嚀?dān)HSR調(diào)速系統(tǒng)分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 燕山大學(xué)交流傳動調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計報告 項目名稱：高鐵HSR調(diào)速系統(tǒng)分析 組 別：應(yīng)電2班2組 成 員：孫春祿、孟令軍、王棋、肖宇、 修圣虎、張宸瑋、朱弘毅 指導(dǎo)教師：肖瑩 完成日期：2016年9月25日項目分工及評分項目名稱高鐵HSR調(diào)速系統(tǒng)分析指導(dǎo)教師肖瑩 項目實施時間2016年秋季學(xué)期 第 5-6 周小組成員學(xué)號任務(wù)分工孫春祿2 資料搜集與討論、總體系統(tǒng)方案設(shè)計、項目研究報告撰寫、方案討論主講孟令軍8 資料搜集與討論、總體系統(tǒng)方案設(shè)計、匯報PPT制作王棋7 資料搜

2、與集討論、總體系統(tǒng)方案設(shè)計、匯報PPT制作肖宇8 資料搜集與討論、參與總體系統(tǒng)方案設(shè)計、匯報PPT制作修圣虎5 資料搜集與討論、參與總體系統(tǒng)方案設(shè)計、報告協(xié)助編寫張宸瑋0 資料搜集與討論、參與總體系統(tǒng)方案設(shè)計、報告協(xié)助編寫朱弘毅6 資料搜集與討論、參與總體系統(tǒng)方案設(shè)計、報告協(xié)助編寫摘 要本課程研究的項目為高鐵HSR調(diào)速系統(tǒng)分析，基于項目要求，本文介紹了動車組牽引傳動系統(tǒng)的發(fā)展、組成及控制策略，重點分析了轉(zhuǎn)差頻率控制、磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制策略，詳細列出各種控制策略的特點。對調(diào)速系統(tǒng)中電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)以及基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制這兩種關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的討論

3、與分析，對高鐵HSR調(diào)速系統(tǒng)有了一個較為全面的認知與了解。關(guān)鍵詞：牽引傳動系統(tǒng)、SVPWM、矢量控制目錄TOC o 1-3 h u 第一章 緒論1.1引言高速鐵路提供了一種新型的快速、便捷、安全、舒適的運輸方式，作為一項現(xiàn)代化綜合技術(shù)，它反映了國家的技術(shù)發(fā)展水平，其對經(jīng)濟發(fā)展及社會進步的推動作用得到了世界各國的公認。世界上最早的高速列車為日本1964年開通的新干線列車，最高時速443公里，運營速度可達每小時270公里或300公里。半個世紀(jì)以來，高速鐵路以其客運量大、能耗低、污染小、安全可靠、效益高等特點受到越來越多國家的青睞，許多國家相繼修建高速鐵路，全球已投入運營約1.4萬公里，列車運行速度

4、也一再提高。到目前為止，開通高速列車的國家有中、日、法、德、意、英、俄、瑞典等國，各國為該技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻。20世紀(jì)70年代，交流傳動技術(shù)開始用于列車牽引傳動，后經(jīng)測試運行，證實了交流傳動機車的一系列優(yōu)點，如牽引性能良好、動態(tài)性能和黏著利用好、單位質(zhì)量體積的牽引功率大以及維修量小等優(yōu)勢，從而引發(fā)了鐵道科學(xué)研究者研究三相交流機車的熱潮，而后由西門子、阿爾斯通、龐巴迪、GE公司、日立、川崎重等知名企業(yè)研發(fā)的多種型號的三相交流機車相機在眾多國家的鐵道線上運行。隨著功率半導(dǎo)體器件和變流技術(shù)的進步，以及大功率牽引電機日益完善的控制方法和控制裝置，現(xiàn)代高速鐵路運輸系統(tǒng)中的動車組列車，無一例外地都采

