（电气工程专业论文）高速列车用感应电机弱磁控制方法的研究.pdf

， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者主名：易饧 签字日期：调护年月弓口e l 导师繇钐叩尹 签字日期：硼年月乡口e l 高速列车用感应电机弱磁控制方法的研究 s t u d y o nf i e l d w e a k e n i n gc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r i nh i g h - s p e e dt r a i n 作者姓名：马华 导师姓名：杨中平 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 0 6 9 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：电力牵引 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 t 老师在两年 无论是在 学习生活上，还是平时的为人处事上，杨老师都给予了我很大的关心和帮助。他 正直的人品、力求完美的做事风格和对待工作兢兢业业的态度给我留下了很深刻 的印象，为我树立了科学工作者的榜样。在此向杨中平老师表示衷心的谢意。 在论文的研究过程中，还得到了郝瑞祥老师和王琛琛老师的指导和帮助，他 们对于我的研究课题提出过很多宝贵的意见，非常感谢。同时还得到了游小杰老 师、林飞老师、张立伟老师、孙湖老师、黄先进老师、贺明智老师对我生活和学 习的指导及帮助，非常感谢。 在本论文的实验过程中，赵坤、王迅、陆峰等同学给予了我大力的支持和帮 助，使我能够顺利进行实验，在此向他们表达我的感激之情。 同时，还得到了刘玉洁、谷杨心、徐龙、李思杰等同学在学习、生活等各个 方面的鼎力相助，与他们相处的时光是我最大的财富，在此表示深深的谢意。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 中文摘要 摘要：随着列车高速化的要求，大范围调速系统正变得越来越重要。基于矢 量控制的变压变频调速在高速列车中得到广泛应用。在这种系统中，要调节电动 机转速，须同时调节定子电压和频率。但当频率上升到基频后，定子电压受到变 频器最大输出电压的限制而不能进一步提高。减弱电动机磁场使电机转速升高的 方法一弱磁控制，可以使电动机运行在额定转速以上，从而满足高速列车的宽调 速范围运行。 在弱磁区，转矩能力随着频率的增加而减小，电机转矩输出能力很大程度上 取决于弱磁控制策略。传统弱磁控制方法使得转子磁链与转速成反比变化，这种 控制方法要求定子电压的幅值和相位均可控，由于电压幅值的限定，电机转矩能 力不能充分发挥；电机将不能产生满足机械特性要求的转矩。本文正是针对传统 弱磁控制中存在的问题，通过对电机在弱磁区运行状态的研究，采用有效的转矩 优化策略，从而提高弱磁区电机转矩的输出能力。 本文以交流感应电机的数学模型为基础，详细分析了电机在电压和电流限制 条件下的全速度范围运行状态，针对电机在不同区域的运行特征，讨论了基于磁 链补偿控制和相位控制的两种改进的弱磁方法，磁链补偿控制通过改变弱磁曲线 的形式来协调d 、q 轴电流的分配以充分发挥电机的转矩输出能力；而相位补偿控 制通过改变定子电流的相位来协调d ，q 轴电流的分配。 论文在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建了基于c r h 2 a 型动车组的磁场定向矢量控 制模型，采用c r h 2 a 的电机参数和牵引特性曲线对传统弱磁控制策略和改进的两 种弱磁控制策略进行仿真验证。最后，基于7 5 k w 小电机牵引传动实验平台，运 用缩放理论得到和c r h 2 a 型动车组相对应的牵引转矩曲线，采用磁链补偿控制策 略进行了实验。实验和仿真结果表明，文章所讨论的方法有效的提高了弱磁区电 机输出转矩，所得结果验证了理论分析的正确性。 关键词：高速列车；感应电机：弱磁控制；转矩优化 分类号：t m 9 2 1 2 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dg r o w t ho fh i g hs p e e dt r a i n , w i d es p e e dc o n t r o l s y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t v a r i a b l ev o l t a g ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c y s y s t e mb a s e do nv e c t o rc o n t r o li sa p p l i e dw i d e l yi nh i g hs p e e dt r a