（电力电子与电力传动专业论文）具有电制动功能矿用变频电机车驱动系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t a cd r i v e rs y s t e mw i t he l e c t r i cb r a k i n gi sw i d e l yu s e db ye l e c t r i cl o c o m o t i v e i nc o a lm i n ea b r o a d h o w e v e ri ti sr a r e l ya p p l i e db yt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ei nd o m e s t i cc o a l m i n e s o m er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nh a sb e e nc o n d u c t e dj u s ti nv i e wo ft l l i sp r o b l e mi nt h i s t h e s i s ，a n df r o mt h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n g l e ，aa cd r i v es y s t e mw i t he l e c t r i c b r a k i n ga p p l i e dt oe l e c t r i cl o c o m o t i v ei nc o a lm i n eb a s e do i ls l i pf r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o l t h e o r yi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dw h i c hi sd e s i g n e df o rad s pc o n t r o l l i n g t h ed e s i g n i n go ft h em a i nc i r c u i t t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o lc i r c u i ta l e a l lp r e s e n t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r a ne m u l a t i o nm o d e lo ft h ea cd r i v es y s t e mb a s e do n m t l a b s i m u l i n ki sr e a l i z e d t h ec o m p l e t es e ti sd e s i g n e df o ri m p l e m e n t a t i o ni nt h e e l e c t r i cl o c o m o t i v eo fp u r ee l e c t r i cb r a k i n g ，s i n c ee l e c t r i cb r a k i n gh a su n p a r a l l e l e d a d v a n t a g e si nc o m p a r i s o nw i t hm e c h a n i c a lb r a k i n ga n da i rb r a k i n g t h i sp a p e rm a k e sa n o v e r a l la n a l y s i st h eb r a k i n gt h e o r yo ft h r e ed i f f e r e n tk i n d so fe l e c t r i cb r a k i n gu s e di na c d r i v ev e h i c l e s t h ea p p l i c a t i o na r e a sa n dt h ee f f e c t st e s t e di np r a c t i c a lu s e s ar e s i s t a n c e e n e r g yl o s sb r e a k i n gc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d d cb r e a k i n ga n df e e d b a c k b r e a k i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d 、舳e ni n v e r t e re l e c t r i cl o c o m o t i v eu s e di nc o a l m i n ew o r k si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s h o wt oc o m b i n