5、用了交直交的傳動技術(shù)。目前我國投入運營的高速列車是由南車集團和北車集團與國外大型企業(yè)合作，通過引進技術(shù)消化吸收，國產(chǎn)化了的新一代大功率交流傳動和諧號動車組。這些高速動車組融合并突破了世界各國最先進的交流傳動技術(shù)，成為我們高速動車組和皆號系列品牌列車。1.2動車組牽引技術(shù)的發(fā)展自1825年英國修建了世界上第一條鐵路以來,鐵路運輸便成為世界各國交通運輸?shù)墓歉闪α?對國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了重要貢獻。而隨著科技的不斷發(fā)展,由電氣化的高速列車牽引傳動技術(shù)也得到了高速的發(fā)展,電力電子器件的大力發(fā)展,以及控制策略的不斷完善都為列車牽引傳動技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)保證。1.2.1電力電子器件的發(fā)展電

6、力電子技術(shù)作為一個學(xué)科僅有半個世紀(jì)的歷史,但由于它對于國民經(jīng)濟有著明顯的推動作用,受到國內(nèi)外的普遍重視,因而發(fā)展相當(dāng)迅速,以致目前所用的技術(shù),無論在功率器件、電路拓撲、控制方法和系統(tǒng)性能等方面均與早期有明顯差別。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用,電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1974年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管,引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管。晶閘管出現(xiàn)以后,由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能,使之很快獲得廣泛的應(yīng)用。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件,屬于半控型器件,對晶閘管的控制方式主要是

7、相位控制方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠關(guān)斷外電壓來實現(xiàn),這就使得晶閘管的應(yīng)用受到局限。70年代后期,以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管(BJT)和電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)為代表的全控型器件迅速的發(fā)展。全控型器件的特點是可以通過對門極的控制既能使晶體管開通也能使晶體管關(guān)斷,且開關(guān)頻率比半控型晶閘管要高,這些優(yōu)越的特性使電力電子技術(shù)發(fā)展到一個新的階段。80年代后期,以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。工是MOSFET和BJT的復(fù)合,它把MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一身,使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)

8、的主導(dǎo)器件。90年代,電力電子器件又在向模塊化、智能化方向發(fā)展,力求將電子器件和驅(qū)動電路、保護電路等集成在一個模塊里,使裝置小型化和智能化,其典型器件是IPM。而IGCT工即具有IGBT的開關(guān)特性,又具有GTO的導(dǎo)通特性,且制造成本低,今后將會在更多的工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮作用。1.2.2交流傳動的發(fā)展近幾年來,科學(xué)技術(shù)尤其是電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,為交流傳動技術(shù)的發(fā)展提供了極為有利的條件。從動車組的發(fā)展過程來看,動車組的傳動方式主要包括交-直、交-直-交和交-交三種傳動方式。交-直傳動系統(tǒng)是指機車或動車組采用交流供電而采用直流電動機驅(qū)動動車組運行的傳動系統(tǒng)。交流傳動系統(tǒng)是指由各種變流器供電的異步電機

9、或同步電機作為動力的機車或動車組傳動的系統(tǒng),主要有直接式變流交-交變流和帶有中間環(huán)節(jié)的間接式變流交-直-交變流兩大類。早期的電力牽引傳動系統(tǒng)均采用交直傳動,用直流電動機驅(qū)動。但由于直流電動機的單位功率質(zhì)量較大,直流牽引電動機一般不超過500KW,由于高速列車既要大功率驅(qū)動又要求減輕軸重,特別是減輕簧下部分質(zhì)量,從而形成了難以克服的矛盾。到了20世紀(jì)80年代末90年代初,高速列車開始使用交流電機驅(qū)動,并存在兩種不同的路線,即交流同步電機和交流異步電機。同步牽引電機結(jié)構(gòu)上雖然比直流牽引電動機簡單,但它仍有滑環(huán)及電樞繞組。而異步電動機中的鼠籠型感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊壓,用裸銅條作為導(dǎo)體,無滑環(huán)等磨耗

