（电力电子与电力传动专业论文）矿用电机车直接转矩控制变频调速系统的研究.pdf

摘要 a b s t r a c t m i n ee l e c t r i cl o c o m o t i v ew i t hs t o r a g eb a t t e r ，i sa ni m p o n a n tc o n v e y a n c eo fc o a l m i n e n o wi th a ss t i l lu s e dad ca d j u s t a b l e s p e e dc o n t r o lm e t h o db a s e do nd cs e r i e s m o t o r t h i sa d j u s t a b l e s p e e dc o n t r d lm o d ei sd i s c o n t i n u o u sa n dal a r g e 肌m b e r so f e l e c t r i ce n e r g yi sc o n s u m e do nr e s i s t a i l c ei ns e r i e s s ot h es t o r a g eb a t t e r yi sf r e q u c n t l y d h a r g e ds ot h a tt i m ea n de n e 玛yi sw a s t e da dt h ee f f i d e n c yi sr e d u c e d ，a n dt h es t o m g e b a t t e r yi se a s i l yd 锄a g e da n di t sl i f e s p a ni ss h o n e r a ca s y n c h r o n o u sm o t o rc a nn l n u n d e ra b o m i n a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g l ie 舾c i e n c y a n ds m a l lm a i n 培n a l l c e t h e r e f o r ei ti sag o o d 曲o i c et ou s ei ta st r a c t i o nm o t o ro fm i n e e l e c t r i cl o c o m o t i v e s o ，i tm u s tb ec h a g ei n t ot h ea ca d j u s t a b l e s p e e ds y s t e m t h i s a n i d eh a sc o d u c t e ds o m er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nj u s ti nv i e wo ft h i sp r o b l e m aa d v a n c e dt e c 王1 l l o l o g yo ff r e q u e n c yc o n v e r s j o ni sp u t t c df b 刑a r d 恤t h ep a p e r ： t h et e c h n o l o g yo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) w h i c hc o t r o ld i r c c t l ys t a t o rf l l l xa n d e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo fa s y n c h m n o u sm o t o r h sc o n t r o lf r 锄ei sv e r ys i m p l es j c ei t n e e d sn o tc o m p l j c a t e dc o o r d i i l a t et r a n s f o r ma l l dp a r a m e t e r0 p e r a t i o n a tf j r s t ，t 1 1 es j m u l a t i o nm o d e l so fa p p r o x i m a t ed i d en u x t r o ls y s t 锄a r e p r e s e n t e db a s e do nt l l ea p p l i c a t i o no fm a t l a b s i m u l i n kb yt h ea u t l l o f t h ef e a s i b i l i t y a n dc o e c 协e s so ft l l i sm e t h o da f et e s t i f i e di nt h e o r ya 1 1 dm ec o i r e l a t i v ew a v e sw h i c h c a i l c x p l a i nt h ea d v 柚t a g eo fs y s t c ma r ec 印t u r e dt o o t h e n ，t h ea u t h o ra p p l i e st h e t h e o f yo fd t c i n t ot h ea ca d j u s t a b l e s p e e ds y s t