i n i nt h i ss y s t e m , i t m u s ta d j u s tt h es t a t o rv o l t a g ea n df r e q u e n c ya tt h es a m et i m et oa d j u s tm o t o rs p e e d w h e n f r e q u e n c yi su pt ot h eb a s ef r e q u e n c y , t h ea m p l i t u d eo fv o l t a g ev e c t o ri sr e s t r i c t e d c o n s t a n t f i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o lc a nm a k et h em o t o rr u n n i n go v e r t h er a t e ds p e e da n d m e e tt h ew i d es p e e d r a n g eo fh i g hs p e e dt r a i n i nt h ef i e l dw e a k e n i n gr e g i o n , t h et o r q u ec a p a c i t yd e c r e a s e sw i 也t h ei n c r e a s i n g f r e q u e n c y , t o r q u eo u t p u tc a p a c i t yd e p e n d sl a r g e l y o nt h ef i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o l s t r a t e g y t h ec o n v e n t i o n a lv e c t o rc o n t r o li sn o ta p p l i c a b l ea si tr e q u i r e sc o n t r o l l a b i l i t y o fb o t ht h ea m p l i t u d ea n dt h ep h a s eo ft h ev o l t a g ev e c t o rf o ra l lt i m e , s ot h et o r q u e c a p a c i t yc a n tp l a yf u l l y , t h ea c t u a lo u t p u tt o r q u ec a nn o tf o l l o wt h eg i v e nt o r q u e t h i s p a p e ru s e se f f e c t i v eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yt oi n c r e a s et o r q u eo u t p u tc a p a c i t yt h r o u g h s t u d y i n gt h em o t o rr u n n i n g s t a t ei nt h ef i e l dw e a k e n i n gr e g i o i l t h i sp a p e ra n a l y s e st h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n su n d e rt h el i m i t so f v o l t a g ea n dc u r r e n t b a s e do nt h ei n d u c t i o nm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r e s e n t sf l u xc o m p e n s a t i o na n d p h a s ec o m p e n s a t i o nc o n t r o lm e t h o dt h r o u g ha n a l y z i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f i n d u c t i o nm o t o ri nd i f f e r e n tr e g i o n t h ef l u xc o m p e n s a t i o nc o n t r o lc o o r d i n a t e sd ，qa x i s c u r r e n ts oa st op r o d u c et h em a x i m u m t o r q u eb yc h a n g i n gt h ef l u xc u r v e f o r mw h i