10、裝置,結(jié)構(gòu)簡單、可靠、體積小、質(zhì)量輕、可實現(xiàn)電機免維修。由于逆變器技術(shù)和交流電機控制技術(shù)的進步為采用異步牽引電機驅(qū)動提供了條件,因此交-直-交傳動成為高速列車牽引傳動系統(tǒng)發(fā)展的主流。隨著新型大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),高速列車牽引變流器開始采用IGBT或IPM器件,進一步改善了交流傳動系統(tǒng)的性能。采用交-直-交傳動技術(shù)時,整個變流過程為把弓網(wǎng)獲得的單相交流電整流成直流電,再由逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電輸入異步牽引電機,這套變流技術(shù),尤其是交流牽引電機的控制技術(shù),是高速列車牽引傳動技術(shù)的核心,其中句括了項主要技術(shù)一是電力電子器件,它是牽引變流器的關(guān)鍵元件,目前高速動車組牽引傳動系統(tǒng)大量的采用工元

11、件和模塊。二是牽引變流器電路的性能,它是隨著電力電子器件的發(fā)展而發(fā)展的,其設(shè)計重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向牽引效率諧波含量,電磁干擾網(wǎng)端功率因素等方面。三是傳動系統(tǒng)的控制技術(shù),該技術(shù)分為整流器控制和逆變器控制兩部分,這兩部分的控制技術(shù)也隨著電機控制技術(shù)的成熟而得到了迅速的發(fā)展。從列車牽引傳動技術(shù)發(fā)展的趨勢來看,未來動車組牽引傳動系統(tǒng)將主要采用交-直-交型傳動系統(tǒng),其原因一方面是由于功率半導(dǎo)體和變流技術(shù)的進步另一方面取決于日益完善的控制方法和控制裝置。后者能夠使整個牽引傳動系統(tǒng)具備不同的性能以滿足不同應(yīng)用場合的要求。交流傳動系統(tǒng)有以下優(yōu)點：（1）有良好的牽引性能。大功率電機控制技術(shù)的發(fā)展和完善使得高速列車牽引性

12、能大大提高,從調(diào)速范圍到響應(yīng)速度,交流傳動系統(tǒng)發(fā)揮了巨大的作用；（2）電網(wǎng)功率因素高,諧波干擾小。技術(shù)的發(fā)展使得電網(wǎng)輸入功率因素盡可能的接近1,而電流的波形也得到極大的改善,諧波含量大幅度減小,對電網(wǎng)的污染也大大降低；（3）單位質(zhì)量體積的牽引功率大。異步電機功率大,質(zhì)量輕,體積小,轉(zhuǎn)速可達或更高,為整個傳動系統(tǒng)減少了成本；（4）動態(tài)性能和黏著利用好。由于交流異步電機機械特性較硬,其防空轉(zhuǎn)的性能較好,不僅能使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高,還能獲得較高的動態(tài)性能。1.3動車組牽引傳動系統(tǒng)概述動車組牽引傳動系統(tǒng)的功能就是將電能轉(zhuǎn)換成機械能來驅(qū)動列車運行,同時在列車制動時將機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。列車牽引傳動長

13、期以來都是采用交-直傳動系統(tǒng),牽引電機為直流電機,近30年來,由于電力電子技術(shù)尤其是大功率變流技術(shù)的發(fā)展,以及電機控制技術(shù)的完善,使三相交流電機在高速列車牽引傳動系統(tǒng)中的運用得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。1.3.1動車組傳動系統(tǒng)組成動車組牽引傳動系統(tǒng)由高壓電器設(shè)備、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機組成。受電弓從接觸網(wǎng)接收25KV單相交流電并輸送到牽引變壓器,經(jīng)過牽引變壓器變壓后得到1500V的單相交流電并輸入到脈沖整流器,脈沖整流器將單相交流電整流成3000V左右的直流電壓輸入牽引逆變器,逆變器再輸出頻率可控的三相交流電供給三相異步牽引電機,牽引電機將電能轉(zhuǎn)化成機械能驅(qū)動列車。牽引傳動系統(tǒng)組成

