（电力电子与电力传动专业论文）交直交电力机车电传动系统的仿真研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 p w m 逆变器、异步电机连接在一起，构成一个典型的交直交 机车系统，对此系统做了进一步的仿真研究。 在交直交电力机车的仿真研究中，为了便于修改系统的参 数及控制策略，同时考虑不同厂商不同型号的功率器件、不同 的主电路拓扑及控制策略相互组合得到的多种设计方案，搭建 了交直交电力机车传动系统s a b e r 仿真开发平台。 关键词：交直交电力机车，仿真，脉冲整流器，直接转矩控制 1 1 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 s i m u l a t i n gr e s e a r c ho fe l e c i r i c a l d r 【n gs y s t e mf o ra c d c ，a c l o c o m 0 砸v e a b s t r a c t i nt h er e s e a r c ha n d d e s i g no f a c - d c a cl o c o m o t i v e s y s t e m s i m u l a t i o n t e c h n i q u e c a nb e a d o p t e d t or e s e a r c ht h e s y s t e m s t r u c t u r e ，s t a b i l i t y , d y n a m i c a n d s t e a d yr e s p o n s e ，a n d t h e p a r a m e t e r t h a t m a y i n f l u e n c et h e s y s t e m i cs t a b i l i t y a n d p e r f o r m a n c e b e f o r ed e s i g n e d p r o j e c t i sp u ti n t op r a c t i c e i ns y s t e m d e s i g n ，s u f f i c i e n ts i m u l a t i o nc a ni n c r e a s es u c c e s sr a t i oo fs y s t e m d e s i g na n dt e s t ，a v o i dd e s i g nb l i n d n e s s ，a n d s h o r t e nt h er & d c y c l e c o m p u t e r s i m u l a t i o ni sm o s t i m p o r t a n t i n l a r g ep o w e r s y s t e m t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h es t a t - o f - a r to f a c d c - a cl o c o m o t i v e 。a n dj n t r o d u c e s c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n i q u ea p p l i e di n a c v a r i a b l e s p e e ds y s t e m b ym o d e l i n g i d e a l t r a n s f o r m e ra n da c m o t o r , t h ec h a r a c t e ro fas i m u l a t i o ns o f t w a r e ， s a b e r , i sr e v e a l e d ，a n dt h em e t h o do fw r i t i n gm o d e lt e m p l a t e p r o g r a mu s i n gs a b e r s m a s t l a n g u a g e i sp r e s e n t e d b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fs i n g l ep h a s e4 - q a d r a n tp u l s e r e c t i f i e r ( p w mr e c t i f i e r ) a n dt h em e t h o do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) f o rt r a c t i o nm o t o r , s i m u l a t i o nr e s e a r c ho np w m r e c t i f i e r a n dd t ci sd o n e i nt h e s i n g l e p w mr e c t i f i e r s i m u l a t i o n ， 交直交电力帆车电传动系统的仿真研究 l n 北京交通大学硕士学位论文 h y s t e r e s i s c u r r e n ta n dp r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e d i nt h ed t cs i m u l a t i o no ft r a c t i o nm o t o r , a p p r o x i m a t ec i r c u l a rf 1 u x c o n t r o li sa d o p t e d t h em o d e l t e m p l a t