（电力系统及其自动化专业论文）交—直—交型电力机车仿真试验台.pdf

：2 竺二：= 竺翌查兰兰堡堡墨 蔓! ! 墨 a b s t r a c t a c - t r a n s m i s s i o nh a st h ea d v a n t a g eo fb i gs t a r t i n gs t r e n g t h , g r e a tc o n f i n u o u s p o w e ra n dp e r f e c tp o w e ra r e a ，s o al a r g ea m o u n to fa c t r a n s m i s s i o nl o c o m o t i v e s h a v eb e e ni n v e s t e di nr a i l s y s t e m ，w i t ht e n d e n c y o fr e p l a c i n ga c t r a n s m i s s i o n l o c o m o t i v e st h ep r i n c i p l eo fa c d c a cl o c o m o t i v ei st h a tt r a n s f o r m e rt r a n s f o r m s t h eh i g h s i n g l e p h a s ea cv o l t a g e f r o mc o n t a c ts y s t e mt ol o w e ra c v o r a g ef i r s t ，t h e n r e c t i f i e rt r a n s f o r m st h i sa cv o l t a g e t o s t e a d y d cv o l t a g e ，f i n a l l yc o n v e r t e r t r a n s f o r m st h i sd c v o l t a g et ot h r e e p h a s ev f v v a c v o l t a g ea st h ev o l t a g es o u r c e f o ra s y n c h r o n o u sm a c h i n e g e n e r a l l y , i nv i e wo f t h em a n n f a c t u r i n gc o s ta n de x p e r i m e n ts a f e t y t h ed e s i g n o fl o c o m o t i v ea d o p t st h em e t h o do fe m u l a t i o ni na d v a n c e t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e sa “a c d c a cl o c o m o t i v ee m u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r i l l ”s y s t e m ，w h i c hi su s e dt o s i m u l a t eb e h a v i n ge n v i r o n m e n to f 1 0 c o m o t i v es y s t e mi ns e v e r a lc o n t r o lc i r c u m s t a x l c e a n do b t a i nk i n d so fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s 0i tc o n t r i b u t e st ot h ed e s i g no f l o c o m o t i v e 。t ou s e r c o m p u t e ri n t e r a c t i o n , t h i st h e s i sd e v i s e sc o r r e s p o n d i n gg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e s ，s ou s e r sc a r lc o n f i g u r ev a r i o u sm o d u l e s a n dc o n t r o l l e r s p a r a m e t e r s w i t hk n o w i n gl i t t l ea b o u tt h ed e t a i l so ft h i se m u l a t i o ns y s t e m b e s i d e s ，w h e nt h i s e m u l a t i o ns y s t e mi sr u n n i n g ，u s e r sc a r lq u a l i t a t i v e l yw a t c hw a v e sa n dq u a n t i t a t i v e l y a c q u i r e d a t a d i r e c t l y , s o t h i se m u l a t i o ni sa l s os u i t a b l ef o rs t a f f t