e mo fm i n ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ，a n d i t sv a r j a b l e - 仃e q u e n c ya d j u s t a b l e s p e e ds y s t e mi sb u i l to nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h e a u m o rh a sd o n et h ee x p e r i m e n t so ft h ea p p r o x i m a t ec i r c l en u xc o n t r o ls y s t e mu s i n g t h ed s p t e s t - b e d ，a n dh a sc o m p l e t e dt h ed e s i g na n ds t u d yi nl a bp h a s eo fd t cs y s t e m s o m ev a l u a b l ew a v e si ne x p e r i m e n ta r ec a p t u r c da dh a sa i l a l y z e dt h er e s u l t so f e x p e “m e n t sa tl a s t t h ee x p e r i m e n tt e s t i f i e dt h a ta cd r i v ee l e c t r j cl o c o m o t i v eh a v e f e a t e r t r a c t i o nf o r c e ，s m a l l e rs t a r t i n gc u r r e n ta i l dl e s se n e 唱y1 0 s st h a nd cd r i v e s k e yw o r d s ：m i n ee l e c t r i cl o c o m o t i v e 、d t c 、v a r i a b l e f r e q u e n c ya d j u s t a b l e s p 言e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀堡王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 事一二乙 签字日期：五拜月佣学位论文作者签名： 一一l 签字日期：五拜月佣 ，。o 一、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀壅王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞煎堡王太 l 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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名： 垂 导师签名：苏，刎，沁 l 签字日期：“年6 月步日 签字日期：加p 绰月咖 引言 引言 矿用电机车是煤矿工业的重要运输工具。由于煤矿井下的工作环境十分恶劣， 对电机车的电气驱动系统要求很高。然而，当前矿用电机车采用结构复杂、造价 昂贵、故障率高、维修费用大的直流电机驱动，调速系统还是采用的原始落后的 电阻降压调速方式，这种多级触头变阻调速器常因触头产生较强火花而烧损，所 以维修量大。同时，电机车带电阻运行导致电能浪费很大。 三相交流异步电机传动系统具有结构简单、工作可靠、造价低廉，效率高， 节约能源等优点，因而被广泛使用。交流电机替换传统的直流电机是矿用电机车 调速的必然趋势。 交流调速方法主要有：永磁同步电机交流调速系统，开关磁阻电机交流调速 系统和异步电机交流变频调速系统。而制造永磁同步电机使用的稀土采用比较昂 贵，没有价格优势；开关磁阻电机目前没有产品化和系列化，需要专门开模制造， 初期投资大；但是交流变频调速技术却相当成熟，而且随着各种开关功率器件飞 速发展，p w m 调制的载波频率可以做的相当高，因而系统性能高，尤其是近2 0 年发展起来的直接转矩控制( d t c ) 技术，它不需要将交流电动机化成等效直流 电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；不需要模仿直流电动机的 控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。直接转矩控制具有快速的 转矩响应、较高的速度精度，具有控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接 ( 直接对转矩控制) 等特点，己成为当前变频调速的热门话题。矿用电机车主要 控制的也是转矩，控制了转矩也就控制了速度。因此，设计矿用电机车交流调速 系统时，可以考虑采用d t c 技术，本文即是将d t c 技术与电机车调速相结合， 目的是设计出高性能的调速系统，解决当前矿用电机车调速存在的问题和弊病。 本论文在d t c 理论分析研究的基础上，运用仿真软件m a t l a b s i m u u n k 进行系统的f 确性、可行性的论证，得到结论：转矩响应快，系统的调速性能良 好，可以进行实际应用。针对矿用电机车调速特点，设计出整体调速方案，设计 出硬件图和相应的软件程序，并调试运行，完成实验室阶段的设计研究。