eo fs i n g l ep 、mr e c t i f i e rw i t hh y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o la n dp r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r 0 1 a n dt h a to fa c m o t o rw i t ha p p r o x i m a t ec i r c u l a lf l u xc o n t r o la l ew r i t t e ni n i a s t l a n g u a g e u s i n gt h e s et e m p l a t e s ，a l o n g w i t ht h a to ft h ea cc o n t a c t n e t w o r k ，t r a c t i o nt r a n s f o r m e r , at y p i c a la c - d c a cs y s t e mi s c o n s i s t e d ，o nw h i c ht h er e s e a r c h i n gs i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e d i no r d e rt oa n a l y z ea n d v e r i f yt h et a r g e ts y s t e m sp a r a m e t e r a n dc o n t r o l s t r a t e g y ，r e s e a r c h a l lk i n d so fs i m u l a t i o n d e s i g n p r o j e c t s a s s e m b l e do fd i f i e r e n t p o w e r e l e m e n to fd i f f e r e n t m a n u f a c t u r e ra n dd i f f e r e n tm a i nc i r c u i tt o p o l o g yi na c ，d c a c l o c o m o t i v es i m u l a t i o n a c d c - a cl o c o m o t i v ed r i v e s y s t e m s i m u l a t i o ne x p l o i t a t i o np l a t f o r mb a s e do ns a b e ri sb u i l t k e yw o r d s ：a c o d c - a c l o c o m o t i v e ，s i m u l a t i o n ，p u l s e r e c t i f i e r , d t c 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 本章总结了交直交电力机车的发展和现状，以及计算机仿真技术在 交流调速中的应用，介绍了本论文提出的背景和主要工作。 1 1 交直交电力机车的发展和现状 2 0 世纪六十年代以前，电力机车普遍采用控制方式较为简单的直流 调速系统，但由于直流电机体积大、单位功率重量指标差、维护和维修 工作量大、以及单机最大功率和最大运行速度受电机换向器限制等缺点， 制约了它在高速、大功率、高性能电力机车上的应用。 2 0 世纪六十年代以来，电力电子技术和微电子技术的发展，使研究 人员有可能将交流传动系统应用于电力机车上。半导体变流技术的应用 可将单相接触网送到机车上的能量，变换为三相的适合牵引用的新的能 量形式。进入七十年代，采用异步交流传动系统的d e - - 2 5 0 0 内燃机车 在德l 蛩试验成功，使得交流传动在牵引领域重新焕发了前所未有的活力。 1 9 8 3 年底，历经三年的试验、试运行和改进之后，世界上首批5 台b r l 2 0 型大功率交流传动电力机车，获得原西德铁路当局的认可，进入实际运 营阶段。b r l 2 0 机车奠定了当代交流传动机车设计和运行的基本模式， 推动了铁路牵引动力的新一轮革命性变化。八十年代中期，随着电力半 导体器件制造技术的进步，大功率门级可关断晶闸管( g t o ) 应用于电 力机车上，从而促进了作为交流传动技术重要组成部分的变流技术的发 展，也使得交流传动电力机车更趋实用化1 1 1 。 经过多年的实际应用和技术研究，当前各国生产的电力机车主变流 机组基本上采用交直交形式：整流侧为单相四象限脉冲整流器，逆变侧 为两点式电压型逆变器，传动部分采用异步牵引电机。采用这种主电路 形式的电力机车具有以下优点1 1 1 1 2 1 一网侧变流器通过中间回路储能设备( 二次谐波吸收电路和支撑电容 器) 解耦，使得对接触网的反作用( 如谐波电流和功率因数问题) 可以 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 通过网侧变流器的设计技巧加以解决，采用四象限脉冲整流器可使机车 输入端功率因数为1 ，且输入电流近似正弦，机车近似一纯阻负载，提 高了机车电磁兼容性能，可减小对铁路沿线通讯信号的电磁污染。另外， 利用四象限脉冲整流器可实现再生制动，减少磨耗，降低运营成本。 _ 逆变器向牵引电动机输出频率和幅值可变的三相电压，通过选择合 适的脉宽调制技术，能够改善输出电压波形，并使电机绕组中的电流尽 可能接近正弦，从而减少转矩的脉动程度。逆变器普遍采用两点式电压 型逆变器，三点式逆变器结构只在开关器件发展还未达到机车功率要求 的条件下采用，这一结构是过渡性的，与三点式逆变器相比，两点式逆 变器由于其结构简单、器件利用率高和控制简单的特点，在电力机车上 得到了广泛应用。 