（电力系统及其自动化专业论文）“双逆变器——电机”能量反馈试验系统研究.pdf

北方变通太学硕：t 学位论文 a b s t r a c t h i g h q u a l i l ya cm o t o re x p e r i m e n t a ls y s t e mi se x p e c t e dw h e nf o c u s i n g lc b c r c h e s o n h i g h p e r f o r n l a n c e c o n t r o l s t r a t e g i e s m e a n w h i l e a h i g h - p e r f o r m a n c ec o n t r o ls t r a t e g yi se x p e c t e dw h e nr e a l i z i n gah i g h q u a l i t y c x l ：e f i m e n t a ls y s t e m m a n yr e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d ea b r o a do nt h i sa r e a , 3 n 二s o 嚣】ev a l u a b l er e s u l t sw e r eo b t a i n e d , b u tt h e r ew e r ef e wr e s e a r c h e sb e i n g m a d ey e ti nc h i n a 。t h e r e f o r e 。s o m er e s e a r c h e s 。o n i n d u c t i o nm o t o r e x p e r i m e n t a ls y s t e ma r ec a r r i e do u ti nt h i st h e s i s b a s e do nt 1 1 ec o m p a r i s o no fa l lk i n d so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m a n a l y s i s ：l n ：d i s c u s sa b o u ti n d u c t i o nm o t o r e n e r g y r e c y c l et e m p e r a t u r e r i s e e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，f r o mt h et h e o r yt ow o r k i n gp r i n c i p l e ，i n c l u d i n ga l l k i n d so fw o r k i n gs t a t e ，h a v eb e e nm a d e an e w d u a li n v e r t e r - m o t o r e n e r g ) ，一r e c y c l ee f p e r i m e n t a ts y s t e mi sp r o p o s e di n t h i st h e s i s ，as u i to f e x p e r i m e n t a ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sa l s oe s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o no f a l lj ：i n d so f w o r k i n gs t a t eh a sb e e nd o n ea n dt h er e s u l t sp r o v et h et e a s i b i l i t v a n ds u p e r i o r i t yo f t h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m v a r i o u sc o n t r o ls c h e m e sa n df i e l do r i e n t e d s t r a t e g i e sh a v eb e e n c o m p a r e d taf i e l do r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mf o rh i g h - p o w e ra p p l i