r a i n i n g a n d s i m u l a t i o nt e a c h i n gi nl o c o m o t i v ef a c t o r i e s t 姑st h e s i se o e r s ； f i r s t , d e s c r i p t i o np r i n c i p l ea b o u tl o c o m o t i v e ，s u c ha stf o u r - p h a s er e c t i f i e ra n d c o n t r o lt h e o r y , m a c h i n ef l u xa n dt o r q u em o d e l s ，t h em a n n e ro fc o n t r o l l i n gm a c h i n e a n ds oo n s e c o n d t h ec o n s t r u c t i o no fa c d c a ci o c o m o l i v ee m u l a t i o ns y s t e m , w h i c h c o n t a i n si n t r o d u c t i o no fm a i nc o n s t i t u t i o n a lm o d e l s ，s p e c i f i ci m p l e m e n to fs p e c i a l m o d e l s ，e t c t h i r d t e s t i 玲i n gt h i s e m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hc o n t a i n sw a v ea n a l y s i s ，d a t a a n a l y s i s ，c o m p 烈 i n g t od a t af r o mr e a ll o c o m o t i v e ，e t c f i n a l l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n to f e m u l a t i o ni n t e r f a c ei n c l u d i n gc o l 珈l r l o n s k i l li nd e v i s i n gu s e ri n t e r f a c ew i t hp r o g r a m m i n gl a n g u a g em a f l a b ，d e t a i l e du s e r i n t e r f a c ei m p l e m e n to f t h i se m u l a t i o ns y s t e m , t h et e s t i n ga n du s a g e ，e t c k e y s ：e m u l a t i o n , l o o o m o f i v e ，g r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 电力机车的历史与前景 自1 8 7 9 年世界上第一条电气化铁路建成以来的1 0 0 余年时间内，人们不断 地作出努力，试图制造出具有实用价值的交流传动电力机车。但是由于科学技 术发展水平和物质基础的制约，在相当长的时间内，人们的努力并没有取得预 期的效果。随着电力电子学和微电子技术的崛起和进步，半导体的出现和发展， 使情况有了巨大的转机。6 0 年代中期，已经有可能在全新的物质和技术基础上， 把单线接触网送到机车上的能量，变换为三相的适合牵引用的新能量方式。进 入7 0 年代，因采用异步交流传动系统的d e - - 2 5 0 0 内燃机在莱茵河畔试验的成 功，交流传动在牵引领域重新焕发出前所未有的活力。1 9 8 3 年底，历经三年的 试验，试运行和改进后，世界上首批5 台e r l 2 0 型大功率干线交流传动电力机 车，终于赢得了相当挑剔的原联邦铁路当局的认可。e r l 2 0 机车在系统设计、 总体布置、参数选择与优化规则、电路结构方面，以及在主要部件，如卧式牵 引变压器、牵引变流器、牵引电动机、空心轴万向节传动装置、辅助变流器等 的设计和生产方面，进行了成功的尝试，并奠基了当代交流传动机车设计和运 行的基本模式，推动了铁路牵引的新一轮革命性的变化。 对交流传动技术的发展起关键作用的半导体装置，这至少可追溯到1 9 4 8 年 发现锗晶体中的晶体管效应。次年完善了p n 理论，1 9 5 7 年发明了硅可控整流 器( 后国际电工委员会正式定名为普通晶闸管) ，开始跨入了电力电子学时代。 随后，在8 0 年代中期，大功率门极可关断晶闸管在电力机车上装车使用。作为 交流传动技术的核心变流器，就是在这种局面下随着器件技术的进步而不断发 展的。其实，早在3 0 年代，人们就已提出了逆变器的基本电路。但是，使半导 体变流器和交流传动从小功率到大功率、从实验室到产品化的过程中，以下四 种技术的出现是至关重要的：1 9 6 4 年的分谐波控制的逆变器( 即现在的脉宽调 制逆变器) 、1 9 7 3 年提出的在载波整流理论的基础上研制的所谓四象限脉冲整流 器、1 9 7 1 年提出的磁场定向控制和1 9 8 5 年提出的直接转矩控制方法( 这些将在 后面的章节中介绍) 。 