14、如圖1-1所示。圖1-1 牽引傳動系統(tǒng)簡圖高壓電器設(shè)備用于完成從接觸網(wǎng)到牽引變壓器的接通與斷開功能。主要包括受電弓、主斷路器、避雷器、電流互感器、接地保護開關(guān)等。高壓電器設(shè)備完成供電系統(tǒng)的接入與斷開控制、網(wǎng)側(cè)電流檢測、保護等功能,其中受電弓最為關(guān)鍵,它負責(zé)完成列車運行過程中的高速受流,并需要確保受流質(zhì)量。牽引變壓器用于把從接觸網(wǎng)接收的電壓降壓之后送入牽引變流器和牽引電機,因為牽引變流器及牽引電機的工作電壓不需要25KV那么高,所以必須把接觸網(wǎng)的電壓經(jīng)比例減小到合適的幅值。牽引變壓器的工作原理與普通變壓器相同,但由于其一次側(cè)連接的是接觸網(wǎng),必須抑制諧波電流,使反饋的電能不會污染電網(wǎng),二次側(cè)連接牽

15、引變流器,需要抑制電流紋波,所以牽引變壓器各個繞組都需要很高的電抗,為了使二次側(cè)并聯(lián)的牽引變流器功率平衡,牽引繞組的電抗必須相等,而二次側(cè)繞組間出現(xiàn)相互干擾會使得電流波形紊亂,因此各繞組需要采用磁解耦結(jié)構(gòu)。同時牽引變壓器的發(fā)熱量大,對冷卻系統(tǒng)的要求也很高。牽引變流器分為整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。整流環(huán)節(jié)采用脈沖整流器,脈沖整流器與牽引變壓器的二次側(cè)相連接,在列車運行在牽引工況的時候作為整流器,而在列車運行在制動工況的時候作為逆變器,并且能夠?qū)崿F(xiàn)不同工況的穩(wěn)定切換。列車運行在牽引工況時,脈沖整流器需要把牽引變壓器輸出的單相交流電整流成直流電壓,并且要保證直流電壓的質(zhì)量,盡可能的減小諧波和

16、保持電壓穩(wěn)定,而交流側(cè)的功率因素則要接近1,以提高系統(tǒng)工作效率,同時電流要接近正弦波,減小諧波含量。在列車運行于制動工況時,脈沖整流器變?yōu)槟孀兤?把直流環(huán)節(jié)的電壓逆變?yōu)轭l率,相位和幅值滿足要求的單相交流電,并通過牽引變壓器回饋到電網(wǎng),交流側(cè)功率因素需要接近-1且電流諧波含量低,以減少并網(wǎng)后電壓對電網(wǎng)的污染。中間直流環(huán)節(jié)用于保證直流環(huán)節(jié)電壓恒定,并且通過回路減小諧波含量,直流環(huán)節(jié)的開關(guān)用于保護牽引變流器,在直流電壓過高或過低時關(guān)斷變流器,使其進入保護狀態(tài),從而防止?fàn)恳兞髌鲹p壞。逆變環(huán)節(jié)采用牽引逆變器,牽引逆變器用于驅(qū)動牽引電機,在列車運行在牽引工況下,牽引逆變器把直流環(huán)節(jié)的直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率可

17、調(diào)的三相交流電控制牽引電機,經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換出來的三相電壓必須對稱,電流接近正弦波,以減少諧波和電壓不對稱對牽引電機造成的影響,減小電機損壞和故障的概率。當(dāng)列車運行在制動工況時,牽引電機作為發(fā)電機,經(jīng)牽引逆變器向電網(wǎng)供電,此時牽引逆變器運行在整流狀態(tài),把牽引電機輸出的三相交流電整流成直流電壓輸入直流環(huán)節(jié),再由脈沖整流器變換后輸入電網(wǎng)。牽引電機作為電能和機械能轉(zhuǎn)換的核心部件,在列車運行在牽引工況時作為電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動列車,制動狀態(tài)下作為發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能向電網(wǎng)回饋能量。牽引電機作為大功率電機,軸承在高速運行時要承受極大的沖擊力,而定轉(zhuǎn)子繞組需要承受高電壓和大電流,因此對電機的結(jié)構(gòu)及