et h et h r e ee l e c t r i cb r a k i n g so r g a n i c l y t h e v a l i d i t yo ft h em e t h o d si st e s t e da n dv e r i f i e dt h r o u g hs o m ea n a l y s i s t h e ns o m er e s e a r c h a b o u tt h es m o o t h n e s so fb r a k i n gh a sb e e nm a d e b o t ht h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t s b r a k i n ga p p l i e dt oe l e c t r i cl o c o m o t i v ei nc o a l t h e o r yi ss t a b l ea n dr e l i a b l e i n d i c a t et h a ta cd r i v es y s t e mw i t he l e c t r i c m i n eb a s e do ns l i pf r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o l k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；v e c t o rc o n t r o l ；s l i pf r e q u e n c y ；e l e c t r i cb r a k i n g ；r e s i s t a n c e e n e r g yl o s sb r e a k i n g ；d cb r a k i n g ；f e e d b a c kb r e a k i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊迸) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二斗芈师签名： 日期：砭互钎， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工矿电机车电力牵引调速及制动方式发展状况 随着经济的高速发展，我国对能源、矿产资源的需求量与日俱增，然而在开采过程中，运输设 备的运输能力是影响产量的一个极其重要环节。在我国现阶段，国内工矿电机车电气控制系统大部 分采用直流传动技术，控制方式仍显落后，调速器结构复杂，在触头开关状态下频繁动作，从而造 成触头接触不良、噪卢大、器件使j j 寿命短、维修量大，且由于调速是带电阻运行，造成电能的极 大浪费，其高昂的运输成本和严重的安全隐患已成为进一步提高产量的瓶颁。尤其在窄轨牵引运输 领域交流电传动电气控制技术的应h j 更是贫乏。 同时制动方式落后，目前很多工矿电机车采用空气制动系统，空气制动普遍存在着严重漏气， 在运行中气动原件故障率高现象。安全问题不容忽略。而国外通常采用电制动。 随着电力电子技术的不断发展，近几年新型功率器件如门极关断品闸管( g t o ) 平1 1 绝缘栅双极品 体管( i g b t ) i 钓出现和自动控制技术的不断提高使得变频调速技术得到了广泛应用。特别是人功率器 件应州技术的完善，使得煤矿电机车由直流驱动向交流驱动转变成为现实。目前，在电力牵引领域 已经越来越多地使用交流驱动系统，这已成为衡量电机乍是否达到现代化标准的重要标志【ij 。在我 国城市地铁都要求交流传动，铁道部对干线电力机车也提出在2 0 0 8 年前完成从直流传动向交流传动 转换的要求。现在中国已经山现了一系列“和谐号”电力机车，都采用当今最先进的交流传动。制 动方式也更加先进，制动时采朋电制动与空气制动联合作用的方式，且以电制动为主。 以上提到的最新成果也是新一代窄轨下矿电机车的发展趋势。为了提高我国煤矿生产、运输装 备技术水平，新型、高效、可靠的带电制动功能的矿用交流传动电力机车的应用技术研究和产品开 发是必要、可行的。 1 2 矢量控制及电制动在工矿电机车电力牵引系统中的应用 异步电动机与直流电机相比具有：体积小，重量轻，在转向架中有限的安装空间内可以设置更大 的功率，既提高了单轴功率( 单轴功率可达1 8 0 0 k w ) ，又减轻了簧下重量，降低了轮缘磨损；结构简 单可靠，无电刷和换向器，没有了由机械换向器造成的磨损，延长了电机的使用寿命；机械特性陡 峭，便于制i ：空转和打滑等等。 交流电机的控制方式也经历了基于交流电机稳态模型的速度开环的恒压频比控制到速度闭环的 转差频率一电流控制，到基于电机动态特性的矢量控制和直接转矩控制。 矢量控制，在国际上般被称为磁场定向控匍j ( f o c ) ，亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准 方向，电机电流矢量的大小、方向均刚瞬时值来表示。