c a t i o ni s a d z p t e d b e c a u s eo ft h el o ws w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g eo ft h em a i n i n v e r t e ri nt h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m ，an e ws v p w m i sa d o p t e d a n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ns v p w ma r ec a r r i e do u t a n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns v p w m a n dc o n v e n t i o n a ls p w mh a sb e e nm a d e t o o ai f o c ( i n d i r e c tf i e l do r i e n t e dc o a t r o t ) c o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nd s p i sd e s i g n e d 。t h i ss y s t e mc a r li m p l e m e n tt h ef o cs c h e m ep r o p o s e di nt h i s 1 1 a e s i s k e ：, - x o r d ：i n d u c t i o nm o t o le n e r g y r e c y c l e ，e x p e r i m e n t a l s y s t e m ，f i e l d o r i e m e dc o n t r o l ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， e m u l a t i 髓 塑= 要堑堡 第一章绪论 ! 1 交流传动电力机车的发展和现状 本世纪6 0 年代以前，电力机车普遍采用控制方式较为简单的赢流调 运j 蠢统，但由于真流电机体积大、单健功枣重爨搬标差、维护和维修王 撑燮大、以及单戡最大功搴移疑大运行速度受电撰换岛器艰露l 等缺点， 制约t 宅褒裹速、大功率、葛性能瞧力概车上瓣盛霜。 鞠年代孛麓，泡力宅子技术和微电子技术的发震，使研究入爨开始 鸯交流传韵系统应用予电力视车上；进入7 0 年代，采用异步交流传动系 统的d e 2 5 0 0 内燃机车在德国试验成功，使得交流传动在牵引领域重新 ：丧发了前所未有的活力。1 9 8 3 年底，世界上首批5 台b r l 2 0 型大功率干 专，：流传动电力机车获得原西德铁路当硒的认叮，进入实际运骛阶段。 8 0 年代中期，随着电力半母体器件制逡技术的进步，大功率门极霹关叛 晶闻管( g 1 d ) 应用予电力机车上，从嚣促使了佟为交流传动技术重要 邋跋郝分约交滚技零鲍发展，也使褥交渡传动瞧力极车更趋予寨蹋化。 递入粥年代，涟螯铁路工作者对交流泡梳控麓技术研究的深入，矢 量控稍簿其有嵩动态控铺谯能的新技术歼始被采用，谴交流传动电力机 车秘品质遗一步得劐提拜。所谓矢擞控静j ( v e c t o rc o n t r 0 1 ) ，即把交流电机 空闯磁场矢萤的方向作为坐标轴的基准方向，将电机定子电流矢量正交 分解为与磁场方向致的激磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电淡分 量，通过对激磁电流分疑和转嫩电流分量分别控制，使交漩电摄能象它 谚 ! l 汽电机 莘控制。矢最控制技术发展。l 分迅速，许多藏型控刳方 式，诸搬神经赠络接剁、模糨控测等蘩被应瘸劐这方瑶。1 2 q l 嚣阁过去潦用瓣摆奄枣传葫形式褰嚣暴买莆僖绦的高瀚吉宵溶枣 第一章绪论 电机。经过多年研究证明，并吸收了国外发展交流调速的经验，我国也 三确定发展交直交传动电力机车。9 0 年代初，铁道部株洲电力机车研 究所和铁道部科学研究院共同试制了我国第一台4 0 m w 的4 轴a c 4 0 0 0 ，z ；：e 传动货运电力机车它标志菁我同电气化铁路进入了变莨传鼬阶段 b 干a c 4 0 0 0 采用的是转差频率控制方法，难以达到较高的动态特性， ：刁芒j 技术性能电力机车相比还存在很大差距。 j 2 电动机试验系统的发展及现状 在实验室中对电动机进行各种试验时，由于各种各样的原因，往往 不可能让电动机直接带上真正的负载( 例如负载为电力机车) ，于是便出 现j 电动机试验系统的概念。