若此系 统应用到实际生产中，将大大改善电机车的调速性能，转矩动态响应迅速，并可 以大大节省能源，提高生产效率，有很大的应用前景。 安徽理工大学硕士论文 第一章绪论 1 1 交流变频调速系统的发展与现状 交流变频调速按其控制方式可分为如下四代【1 3 】： 1 第一代以p ”恒定和正弦脉宽调制( p w m ) 控制方式为代表，其特点是控 制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高，控制曲线会随着负载的变化而变 化，转矩响应慢、电动机转矩利用率不高。p 矿恒定控制存在的主要问题是低速时 因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。其原因是低速 时异步电机定子电阻压降所占的比重增大，已不能忽略，不能认为定子电压和电 动机感应电势近似相等。此时仍按w 恒定来控制已不能保证电动机磁势恒定。 而电动机磁势的减少，势必造成电动机的电磁转矩减小，影响实际性能。此外， 其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人 意。 2 第二代以电压空间矢量又称s v p w m 为代表，它是以三相波形整体生成效 果为前提，已逼近电动机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调 制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制。经实践使用后又引入频率补偿， 能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响； 使输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但是这种控制方式的电路 环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 3 第三代为矢量控制，又称f o c 控制。其实质是将异步交流电动机等效直 流电动机，将三相坐标下的定子交流电流通过磁场定向旋转变换，等效成同步旋 转坐标系下的直流电流，相当于直流电动机的励磁电流和电枢电流，然后模仿直 流电动机的控制方法，分别对速度、磁场2 个分量进行独立控制，实现正交或解 耦控制。然而在实际应用中，转子磁链难以准确观测，以及在等效直流电动机控 制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使其实际使用的难度加大。矢量控制可以 从零转速起进行速度控制，即低速亦能运行，调速范围宽广；可以随转矩实行精 确控制；系统的动态响应速度非常快；电动机的加速特性很好。但控制性能受电 动机参数变化的影响是其主要缺点。 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其最 有效的控制首推7 0 年代提出的矢量控制技术。1 9 7 1 年德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出的“感应电动机磁场定向的控制原理”和美国的p c c h s t m a n 和 第一章绪论 a a c l a r k 申请的专利“感应电动机定子电压的坐标变换控制”，经过不断的实 践和改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。矢量控制技术的 提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理 论上的一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法还存在不少问题，矢量控制要以 转子磁链定向，然后才能把定子电流分解为磁化分量和转矩分量，使两者互相垂 直，处于解耦状态，因此要先求得转子磁链的相位，才能进行坐标变换。但是异 步电动机，特别是鼠笼式异步电动机的转子磁链是无法直接测量的，只有实测电 动机气隙磁链后再经过计算才能求得，而且气隙磁场本身也常由于齿谐波磁场的 影响而难以准确测量，这就影响了以转子磁链定向的矢量控制技术的可靠性【3 1 】。 4 第四代为直接转矩控制，又称d t c 控制。其实质不是间接的控制电流、 磁链等量，而是把转矩直接作为控制量来实现。直接转矩控制直接在定子坐标系 下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩；不需要将交流电动机 化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；不需要模仿 直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。直接转矩控 制具有快速的转矩响应、较高的速度精度。直接转矩控制在很大程度上解决了上 述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态 性能得到了迅速发展。其最大的缺陷是转矩脉动大，所以只适用于调速范围要求 不高的场合。 德国鲁尔大学d c p e n b m c k 教授1 9 8 5 年首先提出异步电动机直接转矩控制方 法( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 。直接转矩控制是另一种先进的控制技术，它不 需要解耦电动机模型，强调对电动机的转矩进行直接控制。