矢量控制应用坐标变换将三相静止系统等效 为两相静止系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量和转矩分量之间 的解耦，从而实现对交流电机的磁链平| i 转矩分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电机等效 为直流电机来控制，冈而获得与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流传动的新时代。 操作控制和原动力都用电的制动方式称为电磁制动，简称电制动【2 1 。电制动主要包括电阻制动、 直流制动和同馈制动三部分。矿用电机车的制动与其牵引比较起来同样重要。而电制动性能的好坏 又直接关系到施一i ：的安全与快捷。在机车重载卜坡时可能经常出现高速运行其惯力往往要远远超过 机车本身所具备的牵引动力。因此在这样一类的工况下。给机车安置一个较为完整的电制动电气结构 并实施可靠的电制动是抑制机车高速并吸收其高速下强大动能的有效方法。在机车的快速行驶过程 中，电制动与闸瓦制动比较起来，电制动还有不使机车车轮抱死的突出优点，是一种既安全义高效率的 机车制动p j 。目前我国各种型号的高速动车组采h j i 的制动方式也是电制动，因此电制动将成为朱来 电机车制动方式的发展方向并获得广泛应用。 东南大学硕七学位论文 1 3 课题背景和主要研究内容 针对上述行业难题和未来技术发展方向，本课题研究的目的和意义在于，依托电力电子、微电 子技术、计算机技术的强大支持，采用当今最先进的矢鼍控制变频调速技术设计牵引变频器对电机 车进行技术改造，以彻底解决直流电动机损坏率高、触头式调速器维修量人、降压调速电阻耗能高、 空气制动故障率高等问题，从而进一步提高电机乍的运行质量和效率。 本课题研究的内容是南京杰率科技有限公司的6 0 k w 矿川变频电机乍项目的一部分，对驱动部 分和制动部分进行改造。项目要求设计的矿用电机车的驱动系统即牵引变频器具有完善的牵引性能、 设计为具有速度反馈和电流反馈的双闭环基于转差频率矢量控制系统，使该类牵引变频器具有较高 的动态性能。同时要求实现电制动功能。 主要内容如f ： 1 介绍了煤矿电机车发展现状以及与本课题相关的技术发展动态。 2 三相异步电机变频调速和矢量控制系统，简述了矢量控制概念、基本思想。结合此次设计性 能的要求，选择了基于转差频率矢量控制算法，对此控制结构进行分析。而后对电压空间矢量 ( s v p w m ) 控制原理及d s p 如何实现进行论述，介绍了七段式的电压空间欠量算法的原理。最后 对基于转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。 3 现在大部分电机车还是使用传统的机械制动和空气制动，但电制动有比机械制动和空气制动 无可比拟的优势，电制动又分成电阻能耗制动、直流制动和同馈制动三种形式。其中采用电阻能耗 制动方式，电路简单同时价格较低。直流制动能够保证电机车实现快速制动，又能实现准确停车。 并防止低速爬行现象。采h j 同馈制动，是一种非常有效的节能方法。本次设计的目的是争取实现纯 电制动，所以对此部分进行重点论述，从原理、各自优缺点等方面对三种电制动方式进行对比分析 研究。 4 论述了整体系统结构的实现，包括硬件电路的设计和软件实现。实现了一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的转差频率矢量控制系统小功率牵引实验平台结构的搭建。 5 对能耗制动电路进行设计，对直流制动利同馈制动进行研究和做了一些仿真：i = 作。结合实际 矿井工况条件，对三种电制动功能如何有机结合j 【j 作、制动平滑性、特殊情况处理和实际怎样设计 电机车的制动功能进行了分析研究。在实验室小功率牵引平台上做了一些实验，得出了一些实验结 果，结果与理论相符合。 最后，对全文进行总结和展望。 2 第二章转差频率矢量控制系统原理 第二章转差频率矢量控制系统原理 在感应交流电机调速系统中，采用恒压频比的方式进行开环控制的方法，实际上只控制了电机 的磁通而没有控制电机的转矩，只适j j 于风机之类基本稳定、而且对调速性能要求不高的场合。转 差控制推导出电机的转差频率和稳态转矩之间的关系，可在一定的转差范围内控制电机的电磁转矩， 从而改善系统的调速性能，但转著控制基于电机的稳态模型，没有考虑电机瞬态过程，其动态性能 也不理想。矢量控制系统对负载突变情况具有快速反应能力，使电机获得良好的动态性能【4 5 6 j 。本 章讲述了矢量控制基本原理、研究了矢量控制中的转差频率矢鼍控制系统，因为采川转差频率矢量 控制基本能满足矿用变频电机车驱动系统设计性能的要求。分析了空间电压矢量( s v p w m ) 的原理， 最后对基于转差频率矢量控制系统方案进行了仿真分析。 2 1 异步电机矢量控制原理 交流异步电动机是高阶、非线性、多变量、强耦合的时变参数系统，对异步电动机直接实施控 制很难达到直流电机的控制效果。异步电动机矢量控制的基本思想就是把异步电动机的控制模拟成 直流电动机来控制。通过坐标系之间变换的方法，将定子电流分解为互不耦合的励磁电流分量e 和 转矩电流分量，进行分别控制，使感应电机能像他励直流电机一样容易控制。 异步电机矢量控制原理涉及到对异步电机数学模型和坐标变换的分析，这部分理论已经相当成 熟，在此不做过多分析和研究。只大概介绍一下。具体可以看参考文献1 4 7 8 j 。 