一异步电动机与直流电动机相比具有体积小、重量轻的优点，在转向 架的有限安装空间内可以设置更大的功率，从而减轻簧下重量，提高单 轴功率( 单轴功率最大可达1 8 0 0 k w ) ，在降低轮缘与轨面磨损的同时提 高了机车的牵引功率；结构简单可靠，无电刷和换向器，大部分与转速 有关的限制条件( 如直流电动机换向器表面线速度限制) 都没有了，可 减少维修费用，延长检修周期；具有陡峭的机械特性，有利于制止空转 和打滑现象的发生；在充分利用电机过载能力、采用适当的电机控制方 式并加以机车粘着控制的基础上，可大大提高机车的粘着率( 干燥线路 条件下重载起动的需要：采用异步电机可增大机车的恒功区范围，满足 电力机车大的持续功率要求，交流传动干线电力机车的恒功区宽度 v 。，、 ( 机车最大速度与额定速度之l t ) 可i , i 2 5 - 3 ，而采用直流串励电动 机的整流式电力机车，即使在深度磁场消弱( 小于5 0 ) 下，大都在 1 5 1 6 之间，很难超过1 8 。 进入九十年代，随着铁路技术人员对交流电机控制技术研究的深入， 矢量控制和直接转矩控制等具有高动态控制性能的新技术开始被采用， 使交流传动电力机车的品质进一步得到提升。矢量控制技术和直接转矩 技术均起源于德国，因此以德国为首的欧洲电力机车制造业特别发达， 拥有大批的电力机车制造商，其中包括德国s i e m e n s 、德国a d t r a n s 、 法国g e c a l s t h o m 、奥地利e l i n 和意大利a n s a l d o 等公司，这些 2交区交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 电力机车制造商纷纷将最新的交流传动技术应用于电力机车上。 s i e m e n s 公司在其i c e ( i n t e r c i t ye x p r e s s ) 高速列车、a m t r a kf 6 9 、 b u d i n g t o nn o h e ms d 6 0m a c 和r e n f e $ 2 5 2 等车型上均采用了矢量控 制技术，以提高机车的动态性能及粘着利用”1 1 4 1 0g e c a l s t h o m 公司 将矢量控制应用于t g v 高速列车上1 5 1 , a d t r n s 公司则将直接转矩控 制技术应用于电力机车上1 6 1 日本电力机车技术也处于世界领先地位，这得益于先进的交流传动 技术。目前，法国和日本分别保持着高速列车的试验和运行时速的世界 记录，由法国g e ca l s t h o m 生产的t g v 3 2 5 列车于1 9 9 0 年5 月1 8 日在大西洋上的库尔塔兰和图尔之间创造了时速5 1 5 3 k m 的最高试验记 录；而西日本铁道公司经营的5 0 0 系高速列车在山阳新干线上的广岛和 小仓区间保持着两站之间时速2 6 1 8 k r n 的世界运营时速最高记录。 发展重载、高速铁路是我国已经确定了的发展方向，而用于重载、 高速铁路牵引的电力机车又是铁路运输的关键设备，所以，研制性能优 良的电力机车对提高铁路运输能力，缓解运输紧张状况，具有重要的现 实意义，我国过去沿用的机车电传动形式，都是采用传统的串激式直流 牵引机车，由于交流传动较直流传动具有明显的优越性，越来越受到重 视。经过多年研究论证，并吸收了国外发展交流调速的经验，我国也已 确定发展交直交传动电力机车 1 1 1 2 1 1 7 1 。 我国在电力牵引交流传动技术方面的研究工作，始于七十年代初期， 异步和同步两种方案都曾尝试过。国内的一些科研院所和大学也做过 些异步电机调速的试验研究工作 1 l t 9 1 九十年代初，铁道部株洲电力机 车研究所和铁道部科学研究院菸同研制成功功率达1 0 m w 的、由包括四 象限脉冲整流器和脉宽调制逆变器在内的电压型变流器供电的异步电动 机传动货运电力机车，它标志着我国电气化铁路进入了交流传动阶段。 但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性能，这 一方面由于转差频率控制建立在交流电机稳态模型的基础上，没有考虑 电机瞬态过渡过程；另一方面由于交流电机是强耦合、非线性、多变量 系统，电机的转矩和磁链都是定子电压和定子频率的函数，转差控制并 没有对电机的转矩和磁链进行解耦，这种耦合作用也降低电机的可控性。 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 3 北京交通大学硕士学位论文 为了提高电力机车的性能，进一步推动铁路事业的发展，研究高性能的 控制系统成为当务之急。 1 2 计算机仿真技术在交流调速中的应用 计算机仿真是进行工程设计、产品开发的重要手段，过去对于连续 动态系统的研究通常采用理论分析、仿真研究、和实验研究三种方法。 而在现代交流调速领域，伴随着大功率器件的出现以及电力电子技术的 不断进步，应用半导体变流装置供电的现代交流电机调速系统迅速发展， 变流技术日新月异。随着交流调速系统性能不断优化，调速系统的复杂 程度不断增加，给分析、研究和设计带来了难度。另一方面，半导体变 流装置在供电上的特殊性又使得完全使用理论分析的方法在现代交流调 速系统的分析、研究、开发、设计中难以凑效，难以解决实际问题，而 对于每种新型的调速方案均采用试制样机的实验方法也不现实，因为这 种方法必将导致开发、研制周期加长，研究方法缺乏柔性。在这种情况 下采用计算机仿真则是最实用、最有力的工具。其作用可以归纳为以下 几个方面： 对已有的交流调速系统来说，可首先通过理论推导建立起系统的数 学模型，然后进行计算机仿真研究，再将所得的仿真结果和实际调速系 统的实验结果相比较，验证模型的正确性，反复修改模型，提高仿真精 度，直到仿真结果和实验结果基本一致，然后即可将经过实验验证的仿 真模型作为今后设计同类调速系统的依据，或者作为同类调速系统调试 的依据。 