7 0 年代初期，b b c 公司与h e n s c h e l 公司合作研制成功第一批采用脉宽调制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 逆变器和异步电动机的d e - - 2 5 0 0 交流传动内燃机车，紧接着前联邦德国铁路 与b b c 公司以及有关机车制造厂家相配合，又研制成功世界第一批e r l 2 0 型 交流传动电力机车，不仅从根本上消除了人们对铁路领域上不上交流传动技术 所持有的怀疑和观望态度，而且使交流传动系统的一切优越性都充分展现出来 了。这两项创举，在世界铁路部门产生了极为广泛丽深刻的影响，促使人们重 新认识三相交流传动电力机车的使用价值和经济效益。主要体现在： 优异的运行性能，它具有高起动力、大持续功率和宽恒功率区的优点： 1 显著的节能效果。由于成功地应用了四象限脉冲整流器，使得机车在1 4 额定功率以上时的功率因数接近l 。测试表明，牵引相同吨位的列车，使用交流 传动电力机车时接触网的电流要比使用传统的电力机车时低2 0 左右。 2 解决了对信号和通信设备的干扰。现代交流传动电力机车，几乎全部采 用脉冲整流器作为输入端变流装置。这不仅改善了接触网的功率因数，而且也 从根本上保证了流过接触网的电流波形不会发生明显畸变，消除了信号和通信 系统的干扰源。 3 减少磨耗，降低运营成本。省去了电刷和换向器，采用再生制动，减少 了制动闸瓦的消耗量，加之电动机轻，簧下重量大大减少，降低了轮缘和轨面 磨耗。 4 良好的可靠性和维修性。由于减少磨耗件的种类和数量，以及广泛采用 模块结构和诊断装置，提高了无故障运行的公里数。而且也缩短了检修时间， 减少了维修费用。 1 2 课题来源和内容 课题来源于湖南株洲电力机车厂与西南交通大学合作的“交一直一交型电 力机车仿真试验台”一项目，模拟仿真电力机车在各种控制条件下( 诸如牵引、 制动等) 的运作情况，观察各种性能指标参数( 诸如变压器一次侧电压，电流、 电机的电压电流、机车效率等) ，这对于电力机车的设计和运用具有一定的指 导意义。要求仿真界面友好，数据结果精确。 交一直一交型电力机车一般有以下几种机车类型： 西南窒婆查兰堕主塑窒生兰堡笙壅 蔓! 蔓 一 爿剿拌 一，冬 1 1 刁hit ( a ) 1 6 0 k m h ( 动力分散) 型 塞 7 - - 上。冬。聪 妻形下t = fc 卅习 塞乒 塞乒 ( b ) 2 0 0 k m h ( 轴控) 型 夕 i 上。l j 7 a - -t t = f c 形 乒 f e ) 2 7 0 k m h ( 架控) 图1 1交一直一交型电力机车类型 表1 1 各种机车类型参数表 机车类型 变压器中间同路逆变器电机 输出电压：7 9 0 v u d - 1 5 0 0 v损耗：3 6 k w额定电压：1 1 7 0 v 1 6 0 k n v h输出电流：6 5 0 a c d = 1 5u f容量：3 3 0 0 v 1 2 0 0 a额定功率：2 0 0 k w ( 分散) l 卸4 8 h元器件：i g b t额定转速：1 5 i7 r p m c = 5 2 5 m f传动比t9 1 1 9 输出电压：1 2 0 0 v u d - 2 4 0 0 v损耗：3 6 k w 额定屯压：1 8 5 0 v 2 0 0 k m h输出电流；6 5 0 a c d = 8 4 pf容量：3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 额定功率：3 0 0 k w ( 分散) l = o 8 7 h 元器件ti g b t c = 2 9 m f 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 u d 一2 7 0 0 v 损耗：4 8 k w额定电压：2 1 5 0 v 输出电压：1 4 7 1 v 2 0 0 k r r 妇c d - - l i2 “f容量：4 5 0 0 w 1 2 0 0 a额定功率：1 2 2 5 k w 输出电流：6 5 0 a f 轴控1l = 04 7 h元器件：g t o额定转速：1 4 4 1 r p m c = 53 m f 传动比：6 8 2 6 u d = 2 8 0 0 v损耗：4 8 k w 额定电压：2 1 8 0 v 2 7 0 k r r h输出电压：1 4 7 1 vc d = 88u f容量：4 5 0 0 v 1 2 0 0 a 额定功率：1 2 2 5 k w ( 集中架控)输出电流：9 7 4 a l = 0 4 h 元器件：g t o 额定转速：1 4 7 0 r p m c = 66 7 m f 传动比：7 5 2 9 本课题仿真的是“1 6 0 k m h 动力分散交一直一交型”电力机车，其原始数 据如下： ( 一) 机车数据： 轴重：1 65 t 持续功率：3 2 0 0 k w 恒功范围：5 25 1 6 0 持续速度：8 5 k m h ( c o ，= 2 2 74 5 ，n = 2 1 7 2 ) p k = 8 8 0 nm 最高运营速度：1 6 0 k m h 起动牵引力：2 1 5 k n ( o 5 2 5 k i n h ) 电制动：再生 最大电制动：1 9 64 k n ( 1 2 6 6 k m h ) 电制动功率：3 6 0 0 ( 6 6 1 6 0 k m h ) 列车长度：1 6 1 3 8 0 m m 车体长度：2 