异步电机矢量控制方式有转子磁场定向矢量控制，还有转差频率矢茸控制、气隙磁场定向矢量 控制、定子磁场定向欠量控制、定子电压定向矢量控制等1 9 j 。其实转差频率矢量控制属于是按转子 磁场定向矢量控制的一种。因为根据转子磁链以位置角秒推算法，即是否进行转子磁链的反馈控制 及其测鼍或观测，异步电动机按转子磁场定向矢量控制可分为直接型( 磁通检测型、磁通反馈型) 和间接型( 转差频率控制型义称为磁通前馈型) 。间接磁场定向控制采用磁链开环控制，在磁通运 行过程中不检测转子磁链信号，系统结构简单。采用转差频率矢量控制基本能满足矿用变频电机车 设计性能的要求，因此以下重点对转转差频率矢量控制系统的原理进行介绍。 2 1 1 转差频率矢量控制系统 又称为间接转子磁场定向矢量控制系统。该控制原理的出发点是，异步电机的转矩主要取决于 电机的转差频率。在运行状态突变的动态过程中，电机的转矩之所以出现偏差，是因为电机中出现 的暂态电流，它阻碍着运行状态的突变，影响了动作的快速性。如果在控制过程中，只要能使电机 定子、转子或气隙磁场中有一个始终保持不变，电机的转矩就和稳态：【作时一样，主要有转差率决 定。按照这个想法，在转子磁场定向矢量方程中，如果仅考虑转子磁通的稳态方程，同时冈为要使 磁场定向控制具有和直流调速系统一样的动态性能，在调速过程中保持转子磁链痧恒定( 在这里说 明一点调速分基频以下和基频以上调速两种，即分别对应恒转矩调速和恒功率调速，在恒转矩特性 区域，转子磁链谚是恒定的，此次只涉及恒转矩特性区域的设计) 这样就可以从转子磁通直接得到 定子电流d 轴分量的给定值，再通过对定子电流的有效控制，就形成了转差矢量控制，避免了磁通的 闭环控制。 这种结构比较简单，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平，得到了 较多的推广应用。 带直流控制环电压源型的转差频率矢量控制系统结构如图2 1 所示。具有这种结构的控制系统 是通过3 d - q 变换把电机三相实际电流变成直流电。、乞，再与控制器的指令值e 。、比较， 用p i 控制产生直流电压指令值“：。、虻，再通过d - q 3 反变换，输出三相交流电压指令值”：、“：、 3 东南大学硕士学位论文 ”；。在我们此次设计的基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 系统中，只要使嵋l 、u q i 经d - q a b 旋转变换为“：l 、 刍，进入f 2 8 1 2 的事件管理器( e v ) ，直接转换成空间电压矢量( s v p w m ) 对p w m 电压型逆变 器的开关进行控制。进而通过功率驱动电路对电机进行控制。同时此次所用的y 型接法的感应电机 三相定子电流之和为零，因此实际电路只需要检测其中两相，另一相可通过计算得到。 图2 1 带直流控制环的转筹频率欠量控制系统结构图 从图中我们可以看出，这种方法不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，同时转差频率矢量控 制系统是在d - q 旋转坐标系卜推算转子磁链的位置角口，具体推导过程这里不再论述，用转差频率 西和量测的转子转速缉相加后积分来估计转子磁链谚的位置角矿，具体公式如下： 缈：生 ( 2 1 ) q 。子l g i 【2 1 ) d l 其中c 为矢量控制中的励磁电流的指令值，为一恒值。矿= r 厶，其中足为电动机转子电 阻；厶为转子等效电感。 矿= i ( 俎+ 矿) d r ( 2 2 ) 有的文献指出采用直流电流控制环的矢量控制系统其高速动态响应性能要比采用交流电流控 制环的矢量控制系统优越，尤其在高频区域更为突出。其原因是，由于交流电源电压的变动等原因， 实际的电压型逆变器输出电压卜降；在采用交流电流控制环时，存在频率特性问题。在高频输出时， 由于受功率器件开关频率、电流传感器的低通滤波器、速度传感器以及其它非线性器件的影响，从 而使实际交流电流与直流值发生相位不一致的情况。例如，在工作频率f = 5 h z 时，实际值与指令值 相位几乎一致；但在f = 1 2 0 h z 时，实际值比指令值相位将要滞后2 0 电角度，不能实现理想电流控制， 控制特性变坏。要解决这个问题的最有效办法是采用图2 1 所示的直流电流控制环。这是因为在稳 定时直流电流调节器p i 控制的艺、l ：i 为直流量，不存在电流闭环的频率特性问题。但该方法不足 之处在于更依赖于电机参数的准确检测，当参数出现时变或不确定时，系统动态性能大受影响。 2 2 空间电压矢量( s v p w m ) 基本原理【l o - l l l 上节讲到电压指令信号“：、“：要进入f 2 8 1 2 的事件管理器( e v ) ，转换成空间电压矢量 ( s v p w m ) 对p w m 电压型逆变器的开关进行控制，以下对s v p w m 的原理进行论述。s v p w m i i p 空 间电压矢量p w m 法，和电压正弦p w m 不同，它是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值 恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准， 用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的 开关状态，形成p w m 波形。