18、制造材料、工藝有著較高的要求。減小電機質(zhì)量和體積、降低電機溫升,提高電機耐久度成為牽引電機發(fā)展的方向。1.3.2動車組牽引傳動系統(tǒng)控制策略在交流傳動電力機車上使用的最為普遍的3種電機控制策略分別為轉(zhuǎn)差頻率控制,磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。早期的轉(zhuǎn)差頻率-電流控制方法基于異步電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,其動態(tài)性能遠不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。20世紀(jì)70年代提出了磁場定向控制理論,它基于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制思想對異步電機進行矢量解耦,實現(xiàn)磁鏈、轉(zhuǎn)矩獨立調(diào)節(jié),達到了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的動態(tài)響應(yīng)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制是20世紀(jì)80年代中期繼矢量控制系統(tǒng)之后出現(xiàn)的另一種高動態(tài)性能的異步電動機控制方法。直接轉(zhuǎn)矩控制通過

19、快速改變轉(zhuǎn)差頻率,直接控制異步電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增長率。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,采用電機定子側(cè)參數(shù)計算出磁通和轉(zhuǎn)矩,并用兩點式調(diào)節(jié)器直接控制逆變器的開關(guān),對電機磁通和轉(zhuǎn)矩進行直接自調(diào)整控制,不僅能獲得快速的動態(tài)響應(yīng),而且具有最佳的開關(guān)頻率和最小的開關(guān)損耗。轉(zhuǎn)差-電流控制思想是在穩(wěn)態(tài)條件下,建立定子電流幅值、轉(zhuǎn)差頻率與電動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制函數(shù)由此推算各種運行條件下的轉(zhuǎn)差頻率,并與電動機轉(zhuǎn)速相加,可得到定子頻率。根據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系得到電動機端電壓的基波幅值同時由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩計算出的定子電流給定值與實際反饋值形成閉環(huán)控制,補償電動機端電壓的基波幅值。轉(zhuǎn)差-電流控制實現(xiàn)了電動機調(diào)速控制過程對電壓、頻

20、率的平穩(wěn)調(diào)節(jié)?？刂圃砗唵?易于實現(xiàn)。但該方法不能對動態(tài)過程解耦,動態(tài)響應(yīng)不理想。這控制方法只在早期的交流傳動機車上得到應(yīng)用,我國第一臺交流傳動電力機車AV4000原型車就采用了這種控制方法。磁場定向控制是模擬直流電動機的控制原理,通過磁場定向的方式,借助矢量變換,將交流電動機三相動態(tài)方程變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相正交模型,從而使磁鏈分量和轉(zhuǎn)矩分量的電流解耦,實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩分量的獨立控制,達到像控制直流電機一樣的效果。在推導(dǎo)各種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下磁場定向控制方式時,以轉(zhuǎn)子磁場定向方法最為簡便,易于實現(xiàn)。在轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)中,首先要解決的問題是轉(zhuǎn)子磁場的檢測。轉(zhuǎn)子磁場的檢測可分為直接檢測和間接檢測,

21、前者采用直接測量的方法來計算磁鏈,后者用測到的定子電流、轉(zhuǎn)速以及求得的轉(zhuǎn)差來計算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位。這兩種方法在特性上互補,因為在許多系統(tǒng)中采用混合的檢測方式。轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略具有以下特點：基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,通過坐標(biāo)變換,得到線性化異步電動機數(shù)學(xué)模型,對磁化電流和轉(zhuǎn)矩電流分量實現(xiàn)解耦控制,獲得較理想的動靜態(tài)特性?；谵D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,通過坐標(biāo)變換,得到線性化異步電動機數(shù)學(xué)模型,對磁化電流和轉(zhuǎn)矩電流分量實現(xiàn)解耦控制,獲得較理想的動靜態(tài)特性。由于電動機各參數(shù)的基波分量作為被控對象,用于閉環(huán)控制和計算的反饋信號的處理較為復(fù)雜。在恒功弱磁工況下,磁場定向控制時電流設(shè)置值的計算比較復(fù)雜、費時,并且

