)性強，已得到了廣泛應(yīng)用1。特別是近年來在軌道牽引系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛2。本文所研究的主要對象是從三菱公司引進(jìn)的使用

6、在crh2型高速動車組上的異步牽引電機。該電機實際的控制方式為日本九十年代成熟的矢量控制模式。目前，在國內(nèi)開發(fā)的春城號、中原之星、中華之星、奧星動車組和北京、上海幾種地鐵列車均采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，簡稱dtc)系統(tǒng)，即將研發(fā)的350公里動車組也將dtc系統(tǒng)作為主要的可選方案。將該電機推廣使用在dtc系統(tǒng)中面臨著許多需要解決的問題。傳統(tǒng)dtc系統(tǒng)一個明顯缺點是產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動較大，并且還存在電機的起動階段開關(guān)頻率過高和起動峰值電流過大的問題。文獻(xiàn)3，4對轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行了研究，提出了許多改進(jìn)方法；文獻(xiàn)5為了解決起動階段開關(guān)頻率過高的問題，在電機的低速階段采用

7、了間接轉(zhuǎn)矩控制策略，高速階段采用直接轉(zhuǎn)矩控制；本文則是針對dtc系統(tǒng)中電機起動峰值電流過大這一問題進(jìn)行了研究。本文在分析交流異步電機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助于matlab強大的仿真建模能力6，利用simulink中內(nèi)含的功能元件，建立了交流異步電動機dtc系統(tǒng)的仿真模型。通過對異步電機起動過程的仿真研究，實現(xiàn)了在dtc模式下有效抑制異步牽引電動機起動峰值電流的分時給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制策略。1. 電機數(shù)學(xué)模型1.1. 坐標(biāo)變換矩陣根據(jù)雙軸理論，感應(yīng)電動機通過三相到兩相的park矢量變換，可以得到兩相靜止、坐標(biāo)下電動機模型。電機在三相靜止坐標(biāo)系下定子電壓、電流及磁鏈用、坐標(biāo)下的各分量表示如下： （1）

8、 （2） （3）1.2. 狀態(tài)方程在、坐標(biāo)系下，以電機定轉(zhuǎn)子電流為狀態(tài)變量，可以得到異步電機的狀態(tài)方程7： 其中：；s、r表示定、轉(zhuǎn)子分量；、表示兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸； 、 、 分別為定、轉(zhuǎn)子在、軸上的電壓分量，且鼠籠式轉(zhuǎn)子電壓、為0 ；、 、分別為定、轉(zhuǎn)子在、軸上的電流分量； 、分別為定、轉(zhuǎn)子電阻； 、分別為定、轉(zhuǎn)子電感；為定、轉(zhuǎn)子繞組間互感；為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度（電角度）；p為微分算子。1.3. 轉(zhuǎn)矩與運動方程轉(zhuǎn)矩方程為： (5)運動方程為： (6) 式中， 為極對數(shù)；j為轉(zhuǎn)動慣量；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電機的阻尼系數(shù)。2. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真建模2.1. dtc系統(tǒng)基本原理及仿真框圖直接轉(zhuǎn)矩控

9、制8技術(shù)是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)(band-band控制)產(chǎn)生pwm信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。定、轉(zhuǎn)子磁鏈與電動機轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可用式（7）表示8： （7）式中，為定子磁鏈空間矢量；為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角；為電動機轉(zhuǎn)矩，單位nm； 為電機總漏感，單位h因此當(dāng)電機一定時，可以通過、來改變異步電動機的轉(zhuǎn)矩本文采用近似圓形磁鏈軌跡控制9方案以減少磁鏈軌跡的畸變。根據(jù)式（7）所反映的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的關(guān)系，采用的直接轉(zhuǎn)矩控制原理見圖1。圖1中，速度pi調(diào)節(jié)器