现在s v p w m 已经发展成为一种希i s p w m 并行的p w m 调制技术。实际上， s p w m 是基丁二时域面积的等效，而s v p w m 是基丁空间旋转矢量的等效，空间久量投影a b c 坐标就变 成了时域信号，因此两种p w m 方式存在必然的联系，在一定条件下两者可以相互等效。可以证明电 压空间矢量脉宽调制技术可以等效为注入一定零序分量的止弦p w m 。 4 第二章转差频率矢量控制系统原理 由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单，并具有转矩脉动小、噪 声低、电压利用率高的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环控制系统中均得到厂。泛应用。 【 【 l 1 一 一 、_ 一5 dl 、i s q “、 z r u “ 、c 一 v _ 以 w 一【 s 一【 s q k 一 zzz q 2 i l 图2 2 三相电压型逆变器主电路图 上图2 2 是一个典型的电压型p w m 逆变器主电路图。当上桥臂开关管导通时相应的下桥臂开关 管截i = ，上桥臂开关管截i ：时相应的。卜桥臂开关管导通。设当上桥臂开关管导通时对应的开关量为l ， 关断时为0 。因此，电压犁逆变器六个开关管共有八个开关状态。即u o ( o o o ) 、u o o o ) 、u 2 ( i1 0 ) 、 u 3 ( o l o ) 、u 4 ( o l1 ) 、u s ( o o o 、u 6 ( 1 0 i ) 和u 7 ( 11 1 ) 共八种开关状态，也就形成了八种基本电压空间矢量， 其中u o ( o o o ) 雨i u 7 ( 11 1 ) 两种开关状态使逆变器输出电压为零。 s v p w m 甚i 电压空间矢量控制算法的原理就是利用三相逆变器六个开关元件的通断所形成的八 个空间电压矢量的线性组合来逼近实际的电机圆形气隙磁通。以f 对s v p w m 的产生原理进行分析， 将在软件设计部分给出具体流程1 1 5 i 。 若以u o c 为基准，则对于每种状态组合逆变器的输出相电压和线电压的对应关系如表2 1 所示。 表2 1 三桥臂的开关状态与相电压和线电压的对应关系 abc u bu cu a s u r i cu c a oooooo0oo l0o2 啪 一u o c 3 - u o c l 3u o c o- u o c llo u o c 3 u o c 32 d 3 0 u o c u o c ol0 一u o c 32 d 3 - u o c 3u o cu o c 0 oll - 2 3u o d 3u o c 3一u o c 0 u o c 0ol - u o c 3一u o c 32 d 3 o - u o cu o c l0l u o c 3- 2 u o d 3u o c 3u o cu o c 0 llloo00oo 对于图2 - 2 所示逆变器主电路( 三相负载的定子绕组接成y 形) 来说，在a - b 平面直角坐标系 中与输出的三相线电压相对应的分量可以由以下公式表示： i 虬= l = ( 2 + 叽) 4 3 式( 2 3 ) 用矩阵形式表示如下： 哥吾 4 一一三一三 。孚一笪22 ( 2 4 ) 通过式( 2 4 ) 将相应于表2 1 中的八种组合的相电压映射到两相静止的口书平面直角坐标系中，得 到六个非零的基本电压空间矢量( 阢) 和两个零电压空间矢量( u o 、协) 。六个非零基本电压 矢量的幅值为2 u o c 3 ，它们构成正六边形的轴线，其夹角为6 0 。，两个零电压空间矢量位于坐标原 点。图2 3 给出了基本电压矢量分布及合成欠量原理，其中为参考电压欠量。 5 东南大学硕士学位论文 u 、( 0 1 1 u 5 ( 0 0 1 ) u 6 ( 1 0 i ) l 卜0 0 ) 口 图2 3 基本电压矢量分布及合成矢量原理 空间矢量p w m 技术的目的是通过与基本的空间欠量对应的开关状态的组合， 定子参考电压矢量，其旋转的角频率就是输出正弦电压的角频率。 利用在两个相邻的1 f 零基本电压欠晕研、奶之间时来说明其合成原理， 倍的叻与乃饰聊倍的奶的矢量和，矢量合成公式为： 得到一个给定的 = u i + u 2 ( 2 5 ) p w mj j p 腑， 五：业s i l l ( 要一 (26)r v d c j 正：! 型堕! 圣! s i l l 晓 ( 2 7 ) u d c 其中，乃、乃分别是、奶的作用时间，昂聊是的作用时间，也即是载波周期，母为输 出参考电压矢量相角。按照这种方式，在下一个耳删周期，仍然用奶和踢的线性时间组合，但作 用时间发生改变，而且必须保证所合成的新的电压空间矢量u 与原来的电压空间矢量的幅值 相等。如此下去，在每个昂删周期，都改变相邻的基本电压矢量的作刚时间，并保证合成的电压空 间欠量的幅值相等，因此当昂删足够小时，电压空间欠量是一个近似圆形的正多边形。 