7 0 0 0 ( m c ) 2 5 5 0 0 ( t p m ) 车体宽度：3 2 0 4 m m 车体高度：3 9 5 0 m m 转向架中心距：1 8 0 0 0 m m 轮径：9 1 5 m m 牵引l o 级、制动l o 级( 限速1 0 级) 传动比；8 9 2 l ( 二) 脉冲整流器 输入电压：a c2 x 7 9 0 v ( 5 0 0 9 0 0 v ) 输入电流：a c2 x 6 0 8 a 西南交通大掌硕士研究生学位论文第5 页 最大输入电流：a c 2 x 6 3 3 a 最大再生电流：a c 2 x 6 6 0 a 原边功率因数：9 9 开关频率：4 5 0 h z 额定效率： 9 9 ( 三) 中间环节 二次滤波电感：d4 8 m h 二次滤波电容：55 5 m f ( 可调) 支撑电容：1 2 m f 过压斩波电阻：25 q 斩波频率：5 0 0 h z ( 四) 三相逆变器 输入电压：d c1 5 0 0 v 输出电压：o 1 l5 0 v 输出额定电流：4 8 0 a 最大输出电流：6 8 0 a 输出频率：o 1 6 0 h z 开关频率：5 0 0 h z 效率： 9 9 ( 五) 牵引电动机 额定功率：2 0 0 k w 额定频率：7 35 h z 额定电压：1 1 7 0 v 额定电流：1 1 7 9 a 额定转矩：8 8 0 n m 额定转速：2 1 7 2 r m i n 额定效率：9 3 9 8 功率因数：0 8 9 0 5 额定转差：1 5 1 最大转矩：1 4 2 4 n m 最大电流：1 6 9 a 最高转速：4 2 5 8 r m i n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 恒功功率：2 0 0 k w 恒功范围：1 3 4 1 4 0 8 8 r m i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章总体方案设计 图2 - 1交一直一交型电力机车仿真系统模块图 本课题要仿真的系统如上图所示，其中详细的主电路图由湖南株洲电力机 车厂提供，变流器和逆变器的控制部分自行设计( 详细的设计方案将在后面章节 介绍1 。为了层次分明，各个部分模块化。整个仿真系统共分为四个模块：四象 限变流器模块、中间回路模块、逆变器模块、异步牵引电动机模块，每个模块 下再构造子模块。 用于仿真的高级语言较多，根据语言的特点，列出下面三种语言作为典型 代表分析： ( 一) c 语言 c 语言灵活方便，对硬件底层开发较适用，用c 语言开发的仿真软件一般 在d o s 环境下运行，运行速度较快( 甚至可达到实时仿真的速度) ，但编程复 杂，效率低，图形用户界面不友好。 ( 二) c + + c + + 语言是一种面向对象的高级程序设计语言，它采用类和实例的概念对 程序设计模块进行了封装，大大方便了用户编程，并加强了数据的安全性。它 对用户界面编程有着很好的支持，运行速度也较快，它提供了许多常用类的类 库，但对于工程应用的常用类没提供，所以它的专业应用性不强。 ( 三) m a f l a b 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 m a t h w o r k s 推出的仿真软件m a t l a b 以矩阵运算为基础，把计算、可视化、 程序设计融合到了一个简单易用的交互式环境中，用户很容易实现工程计算、 算法研究、符合运算、建模和仿真、原型开发、数据分析及可视化、科学和工 程绘图、应用程序设计等功能。而且，m a t l a b 高版本对图形用户界面g u i ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ) 设计已经有了较好的支持，它采用面向对象技术和可视化编程， 大大地减小了用户的编程工作量，缩短了项目开发周期。本课题选用m a t l a b 高 级语言用于仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第3 章整流部分 3 1 电压型脉冲变流器的基本原理 电压型四象限脉冲整流器的基本原理如图( 3 - 1 ) 所示，储能器与直流侧负 载并联。 图3 - 1电压型四象限脉冲整流器基本原理图 如果变流器的变比为屯。，即 “。l 膏。= “( 3 一1 ) 把电源电压“，= u f ms i n 街，t z u 。l 代入上式，则得电压变比为 = 丽1 面七= 等 ( 3 _ 2 ) 在理想情况下，变流器中既没有损耗，也没储能，所以按功率平衡的概念， 可得 u e i f = “，l = u a o i 女( 3 - - 3 ) 从而求得电流变比为 。i i , e2 爸2 1 2 心嘛r ( 3 4 ) 1 1 f d ck h p 若供电网中的变流电流是纯正弦形的，并且与交流电压同相，那么交流电 流应写为 i f = i s m f t 在理想变流器的前提下，其直流功率和交流功率的平均值应当相等，即 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t0 页 且 一- u f l f2 三uf l 考虑到式( 3 - 2 ) ，得交流电流的幅值为 l 萨毛i d(3-5) 所以，变流器直流侧电流可按式( 3 4 ) 求得为 k = k i r i f = 2 1 j s i n2 f t = ，d ( 1 一c o s 2 c o f ，) ( 3 6 ) 由关系式i ! = i 。