l et h e p h a s ec o m p e n s a t i o nc o n t r o lc h a n g e st h ep h a s eo fs t a t o rc u r r e n t t h i sp a p e rs e t su pt h ev e c t o rc o n t r o lm o d e lb a s e do nt h eh i g hs p e e dt r a i no fc r h 2 a u n d e rt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o nu s e st h et r a c t i o nm o t o r p a r a m e t e r sa n dt r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fc r h 2 a t ov e r i f yt h et w os t r a t e g i e s t h e f l u xc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sa l s or e a l i z e db a s e d0 1 1a7 5 k we x p e r i m e n t a lm o t o r p l a t f o r m e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r e e f f e c t i v ef o ri n c r e a s i n gm o t o ro u t p u tt o r q u e ，a n dt h er e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：h i g h s p e e dt r a i n ；i n d u c t i o nm o t o r ；f i e l d w e a k e n i n gc o n t r o l ； t o r q u e - o p t i m i z e dc o n t r o l c l a s s n o ：t m 9 2 1 2 目录 目录 中文摘要v a 】e ；s t r a c t v i i 1 绪论1 1 1研究的背景及意义1 1 1 1 世界高速铁路发展历程及现状l 1 1 2 高速列车牵引传动技术的发展历程2 1 1 3 异步电机控制技术的发展4 1 1 4 传统弱磁控制存在的问题5 1 2论文的主要安排及工作。7 2高速列车牵引传动系统构成与控制。9 2 1 牵引传动系统的构成。9 2 2牵引传动控制策略1 0 2 2 1 磁场定向矢量控制策略10 2 2 2 c r h 2 a 型车的矢量控制系统1 4 2 3 本章小结一16 3感应电机弱磁控制方法的研究1 7 3 1传统弱磁控制算法的分析1 7 3 2弱磁区电机运行状态研究1 8 3 2 1 弱磁运行时的电压和电流限制条件1 8 3 2 2 弱磁区各区域的转矩输出性能分析2 0 3 3弱磁算法研究2 l 3 3 1 磁链补偿控制策略2 2 3 3 2 相位控制策略2 3 3 4本章小结2 4 4c r h 2 a 型动车组牵引感应电机弱磁控制仿真一2 5 4 1仿真系统2 5 4 1 1 牵引感应电机建模2 5 4 1 2 感应电机矢量控制器2 6 4 1 3 控制器设计2 8 4 1 3 1 电流p i 调节器2 9 4 1 3 2 磁链补偿器3 0 4 2仿真结果分析3 4 北京交通大学硕士学位论文 4 2 1 仿真条件3 4 4 2 2 仿真结果及分析3 6 4 2 2 1 磁链补偿控制3 6 4 2 2 2 相位控制仿真4 0 4 3本章小结4 3 5感应电机弱磁控制方法的仿真和实验验证4 5 5 1实验系统4 5 5 1 1 主电路硬件结构4 6 5 1 2 控制电路硬件设计4 6 5 1 3 控制电路软件设计一4 9 5 27 5 k w 小平台仿真系统5 3 5 3实验及仿真结果分析。5 4 5 3 1 感应电机牵引性能曲线的缩放“5 4 5 3 2 实验相关参数5 6 5 3 3 实验及仿真结果分析“5 7 5 3 3 1 变频调速性能5 7 5 3 3 2 转矩输出优化性能。5 9 5 4本章小结6 2 6 结论。：6 3 参考文献6 5 作者简历6 7 独创性声明6 9 学位论文数据集71 2 0 世纪7 0 年代以来，全球范围内出现了石油能源危机、公路堵塞、环境恶化 等情况，人们呼唤高速、安全、准时、舒适、运量大、污染小、能源省、占地少 的公共交通运输方式的出现。高速列车的问世，使一度被人们认为是夕阳产业的 铁路工业焕发青春，出现生机，从而改写了世界交通运输的格局。1 9 6 4 年1 0 月1 日，日本建成了世界上第一条高速铁路一东海道新干线，并研制了o 系高速列 车。