2 3 电压空间矢量s v p w m 算法d s p 的实现 s v p w m 的d s p 实现主要分两个部分：一是各空间矢量作用时间的计算与分配，二是各空间矢量 的切换。d s p 可以通过软件程序计算出对应时刻的参考空间矢量哳在的扇区，得出相邻的两个非 零空间矢量u 。、u 川，并通过矢量合成、均分零矢量方法计算两相邻空间矢量的作用时间，将它 们放到相应的比较器中，通过定时计数器与比较器的比较输出实现切换。具体的实现可以分为以下 四步： l 、判断参考电压矢量所在的扇区 在图2 3 中，由六个非零基本电压矢量把逆变器的一个工作周期划分成的6 个区域称为扇区 每个区域对应。卟扇区号( 图中用i 、i i i 、v 、表示) 。只有确定扇区号，才能用相应的 基本电压矢量去合成参考电压矢量u 驴 已知参考电压矢量在a - b 坐标系的分量为砺、，则先用下式计算出b o 、b ，、b 2 ： f 岛2 蜀= s i n 6 0 。- - s i n 3 0 。 ( 2 8 ) l 最= 一s i n 6 0 0 以- - s i n 3 0 。u 口 然后用下式求p 值： 6 第二二章转差频率矢量控制系统原理 p = s i g n ( b o ) + 2 j 初( 蜀) + 如忉( 岛) 式中s i g n ( x ) 是符号函数，如果x 0 ，s i g n ( x 户l ；如果x f 石删= 石t ，。( 正+ 互) 五删= 五7 ( 五+ 互) ( 2 1 1 ) l 2 ：= 2 ：删 【互= 互删 计算零电压矢量作用的时间：r o = 一石一互。对每个电压空间矢量p w m 波的零矢量分割 方法不同，以及对非零基本矢量的选择不同，会产生不同的电压空间矢量p w m 波。考虑的因素主 要是输出电压的谐波和一个开关周期中开关切换的次数。相关文献论述有六种典型的空间矢量序列， 相关分析及其性能对照表可参考相应文献【1 2 】。本文采用七段式电压空间矢量p w m 波形，本方法在 每个p w m 波输出时只使功率开关管开关一次，任意一次电压空间矢量的变化只有一个桥臂的开关 管动作，大大减少了开关损耗。 3 、计算占空比 i 正加= ( 耳删一互一t ：) 4 = 毛n + t , 2 ( 2 1 2 ) 【= k + 互2 4 、根据所在不同的扇区，将占空比t 枷、疋。分别按照表2 5 赋给d s pe v a 单元的c m p r l 、 c m p r 2 、c m p r 3 z 个比较器中。通过比较输出六路开关信号，控制逆变桥中开关的通断，产生 s v p w m 波。 表2 5 电压参考矢量所在扇区与占空比的对应关系 7 东南太学碰十学位论文 旦堕呈【1 1 1 巴l 坐】!【塑 o 1 t 蜘l l l ikt 啪 c m ”l ik l lk c m p r 3l l k fkkk 。 针对电压空间矢量s v p w m 原理和s v p w m 算法的实现，率立在m a t l a b 环境f 利片j s i m u l i n k 模块建立了该算法对应的仿真模型。基本参数设置：基波频率= 5 0 h z ，直流电压 u t x ：= 3 8 0 v t 载渡频率f - 2 0 0 0 h z 根据以上仿真模型得到的在线性调制模式f 的电压空间矢量的耜 电压和线电压波形。如图2 - 4 所示。 图2 4s v p w m 输出相电压和线电压仿真波形 2 4 基于转差频率矢量控制的仿真结果 利用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具搭建了基于图2 - i 的转差额率矢量控制系统结构图的仿真模 删井加以分析”。电机参数为：额定功率只为3 7 3 k w ，额定电压u 。为4 6 0 v ，磁极对数p 为2 定子电阻置为o0 8 7 f l ，定子电感t 为n 8 m h 转子电阻足为02 2 8 f i 转子电感t 为o8 m h ，定 转子互感l 为3 4 7 m h 转动惯量j 为1 6 6 2 e 堋 本小节给出了电机在空载、突然加速、突然减速、突加负载和突减负载五种工况下的仿真结果 并对这些结果进行了分析。 1 划2 - 5 速度给定1 4 0 0 t p m ! ! 芒载时定子电流、转述、转矩波形的仿真结果 第= 章转差额牢燕t 静制系统原理 f 2 ) 突然加速 电机在恒转矩15 0 n m 运行达到稳态速度给定在26 s 处由6 0 0 r p i l l 突变为9 0 0 p i d ，仿真波形如 图2 - 6 。可咀看出 图2 - 6 电机升速时的仿真结果图 ( a ) 电流波形倒( b ) 转矩波形闰( c ) 转速波形图 ( 3 1 突然减速 电机在恒转矩15 0 n m 运行达到稳态速度给定在26 s 处由6 0 0 f 】加突变为3 0 0 r p l n ，仿真波形如 图2 - 7 。可以看出电机在突然加速_ l = 况下响应迅速。 东南 学碗士 位论文 f i ? ? b 7 7 ， 第= 章转差频率矢量控制秉坑厦理 ( a ) 电流波形图( b ) 转矩波形图( c ) 转速波形图 ( 5 突慧；法定转速为6 0 0 ( r r n 如) 时运行达到稳态，将负载转矩由1 5 。n m 降低到8 。n m 仿真 结果如图2 一卵f 示。 