一i 。，可求得储能器电流为 i ：= i dc o s 2 c o f t ( 3 - - 7 ) 按照这个结果，储能器所接受的电流是正弦形，其频率为供电频率的2 倍， 幅值恰好等于直流侧负载电流。另一方面，在该储能器上的电压是一个纯直流 电压。所以，对于这个作为储能器的电抗两端网络来说，加在其上的直流电压 不引起电流，而流过双倍网频得交流电流也不会在其端子上引起电压。显然， 最简单的电容器和电抗器串接的谐振电路，能满足这些特性的要求。其谐振频 率必须等于2 倍的电网频率。 从以上的分析可看出，只要设计的变流器，其电流变比符合式( 3 - - 4 ) 的 要求，按时间的正弦函数变化。它与具有2 倍网频的电容器一电抗器串联谐振 电路的储能器一起，将构成前面提到的理想交一直变流器，既保证直流侧关于 平整的直流量的需要，又满足交流侧畸变无功功率尽可能小的要求。 对于变流器电流变比t 。按正弦规律变化的要求，可以类似于p w m 逆变器 的思路，通过脉宽调制的办法解决。图( 3 1 ) 所示电路可用以实现上述脉宽调 制工作方式。其中，变流器由降压变压器和不可控桥式整流器构成，两者之间 是反并联电力半导体器件组成的电子开关s ，用于控制能量的流动。当其断开 时，交流电源的功率将被送到燕流桥v d 输入端；而在其开通时，把交流电源 短接。交流功率将不会被送到整流桥的v d 上去。通过这种办法，使直流侧的 电压和电流不断在零和最大值之间变换，实现脉宽调制，使得所得到的电流变 比函数七。( 州艮好地逼近理想的正弦曲线。 在图( 3 - 1 ) 中，除了由l 2 一c 2 的串联谐振电路组成的并联储能器外，还有 一个包括电容器c d 的附加储能器。其容量要选得足够大，使它能吸收叠加的交 流分量而不引起直流电压出现大的变化。这样，甚至在交一直变流器产生的i 。中 堕壹奎塑查兰堕主堡窒竺堂焦笙窒 塑! j 里 _ 一一 包含直流分量、2 倍网频的交流分量和其它高频交流分量的情况下，变流器直流 侧的电压仍保持恒定。高频交流分量将由电容器c d 吸收。图( 3 _ 1 ) 表明，如 何通过恒定的直流电压“。与电压变比的倒数u k 。相乘来产生开关s 的端子上 电压的。图是交流侧的电压波形和直流侧的电流波形。 图3 - 2脉冲整流器交流侧的电压波形 “( ) 图3 - 3 脉冲整流器直流的电流波形 3 2 电压型脉冲变流器的主电路结构 图( 3 4 ) 表示一个电压型四象限脉冲整流器的电路。v l 、v 2 、r 3 、v 4 是 半导体元件i g b t ，v d l 、v d 2 、v d 3 、v d 4 是普通二极管，l 2 - - c 2 构成储能 ，0 o 0 o “d o d 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 器，c d 是支持电容。整个电路结构可以看成是由两象限电路插入另外一个开关 支路而构成的，为什么要增加另外的开关支路呢? 因为电感工，接受无功功率， 但它不是从交流电源取得，按任务来说，”，和i ，应当是同相位的。所以，这个 电感上的无功功率将由直流侧提供。也就是说，变流器必须具有反馈的能力。 四象限脉冲整流器能够执行脉宽调制和能量变换，即整流和反馈两方面功能。 这种整流器能够在输入电压和电流平面的四象限中工作。作为电力牵引用的变 流器，相应地实现牵引、制动状态下前进、后退四种工况。控制各开关支路的 导通或关断，实现脉宽调制和能量变换。 图3 4电压型脉冲整流器的主电路结构图 3 3 电压型脉冲变流器的电压控制方法 图( 3 - 5 ) 是常用的电压型脉冲交流器的控制框图，它能满足对脉冲整流器 所提出的关于u a = 常数和五“1 的要求。 中间回路电压的给定值“与实际值相比，其偏差通过电压调节器l 保持在允许的范围内，另一方面，这个电压调节器的输出，反映所要求的功率 变化。所以可将直流电压调节器的输出作为交流电流的给定值，二，它与函数发 生器2 的输出c o s ( t ) ，t 以及常数k 相乘，生成电流分量( ，；c o s ，f ) 和垂直网 压的电压分量( 徊，j 日；) 。在忽略变压器绕组电阻的情况下，岛= o ，那么由 上述垂直于网压的电压分量徊，盯；和网压盯，一起，按图3 - 5 ( b ) 组成电压矢 量图，并从而确定脉冲整流器的给定输入或给定参考正弦信号u ：为 u f u ：u 二 考虑到网压同步信号、漏感压降的偏差以及控制电路存在的偏差，可能导 致所得到的参考信号偏离实际情况。为此，通过给定电流与实际电流相比较和 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 电流调节器产生的信号，对给定参考信号进行修正，即 u ：l = u r u l f a u 一 ， j o 宙l f ，f 0 ， ，。 图3 5电压型四象限脉冲整流器的控制策略 a ) 原理框图b ) 向量图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 第4 章逆变器和牵引电机部分 直接转矩控制变频调速技术是一种新型的具有高性能的交流变频调速技 术。对牵引电动机的变频调速采用直接转矩控制，从而产生逆变器的控制信号， 所以逆变和牵引电机部分放在一起讨论。 4 1 异步电动机数学模型的基本方程 本节介绍在直接转矩控制分析中所采用的异步电动机的空间矢量等效电路 及其数学模型的基本方程。