在很大程度上克服了 矢量控制的缺点，成为交流电动机调速控制理论又一次新的突破。直接转矩控制 从一诞生，就以新颖的控制思路，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到 人们的普遍关注。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型， 控制电动机的磁链和转矩。它不象矢量控制那样将交流电动机与直流电动机作比 较、等效、和转化，避免了矢量控制中复杂的坐标变换和参数运算，使系统结构 变得十分简单，更容易实现。目前直接转矩控制理论正成为电力电子与电力传动 领域中应用的热点。 根据m d e p e n b m c k 所提出的直接转矩控制理论，其磁链轨迹是按正六边形 运动的，由于其六条边分别有相应的六个非零电压矢量与之对应，可简单地切换 六个工作状态直接控制六边形磁链轨迹，磁链控制环节相对较简单。然而，这种 控制方法有明显的缺点，实际上这种系统类似于六阶梯形波逆变器供电的感应电 安徽理工大学硕士论文 动机调速系统，因此，磁链幅值存在6 倍频脉动，脉动幅值约7 ，而转矩脉动、 噪声也比较大。但六边形磁链控制系统在每1 6 周期中仅使用一种开关工作状态， 故开关次数比较少，通常仅用在某些大功率领域场合( 开关频率、开关损耗都有 较大限制) ，如大功率电力机车和提升机的电气传动。 日本则采用近似圆磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究。 1 9 8 7 年，i r i 酞a h a s h i 等人用两组逆变器和1 5 k w 异步电动机构成直接转矩控制 调速系统，通过实验获得了创世界纪录的性能指标，其转矩响应频率达到2 k h z 以上，空载转速的阶跃响应高达一5 0 0 + 5 0 0 ( r m i n ) ( 4 m s ) 。另外，在超低速领域， 可以做到1 r h ，这些数据充分显示了直接转矩控制的优越性能。 感应电动机直接转矩控制系统作为新一代交流电动机变频调速系统，在理论 和应用实践方面都还有不少问题值得进一步的研究和探讨。 1 2 矿用电机车交流传动调速的必要性 对于高瓦斯矿井，普遍采用防爆型蓄电池电机车作为运输材料和矸石的工具。 多年来，蓄电池电机车一直采用直流电动机串电阻调速方式，从而使2 0 2 5 的 电能消耗在电阻上，造成电能的浪费。特别是蓄电池电机车，由于电能消耗过快， 使蓄电池的充电间隔缩短，蓄电池寿命减少。近几年来，随着科学技术的发展， 交流电机的调速问题已经获得圆满的解决。交流电机的调速系统不但性能同直流 电机的性能一样，而且成本和维护费比直流电机系统更低，可靠性更高。用交流 电动机取代直流电动机进行调速势在必行，并且交流电动机有着直流电动机无法 比拟的优势。 据有关文献对比分析，交流调速电机车比直流调速电机车有着许多优点： ( 1 ) 交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单，体积小，重量轻，过载 能力强，效率高等特点；直流电动机因转子上有线圈和易磨损的换向铜环和碳刷， 维修费用比三相异步电动机大得多； ( 2 ) 由于直流调速带有电阻器运行，电能消耗较大，交流变频调速由于不用 高耗能的电阻，节电率可达3 5 。如果电机车设置成再生馈电制动，可以利用电 机车减速或下坡时将电机发出的电能回馈给蓄电池，这样可以大大节约电能，延 长充电时问。 ( 3 ) 电机车的直流传动是有级的，在低速行驶时司机需不停地在1 档和o 档 转换来获得慢速度，交流变频调速为无级均匀调速。车速的快慢与停车完全由调 速手把控制，并且允许司机在零速起动时突然加速到最大速度，因为变频调速的 4 第一章绪论 频率上升时间可以由软件来设定。 ( 4 ) 交流传动电机车的牵引力比直流传动的要大，7 吨直流传动电机车的牵 引力仅为1 3 8 k n ，而7 吨交流传动电机车牵引力可达2 0 k n ，可达到和超过1 0 吨直流传动电机车的牵引力。由于变频调速速度的增加是缓慢上升的，避免了齿 轮之间的冲击而延长齿轮的使用寿命；减速时全由调速手柄控制，不需闸瓦片抱 车轮减速，从而减小了闸瓦片的磨损。 矿用电机车工作于井下恶劣的环境中，调速系统处于频繁的起动、制动、加 减速等状态，还要适应负载上下坡和颠簸路况等情况，因此要求电动机起动转矩 大，过载能力强。采用直接转矩控制的交流调速系统，可以使三相异步电动机达 到和超过直流电动机的起动转矩和牵引特性( 如1 h z 时最大转矩可达额定值的 3 0 0 ，是直流电动机的1 6 6 倍) ，使电机车的带载起动能力增强。 目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变 频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例，1 9 7 5 年在调速领域，直流占8 0 ， 交流占2 0 ；1 9 8 5 年交流占8 0 ，直流占2 0 。 德国是先进交流调速理论的诞生地，著名的矢量控制理论和直接转矩控制技 术就是德国人发明的。现在，德国大力发展交流传动，在大功率牵引方面走在世 界的前面。德国已经能生产出兆瓦级的电力机车牵引系统，广泛应用于铁路交通 运输方面。 因此，采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直流电机调速系统， 是电机车牵引技术发展的新方向。 