b ) ( c ) 图2 - 9 电机突减负载时的的仿真波形 ( a ) 电流渡形图( b ) 转矩渡形图c o ) 转速波形图 整个的m a t l a b 仿真试验证明由基丁转差频率矢量控制算法构成的变频调速系统具有良好的 动态跟筋性，能报快的达到运行稳态，同时也证明了基于转差频率矢量控制算法在牵引变频调速方 面的可行性。 第三章电制动原理分析与对比 第三章电制动原理分析与对比 目前很多j ：矿电机车采用空气制动系统，空气制动普遍存在着严重漏气，在运行中气动原件故 障率高现象。安全问题不容忽略。而操作控制和原动力都用电的制动方式称为电磁制动，简称电制 动。与空气制动相比，电制动具有下列优点：1 无机械磨损。也没有制动闸片引起的噪声和粉尘； 2 能产生较大的制动力；3 易于控制制动力，并能得剑平稳的制动力；4 放心使用限速制动；5 再生 回馈制动时能节能。 实现纯电制动是当前电机车制动方式的发展方向，所以此部分是本设计论述的重点。电制动有 三种：电阻能耗制动、直流制动、同馈制动。本章先从电机角度分析三种制动状态，再分别对三种 制动状态的原理、各自优缺点进行分析。图3 1 是分析所片j 的简单示意图。 需要盱f 通过软件 入a 流i u o j = 热：。 三相桥式 一f l 忙卜1 一 0 0 5 0 v 蕊c 歹 电抓型逆 【日l 馈筋动c 歹 一， 邑网 支撑电容 变器 形成直流 厂、 b 图3 - 1 电机车三种电制动形式示意图 3 1 从电机角度分析对比三种制动状态 按照转筹率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机、和电磁制动三种状裂 j 。一般情况下， 感应电机都处电动机运行状态。当矿片j 变频电机车减速或在煤矿巷道斜坡向下运行时，电动机将处 于再生发电制动状态，即发电机状态。传动系统中所存储的机械能经异步电动机转换成电能，对这 部分再生能量的处理有两种方式：一耗散到制动电阻中，对应电制动中的电阻能耗制动。二使能量 回馈到架线式直流电网。 另外，还有一种非常重要的制动方式用于要求电机车准确停车的场合，方法是向感应异步电机 定子通入直流电，实现电动机的直流能耗制动，常简称为直流制动( d c 制动) 1 8 j 。此状态即对应 于电动机的电磁制动状态。此时异步电机转子逆着旋转磁场方向旋转( n l 。转子导 体“切割”气隙磁场的相对速度方向与电动机状态时相同，故转子导体中的感应电动势和电流的有 功分量与电动机状态时同方向。但由于转子转向改变，故对转子而言，此电磁转矩表现为制动转矩。 此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机械功率，同时又从电网吸取电功率，两者都变 为电机内部的损耗。 从电机角度可以看出，当电机车处于电阻能耗制动和回馈制动对应于电机处于发电机状态，而 直流制动对应于电机处于电磁制动状态。 3 2 电阻能耗制动 电机车需要减速停车，这时从高速到低速( 零速) 这时电机的频率变化很快，但带载运行的电 机车有较大的机械惯性，不可能很快地停止，并产生反电动势，电动机处于发电状态，其产生反向 电压转矩与原电动状态转矩相反，而使电动机具有较强的制动转矩，迫使电机转子较快停下来i l w ， 电动机处于再生制动状态。电机车降速处于再生制动状态，产生的电能反馈剑直流电路，产生泵升 电压，使直流母线电压升高。以下对电机降速过程引起泵升电压升高进行分析。这是回馈制动和电 阻能耗制动分析的基础。 假定降速前拖动系统的运行频率是f l ，电动机的机械特性如下图3 - 2 的曲线l 所示；负载为恒 转矩性质，阻转矩为正。这时工作点为q 点，电动机的电磁转矩乙与负载转矩相平衡，即= 正。 1 2 东南大学硕士学位论文 首先，频率开始下降，机械特性变为曲线2 ，由于频率刚下降的瞬间，拖动系统的转速因惯性 而尚未改变，故工作点跳变剑曲线2 的c l 点，进入第二象限，电动机处于再生状态，电磁转矩为负 值，拖动系统的转速沿曲线2 下降。 当下降到第一象限的d l 点时，频率又下降，继而工作点跳变到c 2 ，再次进入第二象限， 依次类推。 。卜图所示的过程是被人人地放大了，实际每两档频率之间的间隔要小得多。 o 图3 2 降速过程的机械特性 从以上的降速过程可以看出，每次频率下降时，电动机只有部分时间处于蒋生制动状态，如图 中的阴影部分所示。所以，反馈到直流电路的电压是脉冲式的，故称为“泵升电压”。即图3 1 中支 撑电容两端的电压髟口。 而变频电机车在减速过程中，降速时间对直流侧的泵升电压的影响非常大。降速快慢对泵升电 压的影响如图3 - 3 所示。其中t a 为电机车从一个速度到另一个速度所需的降速时间。 ，2 |， 频 率 下 降 、 s 一q = 、 一一 l 翌_ 、 、 一- 砭二- 一 、 - 、 一 一 一 ( c )( b ) 图3 3 降速过程与泵升电压 ( a ) 降速时间( b ) 降速过程( c ) 泵升电压 每次频率下降时，电动机只有部分时间处于再生制动状态，如图中的阴影部分所示。降速时间 越短，则频率下降的越快，拖动系统的实际转速还没来得及下降多少，频率变换时转折点的位置也 左移，图中阴影部分的面积增大，即泵升电压增人。在实际t 作中，降速的快慢是一个和惯性大小 有关的相对概念。