10、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的參考值；轉(zhuǎn)矩、磁鏈觀測單元則根據(jù)坐標(biāo)變換后電機的定子電流、電壓和轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實際值；轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩點式調(diào)節(jié)器均采用施密特觸發(fā)器，它們根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈實際值和參考值的差值輸出相應(yīng)的控制信號；電壓工作區(qū)間選擇單元根據(jù)磁鏈幅值的正負(fù)判斷磁鏈所在的區(qū)間；開關(guān)狀態(tài)選擇表根據(jù)定子磁鏈所在區(qū)間和兩個調(diào)節(jié)器的輸出的控制信號，查找優(yōu)化后的電壓矢量選擇表，得到逆變器的開關(guān)信號；逆變器根據(jù)開關(guān)信號輸出電壓加在電機的定子繞組上，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的控制。 圖1 異步感應(yīng)電機dtc系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖fig.1 schematic diagram of direct torque control system

11、for asynchronous induction motor 根據(jù)上述原理，本文構(gòu)建的基于近似圓形磁鏈軌跡dtc方法的系統(tǒng)仿真框圖如圖2所示。2.2. 轉(zhuǎn)矩和磁鏈給定本文不同控制策略都是基于不同的轉(zhuǎn)矩和磁鏈給定方式。轉(zhuǎn)矩給定torque*由speed_controller模塊（速度調(diào)節(jié)器）（見圖3）輸出確定。該模塊由實際轉(zhuǎn)速和給定的差值，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器和限幅器，再得到給定轉(zhuǎn)矩。該模塊按功能可以分為兩個部分，一個部分是起動初始階段轉(zhuǎn)矩給定模塊，由t_start 斜坡函數(shù)模塊和t_sat限幅器構(gòu)成，它與磁鏈給定模塊配合使用，可以減少電機起動峰值電流；另一部分是全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)模塊，由剩余

12、模塊構(gòu)成，具有動態(tài)調(diào)節(jié)過程快、無超調(diào)、無靜差等特點。圖3 速度調(diào)節(jié)器模塊仿真框圖fig.3 simulation diagram of speed controller module圖2 近似圓形磁鏈軌跡dtc系統(tǒng)仿真框圖fig.2 simulation diagram of direct torque control system for approximate circular flux linkage track磁鏈給定flux*（見圖2），由斜坡函數(shù)（ramp）模塊和限幅模塊組成，通常情況下，為了充分發(fā)揮電機的起動力矩，磁鏈為一個不變的給定值，電機在起動開始階段會出現(xiàn)一個極大的峰值電流

13、，給電機和逆變器造成危害，必須加以限制。本文通過電機磁鏈的給定值與轉(zhuǎn)矩給定值同步增加來降低電機起動時的峰值電流，適當(dāng)延長了電機起動時間，對于列車至少幾十秒的起動時間，其影響可以忽略。3. 系統(tǒng)仿真3.1. 系統(tǒng)仿真參數(shù)仿真時電機各參數(shù)為：p =300 kw，定子電阻 =0.16，轉(zhuǎn)子電阻=0.17，定子電感 =0.031h，轉(zhuǎn)子電感=0.031h，互感=0.0294h，轉(zhuǎn)動慣量j =1.57kgm2，電機的阻尼系數(shù)=0，極對數(shù)=2?？刂葡到y(tǒng)參數(shù)：最大磁鏈4.23wb，磁鏈容差 =0.01 wb，轉(zhuǎn)矩容差 =5nm，起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=13.5 nm，給定電磁轉(zhuǎn)矩torque*=1390 nm

14、，并線性下降；起動結(jié)束時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=41.6 nm，電機轉(zhuǎn)速n=1571rpm；中間直流電壓=3000v。3.2. 策略a：轉(zhuǎn)矩和磁鏈分時給定按圖2進(jìn)行仿真。轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別按圖4a、圖4c給定，并將圖2中開關(guān)表模塊中in_flux參數(shù)設(shè)置為0.45。仿真結(jié)果見圖4。3.3. 策略b：轉(zhuǎn)矩和磁鏈常規(guī)給定將圖5中起動初始階段轉(zhuǎn)矩給定模塊刪除；在圖2中，磁鏈給定模塊用常量4.23取代，并將開關(guān)表模塊中in_flux參數(shù)設(shè)置為0，其余模塊及參數(shù)按3.2節(jié)設(shè)定不變。仿真結(jié)果見圖5。3.4. 策略c：轉(zhuǎn)矩常規(guī)給定、磁鏈按直線軌跡給定將圖2中開關(guān)表模塊中in_flux參數(shù)設(shè)置為4.21，其余同3.3節(jié)。