1 3 矿用电机车交流调速系统研制的技术路线 目前，我国矿用蓄电池电机车电压一般为5 6 、9 0 、1 4 0 和1 9 2 v 电机额定功率 从3 5 w 到1 1 0 k w 不等。从这些参数来看，电源电压的幅值和电机的功率都不大， 现有的电力电子器件和控制技术完全可以实现交流调速系统矿用电机车牵引。技 术上不存在问题，主要解决的是设计和制造出符合现有电机车牵引规格的交流电 机以及相应的控制系统，并和矿用电机车在机械上、电气上相互兼容，对于涉及 到安全和可靠性的关键问题，必须严格按照煤矿安全技术规程和要求，予以妥善 解决。 开发和研制矿用电机车交流调速系统时，可以考虑采用下列的技术路线： ( 1 ) 根据煤矿井下的工作条件和对电机车的具体要求，设计几何尺寸合适的 交流电机。 安徽理工大学硕士论文 ( 2 ) 根据煤矿井下现有的电压等级，设计出功率大小合适的交流电机，以便 和不同规格的电机车配套。 ( 3 ) 电流和转速的控制采用p w m 调制技术，以单片机为控制核心，构成全 数字化的交流调速系统。如果条件允许，可以考虑采用数字信号处理器( d s p ) 作为控制核心，如t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p ，以减少外围元器件，提高系统的性能。 ( 4 ) 采用大功率i g b t 和智能功率模块i p m 组成功率变换器，提高性价比。 从研制的难易程度来看，可以先从一般的v 伊控制发展到直接转矩控制等高 级控制技术。本文直接将高性能的直接转矩控制技术应用到电机车的调速系统中。 1 4 直接转矩调速方案的特点 直接转矩控制有以下几个重要特点f 3 】： 1 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动 机的磁链和转矩，它不需要将交流电动机与直流电动机做比较、等效、转化；既 不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特 别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明 确的判断。 2 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它 观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链要知道电动机 转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参 数变化影响的问题。 3 直接转矩控制采用空间矢量概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制 各物理量，使问题变得简单明了。 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 综上所述，直接转矩控制用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算 与控制交流电动机的转矩，采用定予磁场定向，借助于离散的两点式或三点式调 节产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动 态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的 p w m 发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的 物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一 种具有高动态性能的交流调速方法。 第一章绪论 1 5 直接转矩控制系统存在的问题 1 转矩脉动过大和开关频率不固定的问题 。 直接转矩控制调速系统通过优选主回路中电压型逆变器开关切换时间，使电 动机磁场接近圆形，可以明显的改善其输出波形，从而使电动机的谐波损耗、温 升、转矩波动和噪声明显降低。但是，如何合理地根据实际可能的开关频率和微 处理器的运行速度来选择最佳开关状态无疑具有很大的技巧。在数字实现的控制 系统中，由于控制系统的滞后与控制程序计算时间、功率器件的开关频率、传感 器的灵敏度及a d 转换时间等等延迟，使得在前一个采样周期内直接转矩控制选 择一个适当的定子电压矢量，在当前采样周期和下一个采样周期之间产生的滞后 可能使转矩误差远远超过滞环宽度所允许的脉动范围。 转矩的脉动现象直接影响到调速系统的速度特性，这不仅影响到系统的稳态 误差，也会导致到达稳定状态时间的延长。在调速系统的高速范围内，由于磁链 的旋转速度极快，转矩脉动分量中的交流成分频率很高，反映到转速上相当于经 过一个积分环节，高频的脉振信号会被滤掉，不会造成速度的脉动。但是在低速 则不同，低速运行时，定予磁链旋转较慢，转矩脉动频率较低，这将造成在低速 情况下转速的周期性脉动。在低速运行时即使不大的转矩脉动也会造成速度相对 误差较大【1 4 1 。因此，怎样减少直接转矩控制调速系统的转矩脉动，提高系统的低 速性能是一个有待深入研究的问题。 另一方面，电压型逆变器( v s i ) 的器件开关频率决定于转矩和磁链滞环比较 器的环宽和翻转速度，比较器的环宽是固定的，而翻转速度和系统的工作状态相 关，因此开关频率是不固定的。不固定的开关频率会产生不可预测的谐波电流， 并使逆变器的开关能力得不到充分的利用；可变的开关频率将会产生一个较宽的 谐波频带，极有可能引起系统的机械共振，产生较大的机械噪声。