在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分 析方法，使问题更加简单明了。 图4 - 1 是异步电动机的空间矢量的等效电路图。 图4 1 异步电动机的空间矢量等效图 该等效电路是在正交定子坐标系上描述异步电动机的空间矢量，各量的意 义如下； “。( f ) 定子电压空间矢量； i 。( f ) 定子电流空间矢量； f ，( f ) 转子电流空间矢量； 虬( f ) 定子磁链空间矢量； ”( f ) - 专子磁链空间矢量； 国电角速度( 机械角速度和极对数的积) ； 定子电感； 。转子漏感。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 并且规定，将旋转空间矢量在口轴上的投影称为口分量，在正交的轴上 的投影称为口分量。 根据以上的规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示： i i ，= r ，。+ 儿 ( 4 一【) 0 = r i ? 一v ? 十j ( 1 ) 甲? 定子磁链与转子磁链由下式获得： y = l i p 中，= v 。一l ，i ， 定子旋转磁场提供的功率如下： 牙吾r 盛i ) 式中c o , 。为定子频率( 定子旋转磁场的频率) 。 且 y 。= ；l ( i 。+ j i 印) 由此方程可得出下面两个方程式： y = 一，l i 朋= 一，| i f ，印 和 矿叩= 翻，l i f 。= ，5 c ， 将式( 4 - 7 ) 和式( 4 - 8 ) 代入式( 4 5 ) ，得转矩 ( 4 - 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 4 ) ( 4 - 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 乃2 三( o 一j ( 4 - 9 ) 如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变为简明的形式。由 i ，= i 。+ f ， ( 4 一l o ) 和式( 4 3 ) 和( 4 - 4 ) 可得 乃= i 1i 3 ( | ；f ，舻i i c ，。一矿，。y 啊) ( 4 一l 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 该公式表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积，也可以写成如下形 式： 巧= 了l i 3l y 。0 y ，f s i n 0 ( 4 一i 2 ) l 口 式中臼定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁链角。 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而 转子磁链幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可通过改变磁链角 来实现。转子磁链可以根据式( 4 - 2 ) 通过改变转子电流来实现。而定子磁链可 以根据式( 4 - 1 ) 以定子电压的积分来改变。稳态转矩的计算则是( 4 - 1 2 ) 通过 对转子磁链与磁链角o ( t ) 的计算来完成。 4 2 异步电动机的磁链模型 本节讨论异步电动机的三种磁链模型：犷j 模型、卜力模型和r 月模型，并 提出其中最好的方案。 ( 一) 俨j 模型 根据式4 - 1 3 来确定定子磁链的方法叫扩j 模型法，其结构如图4 2 ： 图4 - 2 定子磁链的“模型 ( f ) = j ( 甜。( r ) 一f ，( ，) j r 。) 以 ( 4 1 3 ) 其优点是简洁：确定定子磁链只需要电动机的定子电阻即可，式中的定子 电压地( 幻和定子电流f ，( ，) 同样也是易于确定的物理量。缺点是由于定子电阻 矧的存在会带来误差，特别是在低速时，误差的影响就很明显。所以，在3 0 额定转速以上时，采用驴j 模型法，该方法结构简单，精度高，优于其他方法。 ( 二) f 印模型 由定子电流与转速来确定定子磁链的方法称为j 灯模型法，它根据图4 - 3 和以下方程组建立： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 a2 去以乒一w j l 矿。= 鲁( 训叫唯 y 印2 壶u 以叫巾， 以= 尝( ”，。 图4 - 3 定子磁链的i - n 模型 与俨模型相比，j 啊模型中不出现定子电阻尼，也就是说不受定子电阻 变化的影响。但是j 叻模型受转子电阻尼、漏电感。、定子电感变化的影响。 此外j 功模型还要求精确地测量角速度u ，u 的测量误差对卜灯模型的结果影 响很大，只适用于低速范围。 ( 三) u 功模型 功模型由定子电压和转速来获得定子磁链，它综合了犷j 模型和j 啊模 型的特点，其结构如图4 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 图4 - 4 定子磁链的u n 模型 u m 模型所用到的数学方程式如下： 转子方程： # ，：当( y ，一少，) + 归y ， d 口 定子方程： v 。= h 。一 。