所谓电动机试验系统，楚指在所测试的电 ：j ：j | l 输出轴上接上模拟负载，山模拟负载来模拟各种实际的负载，从而 达到试验的目的。 自从世界上第一台电动机问世，电动机试验系统也紧跟着出现了。伴 趋昔电机及其相关技术的不断向前发展，电动机试验系统的技术也不断 向前迈进。 总的来说，可以将电动机试验系统的形式分为三种： 第种电动机试验系统十分简单，就是在被测试的电动机输出轴上 直接接上一个可产生阻力矩的阻力设备，如图1 1 所示。 通过调节阻力设备的摩擦系数等参数，可以调节它对电动机输出轴 的阳力矩的大小，从而达到模拟实际负载的目的。这种方式的最大的优 砭i 是简单，经济。但同时它也存在着以下不足之处： ( i ) 阻力设备通过其与电机输出轴之间的摩擦力来产生阻力矩，难以 准确控制阻力矩的大小。 端一帮婊论 电动斌， 警i 褥癌受嚣 圈1 - 1 电动梳试验系统方式l ( 2 ) 电动机输出的动能都在摩擦过程中通过发热的形式散发掉，造成 能量的浪费。这点在大功率系统中尤其突出。 ( 3 ) 阻力设备仅仅能模拟负载的静态和缓慢变化的过程，两无法实时 嫫j l 真实负载的动态过穰。 但出于这季中方式的麓便可芎亍性，在些对负载动态牲毙婺求不是缀 巍的小功率场会，还存在簧这秘方式。 第二耱方式楚在被泌试数瞧葫极输 _ i ；辍上列接个矗流发f 毽梳，矗 流发电梳翡定子端壹接按隧经受载，通过调节赢流发电梳励磁电压来调 节它的输出转矩，即惫动机的黼力矩。如图1 2 所示。 电动虮童i 技屯龇 蚓1 2i 乜动机试驻系统力j 2 这种方式最大的优点就是直溅发电枧调节转矩方便，如果采煺衰牲 ；弭：控制方式，也能够模拟实际负载的动静态特性。而且，实现起来也 不是很复杂。所以在现阶段，国内的大部分试验系统都采用这种方式。 ：_ 丑这种方式同时也存在一点缺陷，那就是出直流发电机所发出的电难以 。川睁j 固尤其是肖电动机运行存低适时，昕以罨叼这种一号絮的试黔 系统往往都将直流发电机的电压输出侧直接接到阻性负载上，例如电灯 泡组或是大的电阻箱，水阻等。通过阻性负载的发热将能量散发出去， 如果系统的功率比较大，还必须考虑如何对阻性负载进行散热处理a 而 之仁往会增加设备以及所占用试验室的面积。而且，在大功率系统巾能 量的浪费尤其严重。 目前，国内还有采用以下方式的试验系统，原理图如l 一3 所示。 i 漉发电机 直漉电动机i 霹步发电机 图1 3 电动机试验系统方式2 的另一种形式 国q 已经有单位采用了这种形式。为了能将图1 2 中直流发电机发出的 电利用起来，将直流发电机所发出的电直接加到一个直流电动机上，再 将一同步发电机接到直流电动机上，使能量得以回馈电网。这种方式能 眵：匕大提高电能的利用律，但其缺点也是很明显的： ( 1 )一共采用了四台电机，增加了设备，成本提高。 f ：) 控制难度增大，模拟负载由三台电机组成，必须联动的控制 三台电机才能达到较理想的试验效果。 镇4 面 媾蠢绪论 ，：)两步笈电视的转速难以达篓缀离。丽被测试瓣弊步电丰凡会经 骘工f 乍在离速状惫。 第三种方式可称为“双遂变器一电桃”能量反馈试验系统方式，如 登l 。4 联示。 图1 q “双逆整器一电机”能羹反馈试验蒹统方式 奎予滓步毫极强毒黪饯势，黩疆徐珞褒室，络稳麓萃，戬爱霞良貔臻搴 德积比，使得异步电机的陂用范围越来越大。再加上各种离性能控制方式 煎毽现，使得异步毫橇京些场合己逐步敬 弋了整流毫瓤。舞叛臻在各 黧都加强了对异步电机及其控制方式的研究。国外的一然高校和研究所 已经采蔫了图1 - 4 所示的舞步电机试验系统， 6 - 8 1 我们可以称之为”双逆 变器一电枧”能豢反馈试验系统，与图1 - 3 所示的方式不同的悬，它仅 羽一个异步电机来充当模拟负载的角色。闻以上两种方式相比，它具有 以下优势： ( 1 ) 由予采用了量回馈的方式，使得藏个系统的能量消耗仅 汉逶电祝疼部静援耗帮务辩器传瓣接耗，能羹程麓率褥剿大大豹搓离。 ( 2 ) 由于整个系统的能纛消耗只是被测试电机功率的- - , j , 部 分，所鞋袋蔫这释方式麓籍震小凌率等级的电源来试验大功率等缀静毫 机，而不错要对电源进行扩容。 ( 3 )如对异步电槐2 采嗣嵩性能的控制方式，它完全能够模拟 麓s 面 箍一章绪论 其眨负载的各种动静态特征。 f 旦由于这种方式对整个系统及其控制都提出了很高的要求，国内在 薹：i 面所做的研究还比较少。本文对这种试验方式进行了一定的研究和 探讨。 1 3本论文提出的背景及研究内容 铁路事业的发展需要高性能的牵引动力，国外发达国家已经将矢量 控劓等高性能的交流电机控制技术应用于电力机车上，而在我国尽管目 前相关的文章发表不少，但针对电力机车大功率异步牵引电机控制的却 寥寥无几。