为了提高d t c 控制系统的性能，目前的研究焦点都集中在减少转矩的脉动和使开关频率固定化 两个方面上。为了达到这个目的，同行专家们提出了许多可行的改进方案。然而， 这些方法都需要增加额外的计算，改变了d t c 系统所固有的控制简单的特点，而 且用数字化实现比较复杂。 2 定予磁链和定子电阻的辨识 直接转矩控制的一个显著特点是定子磁场定向，一般采用电压模型来估计定 子磁链。电压模型中只受定子电阻这一电机参数影响，它在高速领域能够非常准 确地估计定子磁链；而在低速时，定子电阻压降项的作用非常突出，当定子电阻 7 安徽理j 二大学硕士论文 随温度变化时，会使磁链模型观测精度下降以致可能使系统根本不能有效工作。 目前在低速时一般采用电流模型来观测定子磁链，电流模型虽然稳定性比电压模 型好些，而且不受定子电阻变化的影响，但仍然存在着因转子参数误差和转速测 量误差引起的磁链观测误差。 1 6 论文的工作及内容 本论文主要工作是针对当前矿用电机车直流调速系统存在的弊病，在分析对 比的基础上，进行矿用电机车交流调速系统的设计与研制，而且采用的交流调速 技术是世界领先的、高性能的直接转矩控制技术。实验证明采用直接转矩控制的 矿用电机车交流传动与直流传动相比具有牵引力大，调速性能好，节电效果明显 等优点。主要完成的工作及内容： 1 ) 了解当前电机车调速状况、国内外相关技术动态，收集并整理大量资料。 2 ) 研究分析了直接转矩控制技术的基本原理，论述了一般的近似圆形磁链控 制的d t c 系统的实现过程。 3 ) 利用m 棚a b 软件仿真，对所采用的d t c 原理算法进行验证，通过对仿 真波形的分析研究，证明了其正确性、可行性。 4 ) 结合专门用于电机变频调速系统研制的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片，针对矿 用电机车调速特点，设计出完善的硬件电路，并选择合适的元器件。 5 ) 在现有资源的基础上，利用本文所采用的原理算法，编写软件并调试完善， 完成实验室阶段的整体调速系统的研发，整体实验系统运行成功。 6 ) 实验中，捕捉了相关有价值的实验波形，并对波形进行了分析，最后提出 了将来矿用电机车变频调速的发展方向。 第二章逆变器与空间矢量电压 第二章逆变器与空间矢量电压 2 1 理想逆变器数学模型 由电压型逆变器供电的感应电动机变频调速系统的主电路如图2 1 所示。 图1 三相电压型逆变器 f i g 1t 1 l r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 为了分析方便，把直流电源u d c 一分为二，两部分各为u d 。2 ，其中点o 为 零电位。当逆变器采用双极性调制时，每相上下两桥臂的开关器件是互锁的，因而 六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量，如图1 中的 s 。、s b 、s 。如果规定a 、b 、c 三相输出的某一相与“+ ”极接通时，该相的开关 状态为“1 ”态，与负极接通为“o ”态，则逆变器输出电压与开关状态的对应关 系为： rr ， i + ! ，s 。= 1 ( s 开通) k 。= r 产 ，b 、c 两相与a 相相似。 | - ! ，s 。= o ( s 。开通) l z 三个开关量s 。、s b 、s 。共有八种组合，分别是： ( s ”s b 、s c ) = ( 0 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 0 0 ) ，( 1 l o ) ，( 0 1 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 0 0 1 ) ，( 1 1 1 ) 。 这八种组合中，组合( o o o ) 和( 1 1 1 ) 状态下，电动机的电压均为零，称为零电压 状态，其他六种组合称为有效电压状态。若使六种有效电压依照上述排列顺序循 环作用，作用时间依次相隔6 0 。，则逆变器输出电压h 。o 、o 、c 0 ( 相对于电源 u d 。中点0 ) 、电动机相电压“。、“。波形如图2 所示。 安徽理工大学硕士论文 ii 牛 。 i i i 闩纠；il i 卜卜h - ： 广十 一： _ _ _ _ _ _ _ hi 卜_ 1 卜一 图2 逆变器输出电压波形 f i g 2t h ew a v e f o 珊o fi n v e r t e ro u t p u tv 0 1 协g c 若用u s 代表电动机定子三相电压“。、“。的合成作用在定子静止坐标系中 的矢量位置，即用u s 代表定子电压空间矢量，并用u o 、u - 、u 2 u 7 分别表示 八种开关组合状态下的电压矢量，则可根据图2 及p a r k 矢量变换公式导出八种电 压矢量在定子坐标系中的位置。p a r k 矢量将三个标量( 三维) 变换为一个矢量( 二 维) ，这种表达关系对于时间函数也适用。选三相定子坐标中的a 轴与p a r k 矢量 复平面的实轴a 重合，则u s 的p a r k 变换式为： u ，= 詈( “。+ “6 e 7 了+ “。p 。3 ) ( 2 1 1 ) 以开关组合( s 。s b s 。) = ( 0 1 1 ) 为例，导出电压矢量u 3 ( 0 1 1 ) 的大小和位置，从图2 可知，在开关组合( 0 1 1 ) 扇区，有：“。= 一言u 。，“。= “。= + 妻【，。，根据( 2 2 1 ) 得： u ，( 0 ，1 ) = 吾【一詈u 。