日本新干线高速铁路建成之后，推动了日本经济的飞速发展。高速铁路在日 本的巨大成功刺激了欧洲各国，随后法国、德国、意大利、英国纷纷开始规划本 国的高速铁路。由于各国的技术装备和线路状况各不相同，因此所采取的发展高 速铁路的策略也不尽相同，采用修建新线来实现本国铁路高速化的国家有日本、 法国及西班牙，而德国采用既改造旧线又修建新线的方式来发展高速铁路。目前 世界上运行时速在2 0 0 k m h 以上的新建高速铁路营业里程约4 4 0 0 k m ，若包括运行 时速2 0 0 k m h 的线路，总运营里程已超过1 5 0 0 0 k m 。这些线路虽仅占世界铁路总 营业里程的1 5 ，但却担负着各拥有国铁路较大部分的客运量。高速铁路使交通 运输结构发生了重大变化，它不仅带来了传统铁路产业的振兴，还带动了其他产 业的复兴，推动了整个社会的发展。如今，高速铁路技术发达的日本、法国和德 国，陆续开发出各具特色的代表性高速列车，日本的新干线、法国的t g v 、德国 的i c e 系列高速列车，成为了它们吸引世界目光的一道风景线【l 】。 在我国，相对于世界先进行列，虽然轨道交通运输长期以来一直都处于缓慢 发展的阶段，但也随着时代前进而不断变革。2 0 0 7 年，在“引进、消化、吸收、 再创新 的指导思想下，铁道部先后与加拿大庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔 斯通和德国西门子公司签订高速电动车组引进合同，这四家国外公司分别与国内 的青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司( b s t ) 、中国南车集团四方机车车辆股 份有限公司、中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司和中国北车集团长春轨道 客车股份有限公司四家制造商合作生产c r h l 、c r i - 1 2 、c r h 3 和c r h 5 电动车组。 具有自主知识产权的国产系列时速2 5 0 k m h 和谐号动车组批量下线，成功运用于 铁路第六次大面积提速，标志着我国铁路已迈入了高速化运行的时代。然而，中 北京交通人学硕士学位论文 国铁路先后实施的六次大提速均属于既有线提速的范畴，在修建高速铁路已成为 世界铁路发展潮流的大背景下，中国也需要有自己的高速铁路。2 0 0 5 年7 月4 日， 时速3 5 0 k m h 的京津城际高速铁路正式开工建设，经过三年时间的努力，2 0 0 8 年 8 月1 日，京津城际铁路正式开通运营。由此，我国具有了第一条完全自主知识产 权、世界上运营速度最快的高速铁路，标志着我国高速铁路技术实现了历史性突 破。 1 1 2高速列车牵引传动技术的发展历程 高速列车牵引传动系统包括牵引电机、牵引变压器、牵引变流器和牵引控制 系统，是我国引进的高速列车关键技术的重要内容。长期以来，电力机车牵引传 动采用交直传动系统，牵引电机为直流电机。如日本新干线0 系、1 0 0 系、2 0 0 系、 4 0 0 系高速列车以及法国的t g v - p s e 高速列车，直流电动机的磁场电流和电枢电 流可以独立控制，其起动、调速性能和转矩控制特性都比较理想，并容易获得良 好的动态响应。但直流牵引电机由于受到直流换向的限制，电机的故障率高、检 修维护困难、功率和转速难以进一步提升，且直流电机效率低、恒功范围窄、粘 着利用率低、整车功率因数低。因此，从上世纪7 0 年代国外就开始了交流传动列 车的工程化工作。 1 9 7 1 年，世界首台采用异步交流传动系统的内燃机车d e 2 5 0 0 问世，1 9 7 9 年， 第一批工程化的e 1 2 0 系列大功率干线交流传动电力机车研制成功，由此揭开了交 流传动技术发展的序幕。交流传动根据所采用驱动电机的不同分为同步电机驱动 和异步电机驱动，后者是目前世界范围内的主流模式，日本新干线从3 0 0 系开始 以及德国i c e l 均采用了异步电机驱动的交流传动技术，法国从t g v - a 开始采用 交流传动，但法国主要采用同步电机作为驱动电机。与直流传动相比，交流传动 具有无可比拟的优越性，其所采用的三相交流异步电动机比直流电动机的功率体 积比和功率重量比更大，无需经常维护，故障率低。异步电动机的恒功率区比直 流电动机大许多，转速更高，起动牵引力和持续功率大，有利于实现重载和高速 牵引。所以，近代高速列车的牵引传动系统都采用交流传动技术。 近年来，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优 点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，法国第四代高速列车a g v 正 是采用了永磁同步电机作为牵引电机。