而要发展我国大功率异步牵引电机的控制水平，当务之急是 建：一套高效且实用的大功率牵引电机试验系统。我国目前只有很少的 几家单位在这方面作过一定的工作。但他们采用的是1 1 节中所提到的 蒋二：种方式，并且在实际使用过程中还存在这一些不尽如人意的地方。 可对于1 1 节中所提到的第三种试验系统方式，国内未见有研究报导。 但国外在这方面作了不少工作，早在2 0 世纪9 0 年代初，美国的c l e m s o n 太学的e r c o l l i n s 和yh u a n g 就对这种系统作过仿真研究【6 】。英国的 ：、：o 甚i n 曲a m 大学的z h a k a n a k p o l a z 等人则对这种试验系统作了小功率的 试验【8 l 。为此，建立一套我们自己的大功率异步牵引电机试验系统是很 育必要的。为此，本文作了以下工作： 1 对“双逆变器一电机”能量反馈型试验系统从原理到工作机制， 以及各种工作状态都进行了深入的分析和研究，并建立了一套试验系统 的仿真系统，对系统的各个运行状态进行了仿真。 2 对不同的磁场定向方式及矢量控制方案进行深入分析，比较了它 们之间的优缺点，针对本试验系统的特点，提出了一种适合本系统的矢 t6 酉 第一章绪论 l 扛带j 方案。 3 针对本试验系统主逆变器开关频率低，电压高的特点，采用了一 砷新型的脉宽调制方式s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 。 对$ v p w m 进行了深入的分析和研究，并且将s v p w m 与常规的s p w m 堑二了比较。 4 设计并实现了一套基于数字信号处理器( d s p ) 的间接磁场定向矢 曩控制系统，并分别进行了小功率试验以及初步的大功率试验，试验结 裂表明，该控制系统初步地实现了本文提出的矢量控制方案所应完成的 吾项功能。 簟7 百 第二颦“职逆变器一电机”能量反馈试验系统 第二章“双逆变器一电机弦能量反馈试验系统 2 1 试验系统基本原理 为了真实的对电力机车交流传动控制技术进行试验茅研究，我们采 羽幻是我校为最掰的2 0 0 k m h 动车组题设计豹交滤传动3 0 0 k w 异步零引 电投。因为功搴较大，鼹以露必要采蹋熊量麴反馈形式。其次，整令试 验系统静模拟受裁部分应该髓够模掇电力橇车耩遥封翡安际负载，这样 c 能够对牵雩 电机控涮系统进行较为真实的试验。最后，奁满足上述两 点妥求的情况下，应该使整个系统尽可能的简单，可靠。 而在第一章中所挺到的“双逆变器电机”能量反馈型试验系统完 全t ! 够达到以上备点骚求，所以本文采用的也是这种方式。下面将对这 种试舱系统进行进一步分析。 2 。1 。1 试验系统熬麴残 试验系绞原理框强见罄1 4 ，为方便起冕，蘩耨绘裁鳐下。 圈2 1 “露递交器一电机”能壁反馈试验系统 凝流器将放电阏输入的三楣交流电整流成直流，在直流侧船人大电 容，使之形成个恒压源。再经过逆变器，将电源变换成可变频变压的 第8 页 第二章“双逆变器一电机”能量反馈试验系统 三咱交流电，供给异步牵引电机l ，使其做电动状态运行。异步牵引电 二j ll 运厅工作后，由于它的转子与异步电机2 的转子通过联轴器相联， 听以带动异步牵引电机2 的转子一同旋转，且旋转速度的大小和方向都 咱同。适当选择控制部分2 的控制策略，使异步牵引电机2 符合异步牵 引电机发电条件( 下面将做详细分析) ，做发电状态运行。发出的三相交 互电经变流器整流成直流，回馈给恒压源，使能量得到充分利用。 整个系统的能量消耗只是各个主回路、控制部分器件的损耗以及异 步牵引电机内部的各种损耗，而这可以大大小于异步牵引电机的功率等 缎。所以，这套系统不但能够降低试验中的能量消耗，而且可以达到以 小坊率等级的电源来试验大功率异步牵引电机的目的，提高了资源利用 率。以下将详细介绍构成此试验系统的两个最重要部分：处于发电状态 习导步牵引电机和四象限变流器。 2 1 1 1 处于发电状态的异步牵引电机 整个系统要实现能量回馈，异步牵引电机2 必须处于发电状态。而 舞步牵引电机在一般情况下都用做电动机，但是，如果满足以下两个条 j 牛，异步牵引电机也可作为发电机运行p l 。 条件一：异步电机转子转速胆应大于它的同步转速n ，这一点可从异 步r 乜机的时一空矢量图( 图2 3 ) 中直接得出，为对比起见，以下也同时 画出了异步电机电动状态时的时一空矢量图( 图2 2 ) 。 图中各量之间的关系，由以下异步电机的基本方程式所决定： 磁势平衡方程式 e + e = ( 2 - 1 ) 第9 页 第二帮 “双逆变器一电机”能量反馈试验系统 a 相辅，时车由( 静止) 8 糍桷1 _ 帖 ( 挺转) 饧 。