+ ；u 。e ，等+ 三【，。ej 等】= 詈u 。e 扭( z ，2 ) 上式说明，在组合( 0 1 1 ) 状态下电压矢量u 3 ( 0 1 1 ) 的幅值等于詈【，。，位置在c 【 轴的负方向上。用相同的方法可以导出其它矢量的幅值和位置，最后得到电压空 间矢量在p a r k 坐标系中的位置如图3 所示。六个非零电压矢量的组合状态为： 第二章逆变器与空间矢量电压 u 3 ( 0 1 1 ) 、u l ( 0 0 1 ) 、u 5 ( 1 0 1 ) 、u 4 ( 1 0 0 ) 、u 6 ( 1 1 0 ) 、u 2 ( 。1 。) ，其幅值为詈u 。，相位 互差6 0 。，开关组合( 0 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 状态下电动机电压均为零，所以称为零电压矢量， 并分别用u o 和u 7 表示，u o 和u 7 位于坐标原点上。 每个扇区所包括的范围如图3 所示。 豳3 定子电压空i 司矢量图 f i g 3t 1 l ev e c t o r g r a p bo fs t a t o rs p a c ev o l t a g e 2 2 空间矢量电压对定子磁链及转矩的作用 2 2 1 定予电压空间矢量与定子磁链的关系 逆变器的输出电压。( t ) 直接加到异步电动机的定子绕组上，则定子磁链佻( 1 ) 与定子电压“s ( t ) 之间的关系为：妒，o ) = r ，o ) 一f 。( f ) r ) 出一( 2 2 1 ) 若忽略定子电阻r s 上压降的影响，则：妒，o ) 一仁；0 沙( 2 2 2 ) 公式( 2 2 2 ) 表示：定子磁链空间矢量 i 。沿着电压空间矢量u 。的方向，以正 比于输入电压的速度移动，通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定子磁链矢量 饥的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。 桊也 咖。、。 p 安徽理工大学硕士论文 u u 1 u 5 4 图4 异步电动机定子磁链的轨迹 f i g 4s t a t o rn u xl o c u so fa s y n c h r o n o u sm o t o r 图4 所示是定子磁链矢量随着选择电压矢量的不同而运动的轨迹。通过选择 合理的电压矢量，可使得磁链幅值在给定值机和允许的偏差t 妒s 的范围内变化， 使其平均值基本保持不变。当合理地选择u 。的施加顺序及时间比例，可形成多边 形磁链轨迹，亦即逼近圆形轨迹。当多边形的边数大于4 0 时，可以认为磁链轨迹 近似为圆【”】。 在磁链旋转过程中，在每一个阶段施加什么电压矢量，不但要依据磁链偏差 的大小，而且还要考虑磁链矢量的方向。例如当饥处于扇区s 1 时，为了控制 l ，。 沿顺时针方向旋转，应当选择u 6 ( 1 1 0 ) 、u 2 ( 0 1 0 ) 。当磁链幅值达到上限妒，+ + 妒。 时应选择u 6 ( 1 1 0 ) ，当磁链幅值达到下限妒。4 4 妒，时选择u 2 ( 0 1 0 ) 。反之，当 需要磁链作逆时钟旋转时，对应扇匿s 1 时应选取u l ( 0 0 1 ) 、u 5 ( 1 0 1 ) 。 为了分析电压矢量u 。对磁链控制的性能，将公式( 2 2 2 ) 离散化可得到： 妒，q ) ；妒，0 1 ) + “， 一1 ) t ( 2 2 3 ) 式中，瓦为采样周期。在全数字化控制系统中，由于采样周期是固定的，磁 链的波动范围也是一定的，是一个与采样周期成正比的量。采样周期越短，磁链 的波动范围就会越小。用矢量三角形的方式描述公式( 2 2 3 ) ，如图5 所示，图中 乱为电压矢量与磁链矢量的夹角。通常采样周期正为1 0 u s 级或1 0 0 u s 级，所以 a 妒，= f v ，0 ) - v ，一1 ) f ( 2 t 2 4 ) 1 显然，当日。= o 时，妒，为最大。4 妒= 妄u 女t ( 2 2 5 ) o 式( 2 2 5 ) 说明磁链的波动是比较小的，当缩小采样周期时，磁链波动还可 以进一步减少。磁链控制得越好，电流谐波就会越小，转矩的脉动也会越小，从 而就会得到更好的控制性能。另外，分析式( 2 2 4 ) 可得出电压矢量对定子磁链 第二章逆变器与空间矢量电压 的影响： ( 1 ) 吼；兀2 ，4 识一0 ，定子磁链的幅值基本不变。 ( 2 ) i 鼠fc 州2 ，4 咖 o ，定子磁链的幅值增加。 ( 3 ) i 鼠，州2 ，4 佻co ，定子磁链的幅值减少。 1 ) t 图5 电压矢量与定子磁链的关系 f i g 5r e l a t i o no fv o l t a g cv e c t o ra n ds i a t o rn u x 2 2 2 定子电压空间矢量对电动机转矩的影响 电动机的电磁转矩可以表示为定子磁链与转子磁链的形式： t ；矗、i ，w2 兰玎，去附枷( 2 2 _ 6 ) 上式中：占为定转子磁链夹角，厶为电机互感，厶为定子自感，厶为转子自感， r 2 盯= 1 一砉 称为电机漏感系数；唧表示感应电机的极对数。公式中的“”表示 矢量积。此外电磁转矩的表达式还可以表示成定子磁链和定子电流形式 t = 三n ，( 妒，。f ，一妒妒f ，。) ( 2 2 7 ) 根据式( 2 2 6 ) ，转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和定转子磁链夹角 即j 的正弦的乘积成正比。