永磁同步电机应用于轨道交通牵引传动系 统可以获得以下优点：( 1 ) 可以实现直接传动，省去齿轮箱，提高系统传动效率， 减少系统维护工作，降低系统的寿命周期成本，可为转向架的设计提供更多自由 的空间；( 2 ) n 用永磁同步电机直接替代异步电机，可提高系统效率，降低能耗， 2 绪论 实现牵引电机的全封闭结构，也可以缩小电机安装空间，从而减小转向架的轴距， 为车辆通过小半径线路提供可能。因此，永磁同步电机驱动是日、法、德、中等 国家正在努力探求的方向【2 j 。 大容量交流电动机控制系统的发展和电力电子器件的发展是息息相关的。晶 闸管是最早出现的电力电子器件，它具有单向导电性，适用于整流器和逆变器， 其出现有力的推动了牵引电传动技术的发展。然而，晶闸管开关频率低导致系统 性能差；复杂的换流电路不但增加变流器体积重量而且降低变流效率。2 0 世纪7 0 年代，门极关断晶闸管( g t o ) l h - j 世，并迅速取代普通晶闸管，使变流技术迅速发展， 它不再需要强迫换相电路，使逆变器构成简单，结构紧凑，在大功率领域得到采 用，成为世界高速列车交流传动系统的主要组成，但g t o 元件是电流型控制器件， 驱动功率大，驱动电路复杂。2 0 世纪末，i g b t 、口m 等新型电力电子功率器件开 发成功，使i g b t 、口m 在高速列车上得到新的应用，它具有体积小，重量轻，可 靠性高，能实现信号处理、故障诊断、自我保护等功能。因此i g b t 、p m 为新型 高速列车如7 0 0 系、e 2 系、e 4 系、i c e 3 5 0 型等所采用。随着电力半导体器件的 功率等级、开关频率的不断提高，器件的损耗和热流密度的不断增大，对器件的 冷却要求也越来越高，交流传动牵引变流器的冷却方式也从最初采用风、油、沸 腾等介质发展到水冷。各国典型高速列车牵引传动参数如表1 1 所示。 。， 表1 - 1 各国典型高速列车主要参数 f i g 1 1t h e m a i np a r a m e t e r so ft y p i c a lh i g h - s p e e dt r a i n 开始最高运行编组形式动力配置方轴重牵引电机牵引控制 运行速度式 ( t ) 年份 ( k r n h ) 0 系1 9 6 42 2 01 6 m动力分散1 6直流电机低抽头切 换控制 1 0 0 系1 9 8 52 3 01 2 m 4 t 动力分散 1 5 直流电机 晶闸管相 位控制 3 0 0 系1 9 9 22 7 0l o m 6 t 动力分散 1 1 4 交流异步 g t o 电机 7 0 0 系1 9 9 92 8 51 2 m 4 t 动力分散 1 1 4交流异步 i g b t 电机 n 7 0 0 系 2 0 0 73 0 0 1 2 m 4 t动力分撒 l l 交流异步 i g b t 电机 t g v 巾s e1 9 8 13 0 0l 十8 t + l动力集中1 7 直流电机 晶闸管 t g v ：a1 9 8 93 0 0 l + 1 0 t + l动力集中1 7 交流同步 g t o 北京交通人学硕士学位论文 t g v 二d 1 9 9 63 0 0l + 8 t + l 动力集中1 7交流同步 g t o 双层 电机 t g v 二p o s2 0 0 73 2 0l + 8 t + l 动力集中 1 7 交流异步 l g b t 电机 删2 0 0 83 6 0动力分散 1 6 5永磁同步i g b t 电机 i c e l1 9 9 12 8 0l + 1 2 t + l 动力集中 1 9 5 交流异步 g t o 电机 i c e 21 9 9 72 8 0l + 7 1 动力集中 1 9 5 交流异步 g t o 电机 i c e 32 0 0 03 0 04 m 4 t 动力分散1 6交流异步 g t i o 电机 c r h i 2 0 0 72 0 05 m 3 t 动力分散 1 6 交流异步 i g b t 电机 c r h 2 a 2 0 0 72 0 04 m 4 t 动力分散1 4交流异步 i g b t 电机 c r h 3 2 0 0 83 0 0 3 5 04 m 4 t 动力分散 1 7交流异步i g b t 电机 c r i - 1 5 2 0 0 72 0 05 m 3 t 动力分散 1 7 交流异步 i g b t 电机 1 1 3异步电机控制技术的发展 伴随着电力半导体器件的发展和微电子、计算机技术的突飞猛进，交流电动 机调速控制理论也有较大发展。自8 0 年代中期采用g t o 的机车车辆逆变器投入 应用以来，以适合恒压频比控制为基础的转差频率控制得到了广泛的应用，如日 本新干线3 0 0 系。然而转差频率控制是基于异步电动机的稳态数学模型，其动态 性能差，响应速度一般为1 0 0 3 0 0 m s ，调速不理想。2 0 世纪7 0 年代初d a r m s t a d e r 工科大学的h a s s e 博士提出了矢量控制概念，在磁场定向坐标系中，可以将交流电 机的电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使 两个分量相互正交，彼此独立，分别进行调节，从而实现控制量之间的解耦。