15、仿真結(jié)果見圖6。3.5. 仿真結(jié)論比較3.2、3.3、3.4仿真結(jié)果可以得到下列結(jié)論：1) 系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制性能；2) 定子磁鏈軌跡基本為圓形，磁鏈誤差被控制在4.230.01wb范圍內(nèi)；3) 轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速，無超調(diào)，且靜差不超過0.2%。4) 由于本文未考慮轉(zhuǎn)矩波動，其波動范圍在最大轉(zhuǎn)矩的15%以內(nèi)； 5) 由下表1可以得出：轉(zhuǎn)矩和磁鏈分時給定控制策略可以顯著降低電機起動峰值電流。表1 仿真結(jié)果匯總一覽表table.1 simulation results summary sheet策略類型abc轉(zhuǎn)矩跟隨上升時間ms06.41.4轉(zhuǎn)矩觀測值達(dá)到最大給定值時間ms1006.710.7

16、磁鏈觀測達(dá)到最大給定值所用時間ms2894.39.3起動峰值電流a3401030920a 00.12s起動轉(zhuǎn)矩給定 b 00.12s起動轉(zhuǎn)矩響應(yīng) c 00.4s起動磁鏈及其給定 d 給定轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩關(guān)系 e 起動圓形磁鏈軌跡 f 起動三相電流 g 00.4s起動三相電流 h 起動轉(zhuǎn)速響應(yīng) i 起動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖4 策略a時電機起動過程仿真結(jié)果fig.4 the simulation results of motor starting proceed at a strategy a 00.03s起動轉(zhuǎn)矩給定及轉(zhuǎn)矩響應(yīng) b 00.3s起動磁鏈及其給定 c 00.3s起動三相電流 d 起動圓

17、形磁鏈軌跡 e 起動轉(zhuǎn)速響應(yīng) f 起動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖5 策略b時電機起動過程仿真結(jié)果fig.5 the simulation result of motor starting proceed at b strategy a 00.03s起動轉(zhuǎn)矩給定及轉(zhuǎn)矩響應(yīng) b 00.3s起動磁鏈及其給定 c 00.3s起動三相電流d 起動圓形磁鏈軌跡 e 起動轉(zhuǎn)速響應(yīng) f 起動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖6 策略c時電機起動過程仿真結(jié)果fig.6 the simulation results of motor starting proceed at c strategy 4. 結(jié)束語本文依據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理，根據(jù)兩相靜止、坐

18、標(biāo)下電動機數(shù)學(xué)模型，采用matlab環(huán)境中sinulink模塊搭建了直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)，對三相鼠籠式異步牽引電機的起動過程進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明該建模方法的可行性和正確性；仿真結(jié)果同時也表明起動轉(zhuǎn)矩和磁鏈分時給定的控制策略有效地改善了直接轉(zhuǎn)矩控制下起動峰值電流過大的弊病，值得借鑒和推廣。目前，本文所研究的電機已廣泛使用在鐵路干線上，在實際的矢量控制控制方式下，電機地面聯(lián)調(diào)和實際上線運行起動電流基波的測量值為178a；對本文直接轉(zhuǎn)矩控制中a相起動電流進(jìn)行fft分析，得到起動電流峰值處（對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3.2rpm）電流有效值為172a，兩者結(jié)果相近，進(jìn)一步驗證了仿真模型的正確性。本文仿真系統(tǒng)是

19、建立在理想的電機和逆變器基礎(chǔ)之上，還需要根據(jù)實際的電機和逆變器模型，進(jìn)一步研究分時給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈之間的最佳匹配，以進(jìn)一步降低峰值電流，并縮短電機起動時間。另外一個工作就是優(yōu)化仿真模型，提高求解精度，縮短模型仿真時間。參考文獻(xiàn)：1. macbahi h.ba-razzouk a.xu j. et al. a unified method for modeling and simulation of three phase induction motor drivesa/ electrical and computer engineeringc. 2000: 345-349.2. 張大勇.我國機車

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