通过上述分析，在电机车降速过程中，可以预置降速时间米控制泵升电压的大小。 电动机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路形成泵升电压，当泵升电压高到一 定限值时，必须通过制动电阻和制动单元将电能释放掉。电阻能耗制动采用的方法就是在变频器直 流侧设置制动单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量最直接 的方法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为电阻 制动，它包括制动单元和制动电阻两部分，如图3 1 电阻制动部分示意图所示。 我们设计的矿用变频电机车，架线式直流电网电压范罔是3 5 0 v 7 5 0 v ，即电机车正常运行情 况下，电机车直流母线电压波动范围是3 5 0 v 7 5 0 v 。此次根据实际情况设计当直流母线电压超过 设定上限电压值8 6 3 v 时，制动同路导通，制动电阻流过电流，从而将电能变成热能消耗掉，电压 随之下降，待剑设定下限值( 8 0 0 v ) 时即断。这就是制动单元的工作过程。这种制动方法不可控， 1 3 第三章电制动原理分析与对比 制动力矩有波动，但制动时间是可人为设定的。关于电阻能耗制动电路的设计，我们将结合实际工 况电机车需求在后面章节进行具体设计。 3 3 直流制动 3 3 1 直流制动的工作原理 所谓直流制动，指当异步电动机在减速过程中，一般当变频器的输出频率接近于零时，电动机 的转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组通入直流，此时变频器的输出频率为零， 定子产生静j 卜的恒定磁场，转动着的转子切割此磁场产生制动力矩，如图3 - 4 ( a ) 所示，迫使电动 机转子较快地停i ：。电动机存储的动能变换成电能消耗于异步电动机的转子电路。由于磁场本身不 旋转，故机械特性在第一象限内是不存在的，因为它相当于频率等于0 时的发电机状态，故机械特 性在第二象限内，如图3 4 ( b ) 中的曲线所示。 饼 ( a ) 图3 - 4 能耗制动 ( a ) 能耗制动原理；( b ) 机械特性 当电动机在q 点正常运行时，如切换至能耗制动状态( 将定子绕组从三相交流电源上脱开，并 立即通入直流电流) ，则作点跳变到曲线2 的q 点，电磁转矩是负的。电动机的工作点将迅速顺 着曲线下降为0 ，电动机得以迅速制动【2 们。 1 等效交流电流与直流励磁电流的关系 在变频调速情况下，这种给定子绕组通直流励磁电流产生同定磁场是很容易实现的，如图3 1 直流制动部分示意图所示，因为变频器主电路的直流母线上已具备直流电压，只要适当控制i g b t 的触发方式即可调节制动矩的大小。以下对直流制动做一些推导分析【2 。 如果通过变频器的逆变桥，如图2 2 三相电压型逆变器主电路图所示的，给i g b t 的q 1 、q 4 同时 加上触发电压，则定子绕组的直流电流如图3 5 ( a ) 所示。设此时彬，绕组的直流电流为l ，则孵 的电流为一l ，如果定子每相绕组的有效匝数为m 不难求出直流合成磁动势为( 见图3 5 ( b ) 、( c ) ) ： r e = 2 imc o s 3 0 。= 4 3 i l ( 3 1 ) u v ( a )( b ) ( c ) 图3 5 直流励磁磁动势 ( a ) 直流电流( b ) 生成磁动势( c ) 合成磁动势 为了分析直流能耗制动时异步电动机的机械特性，将上式直流磁动势用幅值与其等效的对称三 相交流电流系统来代替。因为异步电动机的三相合成磁动势幅值为 e = 主( 皿) m 1 4 ( 3 2 ) 嗲一 k一址气 一 一 叫剽；71 r以爿斗r 叫 东南大学硕士学位论文 式中，t 为定子相电流的有效值：l 为定予每相绕组的串联匝数。令c = 咒，可求出 ls = 汪i 矗 式( 3 3 ) 表明：对于图3 - 5 所示的定子绕组y 连接时通入直流电l 所产生的磁动势， 定子绕组通入大小为= 疆压的三相交流电产生的磁动势等效。 同理可以分析绕组在不同联结方式时所产生的磁场情况，这里不在赘述。 2 转差率和等效电路 ( 3 3 ) 可以用 直流能耗制动时，由直流电流产生的磁动势冗相对于定子是静i ：的，而相对于转子是反方向旋 转，转速为- n 因此，直流能耗制动时的等效异步电动机的转差率而为 s a = 一旦 ( 3 4 ) = 一一 ( 3 ) 。 啊 n i - r 式中一异步电动机的同步转速，l i = 遨。 ，l p 经过以上等效后，分析直流能耗制动特性就可以应用分析异步电动机的方法来进行。对应于转 速n 。转子绕组的感应电动势、转子频率和转子电抗分别为 巨= 劫巨o ( 3 5 ) 五= 石 ( 3 6 ) t = q d z o ( 3 7 ) 再把转子绕组折算到定子侧，则可得到三相异步电动机直流能耗制动等效电路。如图3 石( a ) 所示，在等效电路中定子输入等效交流电流l ，产生磁动势e = 局，其作用的结果与电动状态时 的等效电路中各变量的数值是不同的。图3 - 6 ( b ) 是异步电动机直流能耗制动时电流的向量刚2 2 1 。 b ) 图3 6 异步电动机直流制动等效电路与向量图 ( a ) 等效电路( b