在实际应用中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利 用电动机铁芯，转子磁链幅值由负载电流决定。要改变电动机转矩的大小，可以 通过改变磁链角荆的大小来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是 通过电压空间矢量u 。来控制定子磁链的旋转速度，控制定予磁链走走停停，以改 变定子磁链的旋转速度他的平均值大小，从而改变磁链角日的大小，以达到控制 电动机转矩的目的。 在图6 中，画出了t - 时刻的定子磁链啦( t - ) 和转子磁链1 i m ，) 以及磁链角，) 的 位置，从t 1 时刻考察到t 2 时刻，若此时给出的定子电压空问矢量u 。为u “1 1 0 ) ， 安徽理工大学硕士论文 则定子磁链空间矢量由叩。( t t ) 的位置旋转到叩。( t z ) 的位置，与u 6 ( 1 1 0 ) 的指向平行。 这个期间转子磁链的旋转并不直接跟随超前于它的定子磁链。转子磁链的位置变 化实际上受该期间定子频率他的平均值的影响。因此在时刻t ，到时刻t 2 这段时间 里，定子磁链旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁链角郇) 加大，由郇t ) 变为 研t 2 ) ，相应地转矩增大。如果在t ：时刻给出零电压空间矢量，则定子磁链空间矢 量叩。化) 保持在t ：时刻的位置静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以叵的速度旋 转，则磁链角减小，从而使转矩减小。通过上面的分析，可以得出结论，当施加 超前定子磁链的电压矢量时，使定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度， 磁链夹角加大，相应转矩增加。同样，如果施加零矢量或滞后矢量时，相当于定 子磁链矢量停滞不前或反转，而转子磁链继续旋转，相应转矩减小。 u 。( 1 9 0 ) ，1 l o 太 、 ，砂 b 、 f 1 0 1 ) 0 0 1 ) c u 3 ( 0 1 1 ) 图6 电压空间矢量对转矩的影响 f i g 6t o r q u er e s p o n s ea f i b c t e db ys t a t o rv o l t a g ev e c t 1 4 第三章基于空问矢量调制的直接转矩控制变频系统 第三章基于空间矢量调制的直接转矩控制变频系统 3 1 直接转矩控制基本原理 图7 d t c 凋速系统基本构成 f i g 7b 勰i cs 缸u c t i l r eo fd t ca d j u s t a b k - s p e e ds y s t e m 图7 是直接转矩控制( d t c ) 系统一般的控制方案。电机的相电流、电压的 瞬时值经3 2 变换后，分别送入磁链与转矩观测器观测出磁链值与转矩值，再分 别与给定比较，形成误差送入滞环比较器，得到滞环状态，连同磁链当前所在扇 区一起送入矢量优化开关表，查找所要施加的合适的矢量，使微控器产生对应的 p w m 波输入给口m 模块。要想实现d t c 控制，首先需要对以下两个量进行观测 与控制：1 磁链的观测与控制2 转矩的观测与控制。下面具体给出设计与控制方 案。 3 2 异步电机的磁链模型与磁链控制 电机控制中，一般都希望把磁链幅值保持在额定值状态，以充分利用铁心。 但实际系统中不可能使电机磁链保持额定不变，d t c 控制中多是采用一个磁链的 滞环控制器，将其控制在一定的范围内。 安徽理工大学硕士论文 3 2 1 磁链模型 显然，控制的首要的任务是先将磁链值观测出来。有3 种观测方法 1 ) u i 模型 7 2 2 磁链的幅值：l 识i2 、+ ( 3 2 2 ) 其中“一h ，口、f f 矿妒矿妒。口分别为电机相电压、电流、磁通通过3 2 变 换后在筇坐标系下的分量，妒。为观测到的磁链值。 该模型只用到一个电动机参数一r 。，定子电阻r 。非常容易确定，因此，具有 简单实用的特点。此模型在理论上很精确，电动机高速运转时，足随温度的变化 并不显著，尤其是当电机转速大于额定转速的3 0 时，定子电阻上的电压可以忽 略不计，简化了系统。然而这种变化在低速时变得非常显著，此时利用u i 模型 来计算定子磁链将带来很大误差。低速时一般采用i n 模型来计算定子磁链。 2 ) i n 模型、 r ，= 鲁为转子时间常数，p 一微分算子 i n 模型的结构框图如图8 所示，观测出转子磁链妒。、妒。，利用公式( 3 2 4 ) 计算出定子磁链的分量，最后通过式( 3 2 2 ) 观测到磁通幅值。 工 妒，。2 妒，。子+ 乩；f 。 厶 = + 。l l i ，8 胁渺冠r t 镑 啦啊臣 p o o = = 旋0 + 一 讽弛 一 一 m 巾 缈妒 p p 阿阿一 第三章基于空问矢量调制的直接转矩控制变频系统 图8 电流模型结构框图 f i g ，8f r a m ed i a g r a mo fc u r r e n tm o d e l 此模型的特点是使用较多的电机参数，而电机参数往往随温度变化较大，尤 其是转子时问常数耳。在中高速时，此模型的观测结果不如电压模型的准确。因 此，可将电压模型和电流模型结合使用，即在高速时让电压模型起作用，在低速 时切换到电流模型。但这种切换将会引起电机电流的跳变。 3 ) u n 模型 u - n 模型是由定子电压和转速来获得定子磁链，它综合了u i