采 用矢量控制后，交流异步电机的控制从原理到特性都与直流电机相似，电机磁通 矢量的幅值和空间相位在动态和稳态时皆为可控，动态响应性能好，转矩响应速 度快，响应速度可达数1 0 m s ，增强了列车防滑和抗负载扰动能力，因此矢量控制 4 绪论 是目前高性能交流电机调速系统所采用的主要控制方法。但是，转子磁场定向的 矢量控制必须依赖转速反馈信号，其控制性能受到转子时间常数乃的制约。8 0 年 代中期提出了直接转矩控制，它基于定子磁场，简单地通过检测到的定子电压和 电流，借助瞬时空间矢量理论直接计算电机的转矩和磁链，并根据与给定值比较 得到的差值，实现磁链和转矩的直接控制，数学模型简单，定子参数及变化规律 易于测定，动态响应性能好，受到了普遍的关注并得到迅速的发展，在部分列车 中已得到实用化。9 0 年代智能控制如模糊控制、人工神经网络以及非线性控制理 论的发展，也给电动机调速注入了新的活力【3 】，目前在列车牵引传动领域，转子磁 场定向的矢量控制应用最为广泛，我国生产的4 种c r h 动车组均采用了基于转子 磁场定向的矢量控制技术。 1 1 4传统弱磁控制存在的问题 在整个电机的运行区间，按照速度可以划分为两个区间：在基速以下，定子 电压随着频率的增加而增大，即w 控制，磁通保持恒定，转矩也恒定，称为 恒转矩区间；在基速以上时，定子电压由于受到直流环节和p w m 调制策略的限制 而不能进一步提高，即c v v f 控制，随着频率的增加，磁通减弱，称为弱磁区间， 此时电机转矩输出能力也随之减弱。在弱磁区，转矩输出能力最终是由逆变器的 额定电流和逆变器可以提供给电机的最大电压决定的，为了最大可能的利用逆变 器容量，c r h 2 a 型动车组的牵引逆变器采用方波调制，方波电压的调制度理论上 为6 肋，直流电压利用率最高；采用方波调制时，功率器件开通和关断次数少， 器件的损耗最小，使得逆变器更加小型化和轻量化，方波电压如图1 1 所示。 r _ u v 丰 i ；电曰 ： 一“卜 图1 - 1 方波电压 f i g 1 - 1v o l t a g ew a v e f o r m si no n e - p u l s em o d e 传统的弱磁控制策略使得转子磁链与转速成反比变化，如式( 1 1 ) 所示。 北京交通大学硕士学位论文 i g r( 0 q ) o 。1 当电机转速运行至基速时，定子电压幅值达到最大值；随着转速的增加，传 统弱磁控制下仍要求定子电压的幅值和相位均发生变化，如图1 - 2 所示。根据转矩 公式： 巧= 兰等屯。 ( 1 - 2 ) 可以看出，由于电压幅值固定，电机实际输出转矩为： z 2 三等蠢o ( 1 - 3 ) 由式( 1 - 2 ) 和式( 1 - 3 ) 对比可得，由于电压幅值的限定，传统弱磁控制下电机不 能输出满足机械特性要求的转矩。 叫，于删，- y ，一一 。 u 艮 - 彩c l j f 出 。赃一 q 毛 陈 口 d 图1 2 电压矢量控制图 f i g 1 - 2t h ec h a r to f v o l t a g ev e c t o r 本课题正是基于上述研究中存在的问题而提出的，通过对电机在弱磁区域运 行状态的分析，基于改变弱磁曲线来平衡d 、g 轴电压的研究思路，讨论了改进的 弱磁控制策略，使得在满足电压限幅值的前提下，电机转矩性能充分发挥。为了 验证所讨论的控制策略，搭建了三相交流感应电机牵引传动系统的仿真模型和实 验平台，对传统弱磁控制策略和改进策略分别从仿真和实验进行比较分析，从而 验证所讨论方法的正确性和可行性。 高速列车在高速下运行，其基本阻力大大增加，尤其是空气阻力与速度成二 次函数关系，其功率与速度成三次函数关系，高速列车运行速度在2 0 0 k m h 以上 时，空气阻力已占到总阻力的8 0 以上，所需功率是l o o k m h 列车的1 5 倍以上【4 】。 因此，更高的速度要求具备更大的牵引动力。而在弱磁区，电机转矩输出能力随 着频率的增加而减小，转矩输出能力很大程度上取决于弱磁控制策略。因此，弱 磁控制技术的研究对提高弱磁区电机转矩输出能力，提高列车速度具有很重大的 意义。 6 绪论 1 2论文的主要安排及工作 在弱磁区，定子电压受到直流侧电压和脉宽调制策略的限制而不能进一步提 高，而传统弱磁控制要求定子电压的幅值和相位均可控，因此电机转矩性能由于 电压幅值的限定而不能充分发挥。本文针对传统弱磁控制策略下电机转矩输出能 力不能充分发挥的问题，以转子磁场定向矢量控制为电机调速方式来研究弱磁控 制算法，充分考虑到逆变器容量、直流母线电压及电机额定电流的限制，以其在 恒功率范围内输出最大转矩为主要目的，讨论了两种改进的弱磁控制算法，并通 过硬件实验及仿真验证了改进策略的正确性。各章节安排如下： 第一章：绪论。阐明了论文的背景和意义。 第二章：介绍了高速列车牵引传动系统的构成，详细分析了c r h 2 a 型动车组 的磁场定向矢量控制原理。 