， r ， 。 ， f e ：# 黼串番元素帮表示楣耋 豳2 - 2 电确机状态 定予簿榴毫势平衡方程式 u l = 一蜀+ ，l + z l ；麓+ 厶( 蔫+ ，z k )犯。2 ) 转予每楣奄势平衡方程式 e 2s = l t z 2 s = l l 敬! + 浮 ) j 琶定予电流分解 i t = im 七l t 。 e i = 气4z ， 气= 一戌 第，o 萸 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) f 2 5 ， ( 2 - 6 ) 第二章“双逆变器一电机”能量反馈试验系统 a 相相时轴( 静止) 幽中各兀秉郡最不相置 图2 3 发电机状态 u ：定子外施相电压巨：定予内部电势j 。：定子相电流 ，。：激磁电流分量。：负载分量z ，：激磁阻抗 ：。：转子电势，：转子相电流z ：，：转子阻抗z l ：定子阻抗 ：定子磁势：转子磁势f 啪：激磁磁势m 。：主磁通 因为对于对称的三相系统，在时空矢量图中，如果各相的时轴取在 各褶的相轴上，则相电流相量恰好与三相电流产生的合成磁势基波矢量 重音。根据这一原理，在图2 - l 和图2 2 中，电流。应与1 系统产生的定 子磁势只重合，电流j ：应与j ：系统产生的转子磁势e 重合。同理，1 。应 第1 1 页 篓三茎：翌篓壅墅= 皇垫：璧霎星堡壁墅墨墼一一一一 t j ，j 夔合，j 。应与f 卅夔合。熙中为麓便起见，都朱标出与电流桷量踅 台豹磁势矢璧。 肖髯步窀税中h 其中，瓦，承坟c 郝必鬻数，是负载转动馁量，矗k 是转予旋转蕉速凌， 刁；汽的负载具有不同的r o ，口，6 ，c 和j 。 为方便起冕，将图】一4 再绘帝l 如图2 一s 。 冀中，异步电机l 是测试用的电机，异步电机2 用予模拟负载。异 ：多 毡机1 的摩擦系数织，转动攫蹙，电磁转矩l ；异步电机2 的摩擦 系数d 2 ，转动惯卷以，电磁转短正。整个系统可描述如下。 第1 5 贰 第二蘑“双逆变器一电机”能量反馈试验系统 1 ：；，j 设： 图2 - 5 “杖逆变器一电机”能量反馈试验系统方式 夏一疋= j l + 了2 ) 矗瑶馥+ f 毽+ d 2 ) z k ( 2 8 ) r | 酬= 墨t 七2 d o | 斑奇d l 聿m 乃= j 24 d e o m ，者+ d 2 + 掰。 ( 2 - 9 ) ( 2 q 0 ) 其中，丁为晃步电机2 在联轴器上输如的转矩，因此，方程 ( 2 - 8 ) ，( 2 - 9 ) 可分期改写为； z - t l o a d = j l + d ，办+ d l + 。 ( 2 一1 1 ) t l o a d = 瓦+ 乃 ( 2 - 1 2 ) 函为t l o a d 为横瓠受载钓输密转矩，五。为实际负载的输岛转矩，所 以必须控制异步电机2 ，以使r 。捌跟踪7 k 。从式( 2 1 2 ) 可知，我们 新戆畿接控帝l 静是夏，当需要模掇静实际负载翡转动惯量眈异步鬯弧2 的转动惯鬃小时，我们必须控制异步电机2 使其运行在电动状态。 如累采用麓性能的控制方式，对进行糙确的控制，则可以实现上 第1 6 页 工工 目u 第= 浆“双逆变器一电机”能戴反馈试验蒜统 述系统。本文采用的是矢量控制系统，有关矢量控制的舆体方案，将在 第三造中作详细介绍。 2 ，：毫力樵车实酝负载戆魂态梅性辑震 邀力棍擎实际受载楚令稳当复杂静系统，它受至l 多稀齿素豹影稚 弼镪约，俪如车轮与钢轨觅褥摩擦系数，列车行驶的线路条件和梳车车 辆的重量等都对它会产生很大的影响，而且列车的启动阻力，运行阻力， 以及高速时的阻力等各个不同阶段都有较大送别。因此，要想真实的模 拟电力机车实际负载本身就是一个很系统的工程，而这并不是本阶段研 究的道点，所以本文只对电力机车实际负载作了初步的研究葶分析，并 对实际负载馋了定麴简化。 掰车的运动斑整个列车酶平劝萃露全部车轮及箕传动梳构的旋转运动 鬃戍l 一。列车的动力主簧来自子牵弓 电机的牵引力，而它所受到的阻力 因素很多，我们可以将其分为基本阻力和附加阻力两大类。其中，基本 阻力是指列车在任何运行情况下都存在的阻力，列车在空旷地段沿乎囊 孰j 尊运行时受到的阻力一般只有基本阻力。跗加姐力是攒别率在某些特 定躬t 爵况下运括对，额外产生的阻力。例如：列车在坡邋上运行黠鸯坡 遂戳擞阻力；在熬线上运姆对寿熬线鬻热阻力；在隧道串运簿酵有隧道 空气黔招邈力等。为篱纯起冕，我钓现徐段不考虑鼯糖醚力懿影嫡蔼只 萼辔蒸本辍力。 引起基本阻力的因素很多，归纳起来可分为以下五类。 ，箍颂与辘承之瓣鹃摩擦 剃车运行时，机率车辆所有轮精的轴颈与轺承之阍都将产生摩擦力， 第1 7 贾 塑三塞：! 