对新设计的交流调速系统，可通过仿真研究来验证方案的可行性， 探讨结构的合理性及参数对系统暂态、稳态特性的影响，从而确定最佳 的控制方案，最佳的结构，最优的系统参数，实现优化设计。 4 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 1 3 本论文的提出及主要工作 铁路事业的发展需要高性能的牵引动力，交流传动机车是当今世界 机车技术的发展趋势。中国铁路在交流传动机车技术方面的研究开始于 7 0 年代未。其间进行过3 0 0 k w 和1 0 0 0 k w 交直交电传动地面试验系统的 研究。在这两个功率等级的地面试验系统等项目获得成功的基础上，吸 收国外类似交直交传动电力机车的先进技术，结合中国传统交直传动电 力机车的特点，1 9 9 1 年株洲工厂和株洲所开始研究设计a c 4 0 0 0 型交直 交电力机车。a c a 0 0 0 型电力机车代表了我国交直交机车的最高水平，也 只是采用了动态性能不是很高的转差控制，因此需要对交直交电力机车 传动系统进行深入研究，将高性能的交流电机控制技术应用于电力机车 上，同时解决交直交电力机车在实际运行中存在的技术问题。大同机车 厂为了研制交直交电力机车，提出了建立交直交电力机车电力传动s a b e r 软件仿真开发平台的研究课题。对新的机车系统、新的控制方法，若能 用计算机首先对其性能进行仿真，及时发现它存在的一些问题和需要注 意的地方，对后一步的试验系统的研制起着非常重要的作用。所以，本 论文在研究交直交电力机车电传动理论的基础上，搭建交直交电力机车 电传动系统的s a b e r 软件仿真开发平台，更好地为机车的设计和生产提 供指导。本论文主要做了以下几方面的工作： 1 完成变压器、主变流器和三相异步电机的建模与仿真； 2 建立机车主电路的仿真电路，并采用现代控制方法对机车的各种 工况进行仿真研究。单相四象限脉冲整流器采用滞环电流控制、预测电 流控制，异步电机采用准圆形磁链轨迹的直接转矩控制。 3 完善仿真系统的设计，使其成为一个开放式的仿真平台，利用该 平台实现交直交电力机车不同主电路及控制策略的系统仿真。 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 5 北京交通大学硕士学位论文 第二章理想变压器和异步电机建模分析 上一章提出了本论文的主要工作，建立仿真模型是其中的一项重要 工作。本章在分析理想变压器、异步电机的数学模型的基础上，介绍了 理想变压器、异步电机模型的m a s t 建模和仿真实现过程以及s a b e r 软件 的特点，并与其他仿真软件做了比较。 2 1m a s t 建模分析 交直交电力机车电传动系统仿真是一个复杂的系统仿真，不仅包括 牵引变压器、主交流器和三相异步牵引电机的建模与仿真，而且包括机 车控制系统的建模与仿真。下面以理想变压器模型、异步电机模型为例， 说明m a s t 语言建模的过程。 2 1 1 理想变压器模型 通常情况下，变压器模型有两个或多个磁耦合的线圈，在这里建立 的变压器模型为两个磁耦合线圈。理想情况下，变压器存在如下关系： 矿( 1 ) 一n 矿( 2 )，( 2 ) = n t ( o 将理想变压器的特征方程转换为m a s t 的形式即完成了该变压器模 型的建立。对理想变压器的变比可以通过网表赋值确定，也可以通过对 变压器线圈匝数来确定变比。对于变压器变比的处理通常放在模板体中 的参数段进行处理。仿真结果如图2 - 1 和图2 2 所示，理想变压器模型模 板程序如下： e l e m e n tt e m p l a t et r a n s f o r m e r p lp 2 s ls 2 = m t i o ，n l ，n 2 e l e c t f i c a lp l ，p 2 ，s l ，s 2 n u m b e rr a t i o = l n u m b e rn 1 = 2 5 n u m b e rn 2 = 5 6 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 n u m b e rr e f v a r i i p ，i s v a lv v p ，v s p a r a m e t e r s i f ( n l = = o l n 2 = = o ) t h e n r e f = r a t i o e l s er e f = ：n l n 2 ) v a l u e s v p = v ( p 1 ) 一v ( s 1 ) v s = v ( p 2 ) 一v ( s 2 ) ) e q u a t i o n s i ( p l 一 s 1 ) + = i p i ( p 2 一 s 2 h = i s i p ：i p = i s r e f i s ：v p = v s + r e f ) 4 0 0 o 2 0 0 o e ： o o 一2 0 0o 4 0 0 0 6 0 o 4 0 o 2 0o 三 o o 一2 0o - 4 0o 一6 0 、o 雌- 垂 誓王l ； 0 000 20 0 40 0 60 0 1 t ( s ) 图2 1 理想变压器仿真原副边电压波形 f i g u r e2 - 1i d e a lt r a n s f o r m e rs i m u l a t i o no r i g i n a ts u b s i d i a r ys i d ev o l t a g ew a v e f o r m s 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 7 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 2 理想变压器模型原副迫电流波形 f i g u r e2 - 2i d e $ 1 t r a n s f o r m e rm o d e lo a # n a ls u b s i d i a r yc u r r e n tw a v e f o r m 2 1 2 异步电机模型 在直接转矩控制系统中，参考坐标是放在定子绕组上的，因此，交 流电机广义派克方程中的，角等于0 ，( y 一口) = 一1 1 9 1 ，其中为转 子角速度，这就是通常所用的口一口坐标系。