第三章：分析了传统弱磁控制存在的问题。以感应电机数学模型为基础，分 析了电机在弱磁区的运行状态，根据以上分析，讨论了两种改进的弱磁控制策略： 磁链补偿控制和相位控制。两种控制策略均通过协调和。的分配，在满足电压 限幅的同时充分发挥电机转矩性能。 第四章：介绍了m a t l a b s i m u l i n k 仿真模拟平台，搭建了基于c r h 2 a 型动车组 的磁场定向的矢量控制仿真模型，模型包括感应电机模型、矢量控制器和优化补 偿部分；利用c r h 2 a 型动车组的电机参数和牵引特性曲线，分别对传统弱磁控制 及改进的两种弱磁控制方法进行仿真验证，仿真结果验证了改进策略的正确性。 第五章：介绍了研究中所搭建7 5 k w 交直交小电机牵引传动实验平台，包括 d s p 实验板、控制开关、变频器和感应电机：基于实验和仿真两大平台，对本论 文所讨论的控制策略进行了实验仿真结果的对照分析，进一步验证了改进策略的 正确性。 第六章：总结论文工作，指出尚待改进之处，对下一步的工作做出展望。 7 高速列车牵引传动系统构成与控制 2 高速列车牵引传动系统构成与控制 2 1牵引传动系统的构成 高速列车的牵引动力型式可分为动力集中式和动力分散式两大类。动力集中 式电动车组的特点是动力集中设在动车组两端的头车上，中间编挂非动力的拖车， 制造和维修成本低，牵引电气设备总质量小。动力分散式是把动力装置分散安装 在各节或多节车厢上，使其既具有牵引力，又可以载客。列车粘着性能好，起动 制停快。但由于动力设备分散，车厢内噪声较大，电气设备总重增大，动车组本 身的维修和制造费用也相应增高。日本首创动力分散方式，法国、德国长期坚持 动力集中方式，双方在关键技术上展开竞争。随着感应电机及电力电子技术的发 展，动力分散式的缺点得到弱化，而其表现出的轴重轻、再生锖口动充分利用等优 点，使欧洲也开始重新审视动力分散方式高速列车的优缺点。经过4 0 多年的发展 历程之后，动力分散方式已成为世界高速列车的发展趋势，德国的i c e 3 以及法国 的a g v 均采用了动力分散方式【3 】。本论文主要探讨动力分散式、异步电机牵引的 传动系统。 下面以c r h 2 a 型动车组为例，说明牵引传动系统的组成。c r h 2 a 型动车组运 营速度为2 0 0 k m h ，可在中国铁路既有线路( 指定区间) 和客运专线上运行。动车 组采用8 辆编组，动力配置为4 m + 4 t ，由两个动力单元组成，每个动力单元由2 个动车和2 个拖车( t - m m t ) 组成【6 】。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。 c r h 2 a 型动车组编组见图2 1 。 图2 - lc r h 2 a 型动车组编组示意图 f i g 2 1g r o u p i n gd i a g r a mo f c r h 2 ae m u c r h 2 a 型动车组采用交流传动系统，主要由受电弓( 包括高压电器设备) 、牵 引变压器、四象限变流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动系统和 牵引控制系统组成。动车组受电弓从接触网获得a c 2 5 k w 5 0 h z 电源，为了满足动 车组牵引特性的要求，牵引电机需要电压频率均可调节的三相交流电源。牵引传 动系统组成原理如图2 2 所示。 9 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 2 列车牵引传动系统组成原理图 f i g 2 - 2d i a g r a mo f t r a i nt r a c t i o nd r i v es y s t e m 2 2牵引传动控制策略 目前，列车牵引控制系统已从单台电机的集中控制向整列车的分布式网络控 制方向发展，网络控制已成为高速列车的必备技术之。列车牵引采用交流传动 的高速列车，由分散在多个车辆单元的牵引特性控制单元和驱动单元构成；列车 牵引网络控制系统划分列车级、车辆级和传动级。列车级完成列车的综合信息管 理和控制决策，给出与整个列车有关的给定目标和控制策略；车辆级的主要任务 是监测和管理车辆单元内的设备，接收列车级控制发来的牵引指令，决策车辆单 元的控制策略、优化控制目标、协调控制行为、运行监控和性能评估等；传动级 主要对各个具体器件或装置进行监测和控制，如空调控制单元、门控单元、制动 控制单元和牵引控制单元，牵引控制单元主要控制网侧高压电路、网侧脉冲整流 器、电机侧逆变器和辅助电源等。 列车牵引控制系统的主要控制目标是：( 1 ) 网侧功率因数接近于1 ，电流畸变 小；( 2 ) 在网压波动时，中间直流电压保持恒定；( 3 ) 在负载或供电电压波动时， 具有快速响应的动态性能，保持良好的稳态运行能力；( 4 ) 起动平稳，谐波转矩 小，起动力矩恒定；( 5 ) 在宽广的速度范围内，实现恒功率控制。 