罂丝茎楚二鬯丝：墼量垦堡照堕墨竺一 m e 对的转动。图2 - 6 表示了因摩擦引起的轮对受力情况。 圈2 - 6 轮对受力情况豳 g 为轮对承受的载荷：g + 为轴颈与轴承闻的摩擦力，其中蛾 为摩搽系叛。诧摩擦力也楚通过轮鞔麓静粘饕，在轮毓接触箍辱| 越舔辘 对率轮的摩擦反作用力。邸为一个轮对的轴颈与轴承之间的摩擦引 起的列车阻力。幽力矩平衡方程可褥其表达式为： 乃= g + 吼+ 0 r ： 2 1 3 ) 式中： 0 ：轮轴半径霆，：车轮半径 由上式可见，这部分阻力与轴荷黧，摩擦系数和轮对尺寸有关。 2 车轮与鞔瑟阁静滚动鼙擦 率轮聪在轨面上，轮轨形成椭圆形接触面。当车轮滚动时，轨面因 挤压丽变形。实际上钢轨对车轮的支反力。的作用点在滚动方向上翦移 第l b 页 第二舒“戳逆变器一电机”能量反馈试验系统 了微小距离，方向任认为是竖赢向上，如图2 - 6 所示。支反力，引 起酶钢鞔对苹轮的摩擦爱作弼力五翡方岗与鄹率运行方淘福爱，邵为滚 ：j 廖擦阻力。由力矩平衡方程可得其表达式为： 乓= n j + x j 曩 ( 2 一1 4 ) 滚动摩擦力受轴踅，轮轨材挝的硬度，线路质量，车轮半径，运行 趸应簿的影购。 ：；车轮与诵鞔闯的滑动麟撩 车轮的圆锥形踏瓶，车轮直径的差异以及某些轮对组装不正确都将 7 遵锚车轮在滚动的罚时存在纵向和横向的滑动，产牛滑动摩擦力。 冲毒帮擐麓 列车运行时，由于钢轨接缝，轨道不平童以及轮轨擦伤等原因，引 起轮轨间的冲击和机车车辆掇动的加剧。同对，机车车辆间也存在豢纵 内和横向的冲击朔振动。所霞这些郡将淡蜒梦 j 车的动能及机车牵弓i 力， 因此也是形成基本阻力豹一令因素。 随着剃车运行速度的提高，冲击和振动将会加尉。所以，这部分阻 力随运行速度提高而加大。 j 空气照力 弼车运行时与周酗空气发生桶对运动，歹 j 车前面的空气被压缩，尾 都的空气稀薄产生涡流，形成前后两端很大的压力差。同时，列车的整 个外袭匾与空气相摩撩。这些阻碍列车运行的阻力，称为空气阻力。列 车门空气阻力与列车成量无关，只决定于剐擎与空气的楣对速度，列车 第1 9 页 第二章“取逆变器一窀枫”蟾量最馈试验系绩 稳弘彩与尺寸。空气阻力与空气稽对速魔豹平方成正跑。西诧离速列车 约：芝气阻力成为基本阻力的主要部分。 上述引起列举基本隰力的五种因素，随着列翠速度的高低而油布同 的影旗；低速霹，辘颈与辍承阈熬摩骧怒主要终璃。速度提高矮，轮较 训滑动摩擦，冲击和振动以及空气阻力的影响逐渐加大。高速时，列车 鏊： ：n - 力澍以空气疆力为主。 综上艇述，产生列苇基本阻力的原殿较多，影响的照素也较复杂。 蜀髭，列率基本臌力的计算，都建按牵规给出的经验公式逆行。这 垫经验公妓是攫掇多次试验雳褥驰资瓣，经过分掇综会之爱臻患豹。公 式采用单位阻力的形式，考虑了机车车辆的类型，重量以及运行速度三 个主要方瑟翡影确。下瑟分剐列窦了震予我犀一籀祝车率辆懿鏊本陲力 汗簋的经验公式。 i 机车运行藻本阻力的计算 懿出l 鍪魄力极攀： 貔h = 1 6 4 + o 0 1 4 0 + v + 0 0 0 0 2 6 0 + v 2 ( n k n )( 2 - 1 5 ) 2 客车运行基本阻力的计算 = 1 6 6 + 0 0 0 7 5 v + 0 0 0 0 1 5 5 + v 2 3 货车与客车不丽，空车鸯羹车的总重褶麓较大，单位萋本阻力 的麓别亦大，教空车与重窜约单位萋本照力应按不周豹经验公式计算。 萁 算公式如下： 空车蕊= 1 5 3 + e 0 2 4 4 v o 0 0 0 4 2 1 。v 2( n k n ) ( 2 - 1 7 ) 第拍夏 第二章“双逆变器一电机”能量反馈试验系统 重车吐 = 1 0 7 + 0 0 0 1 1 + i 7 + o 0 0 0 2 3 6 + y 2 ( x k n ) ( 2 1 8 ) 式中v ：送行速度( k m h ) 为方镬越楚，我们以帮t 车鑫每动轮为其镑摒究懿对象。枫车动轮字要 受到了两个力，其一是由异步电动机施加给它的前进的动力，另一个是 | 尹e 车所受到的所肖阻力产生的制渤力。当然，一辆列车会有多个牵弓l 电机，我们这里采用简单的取平均的方法米计算每一台电机所受到的制 动力。存昕有轮对均无相对滑动的情况下： 纹+ 霆，= v ( 2 1 9 ) 式孛霞：动轮半径 所以，电力机警负载可沮近似的用以下公式来袭示： t = 口。+ 屯+ 吐+ q + 吐2 + 以+ d 吼i d t ( 2 2 0 ) 式中吼，b 。，c 。均为常数；以为动轮对及萁传动机构的转动惯量。 2 。3 本章，l 、结 本章首先对“双逆变器一电枫”戆量反馈型试验螽的运行擐理积运孬 机铡作了深入的分析，详细介绍了系统的构成以及系统运行的方式，提 毽了整个系绞稳定逡嚣瑟爨缀遵矮懿穗粼。