22、轉(zhuǎn)子時間常數(shù)相當(dāng)大,對轉(zhuǎn)子磁鏈進行弱磁控制是,達到的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相對較慢。在開關(guān)器件的工作頻率較低時,隨著逆變器輸出頻率的提高,磁場定向控制的環(huán)節(jié)必須采用同步方式,這樣就降低了開關(guān)頻率的利用率。只有優(yōu)化輸出,才能消除或減少電機電壓、電流中的低次諧波,減小轉(zhuǎn)矩脈動和直流環(huán)節(jié)諧波。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是近十幾年來繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985年由德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論,接著在1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。不同于矢量控制技術(shù),直接轉(zhuǎn)矩控制有著自己的特點。它在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復(fù)雜、特性易受電機參數(shù)影

23、響、實際性能難以達到理論分析結(jié)果的一些重大問題。直接轉(zhuǎn)矩控制是將逆變器的控制模式和電機運行性能作為一個整體來考慮的,它具有兩層含義一是保持定子總磁鏈不變,二是對電機轉(zhuǎn)矩進行直接控制。通過對逆變器開關(guān)的控制,既保證定子磁鏈的幅值恒定,又能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的控制,兩者均通過閉環(huán)實現(xiàn)。逆變器輸出的電壓空間矢量對定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩的作用結(jié)果與電動機的狀態(tài)有關(guān),在已知電動機狀態(tài)的條件下,根據(jù)電動機定子磁鏈定向的基本要求,總能選擇合適的空間電壓矢量去控制定子磁鏈的幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的大小,基于這種簡單的物理概念,選擇定子磁鏈以六邊形軌跡運動,實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的兩點式Band-Band控制。直接轉(zhuǎn)矩控制策略具有以下的

24、特點:(1)無需坐標(biāo)變換,控制結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)。(2)完全的瞬態(tài)控制,反饋信號處理相當(dāng)簡便,無需特殊處理,可直接用于控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的計算。因此結(jié)構(gòu)簡單,便于實現(xiàn)全數(shù)字化。 (3)定子磁鏈的計算受電機定子電阻的影響,但在實際控制系統(tǒng)中,定子參數(shù)易于測量、修正和補償。(4)采用Band-Band控制轉(zhuǎn)矩的同時,又直接形成PWM信號,可充分利用開關(guān)頻率。Band-Band控制可獲得比PI控制更快的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。(5)在啟動和低速階段,由于開關(guān)器件最小導(dǎo)通時間的限制,如果只通過轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制來變換有效電壓矢量和零電壓矢量,不可能得到所希望的較小的輸出電壓,而且由于定子電阻的影響,六邊

25、形定子磁鏈軌跡將產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。(6)Band-Band控制方式的不足在于它會引起轉(zhuǎn)矩脈動,不是完全恒定的。 (7)帶積分環(huán)節(jié)的電壓磁鏈模型在低速下誤差大,且定子電阻的變化也會影響到磁鏈計算的準(zhǔn)確性,因此直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速范圍受到了一定的限制。直接轉(zhuǎn)矩控制策略與轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略的的比較：(1)兩者的數(shù)學(xué)模型本質(zhì)是相同的,區(qū)別僅在于采用的狀態(tài)變量不完全相同,直接轉(zhuǎn)矩控制策略采用轉(zhuǎn)速、定子磁鏈和定子電流作為狀態(tài)變量,而轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略采用轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流作為狀態(tài)變量。(2)兩種控制策略都基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制,轉(zhuǎn)子磁場定向控制強調(diào)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦,這有利于分別設(shè)置轉(zhuǎn)速與磁鏈的