r s 磁链方程： = f f y ，= y 。一l ，f ， u n 模型综合了犷j 模型和j 功模型的优点，又很自然地解决了切换问题。 高速时，电动机模型实际工作在矿j 模型下，磁链实际上只是由定子电压与定 子电流计算得到。由定子电阻误差、转速测量误差以及电动机参数误差引起的 磁链误差在这个工作范围内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在j _ 灯 模型下。 4 3 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制的主要原理是根据磁链、转矩的状态，选择逆变器开关状态， 形成优化电压矢量，把磁链和转矩控制在一定容差范围内，从而达到对磁链与 转矩的直接、闭环控制的目的。该控制方法具有控制原理简单、转矩动态响应 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 快、需要的传感器较少等特点。图4 5 是其基本结构的原理框图： 图4 5 直接转矩控制的基本结构图 图4 - 5 中，各单元的意义为 a z s 零状态选择单元； d m c 磁链自控制单元； u c t 坐标变换器； a 删异步电动机数学模型； a t r 转矩调节器； a m c - 一转矩计算单元； 如图4 5 所示，“磁链自控制单元”d m c 的输入端是定子磁链在三相坐标 系上的三个分董y 舶、矿辟、y 庳。d m c 的参考比较信号是磁链给定值，通过 d m c 内的三个施密特触发器分别把三个磁链分量与5 f ，。相比较，在d n i c 输出端就 得到三个磁链开关信号i 万、i 瓦、i 瓦。三相磁链开关信号通过开关s 切换， 得到三相电压开关信号：s u c 、可、甄。图4 - 5 中的电压开关信号甄、 s u a 、瓦i 经反相后变成电压状态信号s u 。、s u 。、s u 。，就可直接去控制逆 变器u i ，输出相应的电压空间矢量，去控制产生所需的六边形磁链。 卢的磁链分量y 矿1 l i ，母、矿肛可通过坐标变换单元u c i 的坐标变换得到。 u c t 的输入量是定子磁链在口一坐标系上的分量虬和，u c t 的输出量就是 三个磁链分量。u c t 单元的输入量和输出量之间的关系，也就是口一坐标系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 和口三相坐标系之间的变换关系为 妒= 妒8 i1 y 膨2 一t 妒a j y 口 il y 肚2 丁y a j y p ( 4 一1 4 ) ( 4 - 1 5 ) ( 4 一1 6 ) 定子磁链在口一坐标系上的分量、y 。可以由磁链模型单元枷f 得到。 a 瑚的输入量是定子电动势在口一卢坐标系上的分量e 。和e 。，则删的输出量和 输入量之间的关系，也就是磁链模型，可由下式通过积分得到： 缈。= i d t = f 。一，。尺。坤 ( 4 1 7 ) 2 je , d t = i ( “口一f d r 瑚( 4 - 1 8 ) 式中的”。、可通过检测三相定子电压“。、”。经3 2 变换得到，式 中的和f 。可直接测得。 转矩的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制。要改变定子磁 链沿轨迹运动的平均速度，就要引入零电压空间矢量来进行控制。零状态选择 单元a z s 提供零状态电压信号，它的给出时间由开关s 来控制。开关s 又由转 矩控制调节器a t r 的输出信号“t q ”来控制。转矩调节器的输入信号是转矩给 定值t 。和转矩反馈值丁f 的差值。转矩调节器a t r 实际上是一个施密特触发器( 见 图4 - 6 所示) ，它的容差为f 。它对转矩实现两点式调节： 图4 - 6 转矩两点式调节器 当转矩实际值和转矩给定值的差值小于一s 。时，即0 - r , + s 时，a t r 的输出信号“t q ”变为“0 ”态，控制开关s 接通零状态 单元a z s 提供的零电压信号，把零电压加到电动机上，使定子磁链停止不动， 磁链角0 减小，该过程即是“转矩直接自调节”过程。通过直接调节作用，使 电压空间矢量的工作状态与零状态交替接通，控制定子磁链走走停停，从而使 转矩动态平衡保持在给定值的f ，的范围内，如此既控制了转矩，又形成了p w m 的调制过程。转矩实际值是由转矩计算单元a m c 根据式( 4 - 9 ) 计算得到的。a m c 的输入量是a m m 的输出量y 。和y 。以及被测量j 。和i 。 4 4 低速、中速和高速弱磁范围内的调节方案 按照不同的转速范围，划分工作区域， 工作特点的不同，可将转速分为三个区域： 围。 确定相应的调节方案很重要。根据 低速范围、中速范围和高速弱磁范 ( 一) 低速范围的调节方案 低速范围是指3 0 额定转速以下的转速范围。在这个范围内，由于存在转 速低，定子电阻电压降影响大等特点，会造成一些需要解决的问题：如磁链波 形畸变，在低定子频率乃至零频率时保持转矩和磁链基本不变等等，为此要求 在控制方法上做相应的考虑。 低速范围的调节方案有如下特点： 用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩： 为了改善转矩动态性能，对定子磁链空间矢量要实现正反方向变化 控制； 转矩调节器和磁链调节器的多功能的协调工作； 用符合比较器确定区段； 调节每个区段的磁链量； 圆形磁链轨迹与六边形磁链轨迹，圆形磁链轨迹用于1 5 r l 。