然磊对翔嚣稳蠲系统蜜襞对 要用负载动态特性的模拟谶行了研究。接着对我们最感兴趣的电力机车 实舔受载斡渤态将羧作了分耩，褥国了一个霹行酶跑力梳率实际受载特 性公式。 第2 l _ 贳 墨三塞茎苎塑型墨竺垄壅壁壅 一 一 第三章矢量控制系统方案研究 3 1 本试验系统对矢量控制方案的要求 根据“澈逆变器电机”能量反馈试验系统的构成及其特点，所采用 的矢量控涮方案疲该髓够满足以下凡点要求： ：1 ) 出于试验系统所用的两台电机都为交流异步牵引电机，所以矢 蕈控制方寨应该能够满足交流异步电机的控制特点。 ( 2 ) 殿必试验系统采瘸弱是3 0 0 k w 豹大功率媳机，这必然导致主交 流嚣的开荚频率不w 能达到很高，在选择掇制方案时应充分考虑这点。 ( 3 ) 舅步牵弓| 宪援戆调速范羲缀宠，零系绞敷采矮豹宅撬额定遮凄 为3 7 8 0 转分，最商速度为4 7 0 5 转分，在高速范围内逆变器将工作于方 。芰 一况，敬繇遥择盼矢蘩羧镪方寨旋有弱予实蘧窍波工况。 ：4 ) 在满足以上条件的基础上，应使憋个控制系统尽w 能的简单， 可靠，实粥往强。 3 2 矢量控制基本原理 在感应电机调逮系统中，采用聪频眈慨定方式进行开环控制的方法， 实际上只控制了电秽毛的磁通嚣没有控制电机戆转缀，只适月于熙掇之娄 m 基本稳定，而且对调速性能要求不筒的场合。转差控制推导出电机 筑转差频率张稳态转矩之瓣兹关系，霹在一定豹转差范爨凌控裁彀毒毽靛 电璐转矩。从而改潜系统的调速性能，但怒转差控制基于电机的稳态模 羹，没有毒崽宅梳黪舞态j 窭撵，其渤态性畿也不璎憨。爵于毫力税车牵 引遨类系统，需要对负载突变情况具有快速反应能力，以保持机率稳定 第靛页 旃三苛矢量控制系统方案研究 1 j ：i 亍速度并防止机车打滑，为使电机获得良好的动态性能，控制系统 凶能灵活有效地控制电机动态转矩，这就需要一种建立在电机动态模 型垂础上的控制方法，矢量控制便是一种这样的控制方法。 翦应电机是一种多输入、多输出、非线性、强耦合的系统，其稳态 转她表达式为： 瓦= k ，r 丸2c o s 0 2 ( 3 - 1 ) 式q ：，k t ，：与电机结构有关的常数； 丸：电机气隙磁通有效值： 1 2c o s ( 0 2 ：转子电流的有功分羹。 、，1 、；：( ：1 ) 中可以看出，感应电机的稳态电磁转矩与定子电流并无直接关 系。并且电机的三相定子电流既要产生电机中的旋转磁场又要产生电磁 嚣矩，定子电流的激磁分量和转矩分量又与电机本身的设计情况以及负 载有关，很难将两者区分开，若考虑到电机的动态过程，情况将更加复 杂，因此感应电机的转矩控制是比较困难的。矢量控制的意义就在于它 找到了一种方法，将定子电流瞬时值分解为互不耦合的激磁分量和转矩 兮量，并建立起电机动态电磁转矩和这两个分量的直接联系，使感应电 札能象他励直流电机一样控制f 1 扣15 1 。 在忽略电枢反应或加有补偿绕组的情况下，他励直流电机的瞬时电 磁转矩如下式所示： f 。= k t 妒 ( 3 - 2 ) 式中，k ：与电机结构有关的常数； 妒，：由电机激磁电流产生的磁链； 第2 3 页 笙兰黧叁苎丝型墨竺查塞璺塞一 i 。：电机的电枢电流。 闰3 - i 为感应电祝空阉矢量圈，s g q 为定予静止两裙坐标辘系； x y 为以任意惫速度。旋转的嚣橼坐标戢系；毫为x 一y 坐标系：的定 子电流空间矢量；日。为x y 坐标浆上的定子电压空间矢爨：i 。和f 掣是0 。奄、y 轴上的分墩。若令m 。= ，即令p y 坐标系以电机同步角速度 镀氍转，并令x 辘与感瘦邀祝磁镶空阗矢璧畋鬟舍，羽气为与磁场方 ，州致的激磁电流分量，瓣f ，为与磁场方向垂直的转矩电流分量，通过 对f 。，和f ，分别控制，使感威电机能蒙他励巍流电机样控制，这就是矢 置 ：j a ；蕊本原理。依据磁场定i 方式的不同，妒。目醴延转子磁虢妒。、 白 s g牧2 畋驯。 图3 - i 感应电机突闫矢量臻 毫：j 二磁链妒。和气隙磁链妒。，它们都由与磁场方向一致的定子电流激磁 分鬣t 决定。 第2 页 第三章矢量控制系统方案研究 按照图3 1 对感应电机定子电流空间矢量进行分解，就可使电机拥有 类似于式( 3 2 ) 的瞬时电磁转矩表达式： ，。= 七。阮i f f ( 3 3 ) 式。p ，b ：与电机结构有关的常数： 3 3 各种矢量控制方案的比较 功串等级提出了多种实现方案。经过多年论证，我国的交直交电力机车 ，一定子磁场定向 按磁场定向方式分一 转子磁场定向 厂! 