目前，高速列车牵引控制采用的控制策略有脉冲整流器瞬态直接电流控制、 牵引逆变器异步电机驱动系统磁场定向矢量控制和直接转矩控制【5 1 。本节主要对 磁场定向矢量控制策略进行详细阐述。 2 2 1磁场定向矢量控制策略 交流电机矢量控制技术，是指利用电机统一理论，使交流电机的控制性能可 与直流电机媲美。 l o 高速列车牵引传动系统构成与控制 在直流电动机中，由励磁电流乃产生的主磁通与电枢电流l 产生的电枢磁势 e 在空间上是相互垂直的，两者没有耦合关系，互不影响，直流电机的控制容易 实现。若不考虑磁路饱和的影响，直流电机的电磁转矩可表达为： t = c 1 4 o cl f l 4 式中，露和l 是控制量，由于两者是相互解耦的，所以无论是静态还是动态， 都能保持转矩的调节具有高灵敏度。 由电机学理论，感应电机的电磁转矩表达式可表示为： 2 ：= 3 p 开研i rc o s7 2( 2 - 1 ) 式中，仍是转子的内功率因数角。从式( 2 1 ) 可以看出，异步电机的电磁转 矩是气隙磁场和转子磁势相互作用的结果，且受转子功率因数制约。其复杂性还 表现在：气隙磁通、转子电流、转子功率因数角都是转差率s 的函数；气隙磁通是 由定子磁势和转子磁势合成产生，且这些参数是不可测量的，这就给异步电机的 精确控制带来了较大的困难。矢量控制基本思想就是在三相交流电动机上设法模 拟直流电机转矩控制规律，在磁场定向坐标系上，将定子电流矢量分解成产生磁 通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立， 分别进行调节，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。 异步电机各电磁量的矢量图如图2 3 所示。z ， 图2 3 异步电机矢量图 f i g 2 - 3t h ev e c t o ro fi n d u c t i o nm o t o r 从该矢量图可以得知，转子磁链y ，和转子电流j ，在相位上互相垂直，而且 m r = c o s t r 。把这一关系代入式( 2 1 ) ，求得电机的电磁转矩为： t = c r lr 进行矢量控制，首先要进行坐标变换。首先将异步电动机三相电压、电流和 磁链变换n - - 相静止坐标系筇，然后再一步把各电磁量的矢量关系变换到同步旋 转坐标系由，并将坐标的d 轴沿着转子磁链方向定向，则异步电机的定子电流可 以沿着d 轴和g 轴分解为屯和t ，式中，么是用来产生转子磁链炸的励磁电流， rt a d 。厶lj,q q ) 足 图2 - 4 勿轴上的感应电机等效电路 f i g 2 - 4i n d u c t i o nm o t o rm o d e lo f 砌c o o r d i n a t e 因此，感应电机磁场定向由坐标系下的基本方程如下【8 1 ： ( 一) 磁链方程 1 2 高速列车牵引传动系统构成与控制 根据磁场定向约束，应有，= o 。于是，磁链方程为： = 厶+ k 0( 2 2 ) = 厶l 。q s + k 0 ( 2 3 ) 妒d ，= l r 0 + 厶珏 ( 2 - 4 ) 0 = l q r + 厶0 ( 2 5 ) ( 二) 电压方程 对于笼型电机，有转子电压恒为零。又因为= o ，可得笼型转子电动机满足 磁场定向约束的电压方程为： u q s 0 0 r s + l s p 吐厶 l p 厶 一吃丘 r s + l s p 0 0 pc o , 厶 吐厶厶p 母+ p 0 s t l rr r k o 0 ( 2 - 6 ) ( - - ) 转子磁通与电流方程 在稳态情况下，= 厶讧。但是在动态情况下，转子磁链是变化的。由式( 2 6 ) 得： i ：d r = - - 警( 2 - 7 ) 将式( 2 7 ) 代入式( 2 4 ) ，得： 2 k 而l d s ( 2 - 8 ) 式中，乃- - l d r r 为转子时间常数。 。2 芝2 南 ( 2 - 9 ) 称，为产生转子磁通的等效励磁电流。上式考虑了屯变化时，的阻尼作用。由式 ( 2 5 ) 、式( 2 8 ) ，我们导出两个定子电流控制方程： i 驰= k t rl ，p s l c 2 1 0 ) k2 ，蝴 l 玩：毕炸 ( 2 1 1 ) 2 7 一 毕。 上一切 式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 是动态情况下，由轴定子电流与转子磁链和转差频率 的关系式，是矢量控制系统的电流控制方程。 ( 四) 转矩方程 由电磁转矩表达式 t ，= - p , y ，f ， ( 2 - 1 2 ) f5 ，zru 。 及其由坐标分量表示形式 乃= 以( 一) ( 2 - 1 3 ) 可得： 北京交通人学硕士学位论文 瓦= p n 争0 ( 2 1 4 ) j r ( 五) 转差频率方程 1， = 音罟 ( 2 1 5 ) f ，么 在三相感应电动机矢量控制系统