26、調(diào)節(jié)器,但轉(zhuǎn)子磁鏈計算受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響,魯棒性有所降低,直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的解耦控制,定子磁鏈計算不受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響,魯棒性更好,但是不可避免的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動,調(diào)速性能受影響。 (3)兩種控制策略都適用于高性能異步牽引電動機的控制。兩種控制策略都存在不足之處,研究和開發(fā)都朝著揚長避短的方向發(fā)展。調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)討論2.1電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)牽引逆變器將中間直流環(huán)節(jié)輸出電壓，通過控制功率器件的開通關(guān)斷狀態(tài)變換為電壓頻率可調(diào)的三相交流電?？煞譃殡妷涸葱秃碗娏髟葱蛢煞N，我國高速列車全部采用電壓型逆變器，根據(jù)輸出電平數(shù)的不同，有兩電平和三電平兩種拓撲結(jié)構(gòu)。2.1.1兩電平逆變

27、器主電路兩電平逆變器主電路構(gòu)成如圖，共有三個橋臂，各橋臂由兩個開關(guān)器件以及相應(yīng)的續(xù)流二極管組成，六個電子開關(guān)器件構(gòu)成了三相全橋。同一橋臂的上下開關(guān)管不能直通，因此，每個時刻都有3個開通工作，一共有8種工作狀態(tài)，從而獲得輸出的三相對稱的電壓波形。圖2-1 兩電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)牽引逆變器采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM,又稱磁鏈追蹤型PWM算法），該方法把變流器和電機統(tǒng)一起來，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，跟蹤圓形軌跡旋轉(zhuǎn)磁場控制變流器工作，還可以保證電機磁路飽和程度處于所設(shè)計的額定狀態(tài)。利用盡可能多的多邊形磁通軌跡來逼近理想的磁通圓形軌跡，該軌跡越接近圓，引起的電流、轉(zhuǎn)矩波動就越小

28、，諧波、開關(guān)損耗下降，電機運行性能越好，即所謂磁鏈跟蹤控制。當(dāng)逆變器向電動機供電時，利用空間矢量概念，建立逆變器開關(guān)狀態(tài)及其輸出電壓與電動機磁鏈之間的關(guān)系，根據(jù)需要跟蹤的磁鏈空間矢量的運動軌跡，選擇逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使逆變器輸出適當(dāng)波形的電壓，這就是空間矢量的基本原理。在復(fù)平面上建立電壓空間矢量：定子磁鏈空間矢量：轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量：空間矢量表示的異步電機定子電壓方程：定子三相電壓合成空間矢量定子三相電流合成空間矢量定子三相磁鏈合成空間矢量忽略定子電阻壓降，則。當(dāng)磁鏈幅值恒定、空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹诉\動軌跡呈圓形，于是。由此可見，磁鏈幅值一定，電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈頂端圓切線方

29、向。當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶靠臻g旋轉(zhuǎn)一周，電壓矢量沿磁鏈頂端圓走弧度，軌跡與磁鏈頂端圓形重合。于是，電機旋轉(zhuǎn)磁場軌跡問題轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題了。2.1.2三電平逆變器主電路三電平三相逆變器主電路如圖2-2，采用兩個開關(guān)管串聯(lián)與中點帶符位二極管的方式，這樣開關(guān)管承受電壓降低了一半。圖2-2 三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)以A相橋臂為例分析的開關(guān)器件的通斷狀態(tài)如表(2-1)。由表可知，開關(guān)管和柵極上的控制脈沖是互補的，開關(guān)管與也同樣如此，每相橋臂分為單相“P”狀態(tài)、單相“0”狀態(tài)、單相“N”狀態(tài)；中間切換須有“0”狀態(tài)過渡。交流輸出側(cè)每相電壓相對直流側(cè)有三種取值、0、。表2-1 開關(guān)管狀態(tài)和輸出電位設(shè)電機上施