一 b v s i 为主电路的按磁链估算方法分j 间接破场定向 天置控制系统分类1 l 直接磁场定向 l 、按逆变器控制信号产生方法分r 电流控制型 l 电压解藕型 种，但根据磁场定向方式、磁链估算方法以及逆变器控制信号产生方法 第三章矢量控制系统方案研究 本章对采用电压型逆变器( v s t ) 主电路的三相鼠笼式感应电机矢量 控制方案进行分析比较，针对本试验系统的特点，提出了一种适合本系 统f _ 乞矢量控制方案。 三种磁场定向方式在旋转参考系下电磁转矩和激磁电流的表达式分 ! 定子磁场定向 矿刊时：( 3 4 ) = _ 。, , - , ，d r 。l i - t p l 。，i f 。 、 掣= 专等等+ c 训等。 p s ， u q ：掣- s 5 r ( 3 - 6 ) hi i 万1 2 m ，卜7 “ ( 3 7 ) ( 3 8 1 ( 3 9 ) j i y i k 厶一焉一 p p e e 页 站 l 删 吒。瓦第 剑讲 旷 i 一 。h k 0 翻 第三章矢量控制系统方案研究 ：气隙磁场定向 ，。3 = c ：p i 妒。l i 。 = g p 。h 讣c 掣：+ 等等坳。训， 。l 日d i 9 + i 百 m 叫r2 砗 式中： i 。，： 激磁电流 t 。： 定子电流转矩分量 ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) f 3 - 12 ) i 。： 定予电流的激磁分量 由式( 3 4 ) 、( 3 - 7 ) 和( 3 - l o ) 砒a 看出，三种磁场定向方式下三相鼠笼式感应 电机的电磁转矩表达式相类似，都与激磁电流和定子电流转矩分量f ，。的 乘积成正比，从表面上看，三种磁场定向方式都可对电机的电磁转矩实 现解耦控制，通过分别调节激磁电流和定子电流转矩分量来控制转矩， 但山式( 3 - 5 ) 、( 3 8 ) 和( 3 - 1 1 ) 可知，三种磁场定向方式下激磁电流的表达式 有很大差别。转子磁场定向方式下激磁电流i 。，的表达式最为简单，只与 定予电流的激磁分量f 。有关，当通过改变定子电流转矩分量f 。来调节电 叽砖矩时，激磁电流并不发生变化，而在通过改变激磁电流来调节电机 转矩情况下，定子电流转矩分量j 。也不发生变化，转子磁场定向方式对 感应电机的电磁转矩实现了真正的解耦控制，使感应电机可象他励盲流 第2 7 页 第三章矢量控制系统方案研究 电机一样控制。而定子磁场定向和气隙磁场定向方式下的激磁电流表达 式较为复杂，激磁电流不仅与定子电流的激磁分量f 。，有关，还和定子电 流转矩分量i 。有关，当通过改变定子电流转矩分量f 。来调节电机转矩时， 激磁电流会发生变化，而当通过改变激磁电流来调节电机转矩时，定子 电 蓖转矩分量i ，也会发生变化，激磁电流和定子转矩分量并未彻底解耦， 与转子磁场定向方式相比，采用定子磁场定向和气隙磁场定向方式对电 机电磁转矩进行控制则要复杂的多，因此，对三相鼠笼式感应电机的矢 重控制多用转子磁场定向方式来实现。定子磁场定向和气隙磁场定向方 式主要应用于双馈型感应电机和同步电机的矢量控制系统中【1 5 】。 3 4 2 电流控制与电压解耦控制分析比较 1 ：电流控制型矢量控制系统 图3 3 中所示系统是一种典型的基于转子磁场定向的电流控制型矢 量控制系统，在有关矢量控制的文献中被广泛引用1 1 扣1 8 】。图3 3 所示控 制系统的外环为转速闭环，给定转速国：与实测电机转速，相比较，误差 信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号f ：，再与电 机转矩反馈信号f 比较，误差信号经转矩调节器作用，产生定子电流转 矩分量给定信号f 二。电机的转子磁链给定信号y 0 由弱磁控制单元产生， 罡f ! 机实际转速彩，控制，当q 小于电机的额定转速时，0 为一恒定值， 当，大于电机的额定转速时，y 0 与电机转速成反比关系。y 0 与由磁 第2 8 页 图3 - 3 基于转子磁场定向的电流控制型矢鼙控制系统 链模型算出的磁链反馈信号y 相比较，误差信号经由磁链调节器产生 定予电流激磁分量给定信号j 二。j 二和f 二再经坐标旋转和2 ，3 相变换产生 定子三相电流给定信号、f 二和f 二，与定子三相电流实测信号、f 。和 ，相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相p w m 信号。因为控制 感应电机所需要的三相定子电压信号由三相电流通过滞环控制器直接产 生，所以这种矢量控制系统称为电流控制型矢量控制系统。 图3 - 4 为滞环控制器原理示意图，根据电机相电流给定值和逆变器 j ，j ：一关频率设定滞环的上、下限，当电机实际相电流到达滞环上、下限 时，改变p w m 波形状态，保证实际相电流在滞环范围内。显而易见， 滞环范围越窄，实际电