以下范 围，六边形磁链用于1 5 n 。3 0 n 。范围； 每个区段上有四个工作电压和两个零电压状态的使用与选择； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 低速范围的控制方案与高速相比，其不同点主要是体现在磁链调节器上， 其结构如图4 7 所示。 图4 7 带有计算切换的三点式隘链调节器 图4 - 7 带有六边形磁链和圆形磁链转换功能。当开关s 在位置2 时，执行 六边形磁链方案。此时磁链给定值与六边形磁链的模相比较。当开关s 在位置l 使，执行圆形磁链调节方案。此时磁链给定值的平方的k 倍与圆形磁链的模的 平方相比较。系数k 的值为 r ，一1 2 k ：i 耸i ：l1 0 8 7 3 l 矿j 开关s 的切换值为1 5 n 。：小于1 5 n 0 时执行圆形磁链轨迹调节；大于1 5 时执行六边形磁链轨迹调节。磁链调节器为三点式调节器，根据y ( f ) 信号所 处的区间范围，调节器的输出帕有三个值：+ l 、一1 和o 。 磁链开关信号帕与所需电压状态的关系如下： = 一l 时，接通一6 0 0 电压； l 幻= 1 时，接通+ 6 0 。电压； 洲，= 一1 时，接通零状态电压。 转矩调节器和磁链调节器的协调关系关系如下：由转矩调节器决定应接通 的是工作电压还是零状态电压，在接通工作电压的时间内，再来选择应接通0 0 电 压，或一6 0 0 电压还是+ 6 0 0 电压。 ( 二) 中速范围内的调节方案 中速范围是指从3 0 n 。到额定转速之间的转速范围，其基本结构如图4 8 所示。中速范围内的调节方案有以下特点： 用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩。电动机模型的主要工作在u i 模型下，且有模型电流和实际电流相比较的电流调节器来补偿校正； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 用磁链自控制环节内的施密特触发器来确定区段； 转矩两点式调节； 磁链两点式调节； 六边形磁链轨迹。 在这个转速范围内工作的直接转矩控制控制，主要由磁链自给定环节和转 矩两点式调节器起作用。磁链自控制环节给出正确的区段，转矩两点式调节器 控制转矩。由于这个转速范围内的转速较高，因此定子电阻压降的影响可以忽 略，定子磁链的畸变也可以忽略，六边形磁链能得到很好的保持，因此磁链调 节器只是超辅助作用。 图4 - 8 高速范围内调节方案的基本结构方框图 磁链自控制单元发出正确的磁链开关信号j 啤6 c ，以确定正确的区段。正 反向选择单元根据p n 信号控制正反转。转矩两点式调节器调节转矩，输出转 矩开关信号t q 控制开关选择单元，t 接通工作电压或零状态电压，输出正确的电 压开关信号s u a b c ，以得到正确的电压空间矢量。转矩调节器的容差f 。的大小 由开关状态的输出来控制，以控制开关频率。开关频率的反馈信号由开关状态 s 。构成。电动机模型的输入量是转速n ，电流i ，。、0 和电压。、“印。电流i 。、 f 。通过检测定子三相电流并经“3 z ”坐标变换器变换得到。电压”，。、 ，。由开 关状态信号s 。和直流侧电压。经逆交器模型单元a i m 构成。 ( 三) 高速弱磁范围内的调节方案 高速弱磁范围工作的特点：一是转速的提高，靠的是磁链给定值的减小， 即稳态弱磁；二是转矩的调节不是靠工作电压和零状态电压交替工作把转矩限 制在容差范围内，而是靠六边形磁链给定值的动态变化调节，转矩的脉动频率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。 弱磁范围内的调节方案有如下特点： 用电动机模型测量、计算磁链和转矩； 用磁链自控制环节确定区段； 六边形磁链轨迹； 用功率调节器实现恒功率调节； 通过改变磁链给定值实现平均转矩的动态调节； 每个区段上用一个工作电压状态。 在弱磁范围内，转速调节器给出的转矩给定值作为功率给定值来工作。图 4 - 9 是弱磁范围功率调节器的原理图。 图4 - 9 弱磁范围功率调节器的原理框图 由电动机模型得到的转矩t f 和检测得到的，可以计算得到功率实际值p f 。 功率给定值和实际值比较后，输入到p i 调节器，功率调节器的输出作为磁链给 定值矿。当转速在基速以上的弱磁范围内升速时，功率调节器就自动调节，改 变磁链给定值的大小，使得在稳态工作点下转矩减d , n 原来的1 n ，以保持功率 恒定。 4 5 逆变器的开关状态和电压状态 逆变器如图4 - 1 0 所示，上下臂开关互为反向，即一个接通，另一个关断， 所以三组开关共有8 中开关组合。若逆变器a 、b 、c 三相负载的定子绕组接成 星形，其输出电压的空间矢量定义为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 ；( f ) = 要k 。+ 甜6 p 弘”门+ 甜。p p 仃j j 其中“。、蚝、“。分别是三相定子绕组的相电压。由此式z i 逆变器各种开 关状态对应的输出电压空间矢量，在三相a b c 坐标系上的矢量图如图4 一l l 所 示，其对应关系如表4 1 所示。 s ! t * i 陋趟 4 b - 奏0 、s z 图4 1 0电压型理想逆变器图4 l l 电压磁链空间矢量的关系 表4 - 1 逆变器的电压状态与开关状态的对应关系 状工作状态 零