30、加三相正弦電壓瞬時值表達式為： ，按照空間矢量理論，對應(yīng)的電壓空間矢量定義為：當(dāng)三電平逆變器輸入恒壓，各橋臂有三種開關(guān)狀態(tài)，即上橋臂開關(guān)器件和；導(dǎo)通的P狀態(tài)（或者稱為“1”狀態(tài)）、上橋臂開關(guān)器件和；導(dǎo)通的N狀態(tài)(或者稱為“-1”狀態(tài)）和輔助開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)0，如此一來按照導(dǎo)通關(guān)斷規(guī)，一共有27種可能的開關(guān)組合，圖2-3為所有開關(guān)狀態(tài)的三電平逆變器空間矢量圖，可以分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量四類。其中：6個大矢量（），6個中矢量（），6對小矢量（），零矢量（0）。一般一個PWM周期是由“正小矢量出發(fā)只改變一相狀態(tài)或有0狀態(tài)過度下一個矢量負小矢量原路返回正小矢量”。從而形成一個周期七段對稱波

31、形，當(dāng)然也可以從負小矢量出發(fā)完成一個周期的開關(guān)狀態(tài)。圖2-3 三電平逆變器空間電壓矢量2.2牽引電機矢量控制系統(tǒng)2.2.1交流異步電動機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型在研究交流異步電動機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型時，常作以下假設(shè)州：（1）假設(shè)三相繞組對稱，并在空問中互差120。電角度，其產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布，并不考慮空間諧波；（2）忽略頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響；（3）假設(shè)各繞組的自感和互感都是恒定的，忽略磁路飽和；（4）忽略鐵心的損耗?！倦妷悍匠獭繉㈦妱訖C轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。這樣經(jīng)過折算后電動機繞組就等效成圖2-4所示的三相交流異步電動機物理模型。圖

32、2-4 三相交流異步電動機的物理模型三相定子繞組的電壓平衡方程為：與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為：上述各量都已折算到定子側(cè)，為簡單起見，表示折算的上角標(biāo)星號均被省略。將以上電壓方程寫成矩陣形式并以微分算子P代替微分符號d/dt得：【磁鏈方程】每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬陨淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表達為：與電動機繞組交鏈的磁通主要分為兩類：一類是穿過氣隙的互感磁通，另一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，其中前者是起主要作用。定子各相漏磁通所對應(yīng)的電感稱作定子漏感，轉(zhuǎn)子各相漏磁通對應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感。定子互感對應(yīng)于與一相定子繞組交鏈的最大互感磁通，

33、轉(zhuǎn)子互感，對應(yīng)于與一相轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大互感磁通，折算以后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且因各繞組間互感磁通都通過氣隙，所以磁阻相同，即有=。定子、 轉(zhuǎn)子各相自感分別為，兩相繞組之問存在互感，互感分為兩類。第一類：因定子三相之問和轉(zhuǎn)子三相之間位置是固定的，互感為常值，三相繞組軸線在空間的相位差是，互感為：第二類：定子任何一相與轉(zhuǎn)子任何一相的位置是變化的，互感是角位移的函數(shù)。由于相互位置的變化(見圖2.3)，可分別表示為：當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時，兩者之間的互感最大。磁鏈方程：和，兩個分塊矩陣互為轉(zhuǎn)置，且均與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，它們的元素都是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。把磁鏈方程代入電壓方程可得：屬

34、于電磁感應(yīng)電動勢中的變壓器電動勢，屬于電磁感應(yīng)電動勢中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢。【轉(zhuǎn)矩方程】交流電動機的數(shù)學(xué)模型和直流電動機模型相比有著本質(zhì)的區(qū)別：交流異步電動機是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間互相都有影響，所以是強耦合的多變量系統(tǒng)。在交流異步電動機中，轉(zhuǎn)矩等于電流乘磁通，感應(yīng)電動勢等于轉(zhuǎn)速乘磁通，由于它們都是同時變化的，在數(shù)學(xué)模型中含有兩個變量的乘積項，即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的。三相交流異步電動機定子有三相繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三相繞組，每相繞組產(chǎn)生磁通時都有自身的電磁慣性，再考慮轉(zhuǎn)子速度與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，以及運動系統(tǒng)的機電慣性，即使不考慮變頻裝置的