电压矢量为 ，一、而m 。+ m p “扫+ “。e “卢) = u s a + j u ” ( 2 1 ) 式中：“。，h 。，u s e 表示三相电压。 ；肛。， 妒孚 异步电机的动态特性可由下述方程描述： 8 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 _品儿，mlmp，】【；：】(2-2)00l r j c o ) l i l ( p j ，+ ( p 一 ，li ，i 妒，一l , i ，+ l 。i ， 妒，= l m i ，+ l ，i ， 妒，。；上i+ i 。 或 。蛊l w ，。+ 工。妒，。 t ps b = l 毒。b + l ? i或 i 。8 = l w 唯l p 5 妒，。= _ l 。+ 三，f ，。 或 f ，。j l m 妒，。+ l ，妒，。 印，口一l 。b + l ，i b或i r b = l 舯s b + l 冲r b 将式( 2 2 ) 实部和虚部分离可得： u ，。；r f ，。+ p 妒，。1 h ，；r i s p + p 妒印l 0 = r ，f ，。+ p 妒，。+ m 妒，f o = r ，i ，b + p t p 啼一l l ，b 转矩方程不变，为： 乙2 p 。l ( f 卵。一0 f ，。) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 。p 。( 妒。一i , a t p 坩) 2p 。即， f ，) ( 2 - 1 0 ) 乙铂寺。鲁 或等一n p j ( 乙一t )出7 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 按照式( 2 1 ) 式( 2 1 2 ) ，利用m a s t 语言编写异步电机模型模板。 给电机模型加上三相理想交流电源，所得仿真结果如图2 3 所示。异步 电机模型模板程序如下： 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 9 北京交通大学硕士学位论文 e l e m e n tt e m p l a t em o t o r1 an bn cc t r i n = r s ，r r , l r , l s ，m s r , j ，i c _ f l u x s q ，i c _ f l u x s d ，i c _ f l u x r d ，i c _ f l u x r q ，i c _ g ，m a t hp i ，t l e l e c t r i c a ln a ，n b , n c ，c t r i n p u t n i li n n u m b e r r s = o 3 ，r r = o 3 , 1 r = o 7 ，l s = o 7 ，m s r = 2 6 1 , j ：o 0 8 9 ， i c _ f l u x s q = o ，i c _ f l u x s d = o ，i cf l u x r d = o ，i cf l u x r q = o ，i c _ _ g = o ，m a t hp i = 3 1 4 ，t l = o v a lii s d ，i s q ，i r d ，i r q ，t o r q u e v a lv v a ，v b , v c ，v s d , v s q ，v r d ，v l r q , w , w r v a r n u g v a rff l u x s q ，f l u x s d , f l l l x r d ，f l u x r q 1 0 v a l u e s v a = v ( n a ，e r r ) v b = v ( 1 l b , c l ) v c = v ( n c ，c t r ) 撑 w - - 2 + m a t h _ p i i l l w r - - 2 + m a t h p i + ( 1 酚+ i n 撵 v s d = s q r t ( 2 3 ) + ( v a + c o s ( w t i m e + v b c o s ( w t i m e 一2 + m a t hp i 3 ) + v c 4 c o s ( w + t i m e + 2 m a t hp i 3 ) ) v s q = s q r t ( 2 3 ) + ( v a + s i n ( w + t i m e + v b s i n ( w + t i m e 一2 + m a t h _ p i 3 ) + v c + s i n ( w + t i m e + 2 + m a t h _ p i 3 ) ) v r d = o v r q = o 撑 i s d = ( 1 r + f l u x s d - m s r + f l u x r q ) o s + l r - m s r + + 2 、 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 i s q = ( i r + f l u x s q m s r + f l u x r d ) ( 1 s + l r - m s r + + 2 、 i r d = o r + f l u x r d - m s r + f l u x s q ) o s + l r - m s r + + 2 1 i r q = o r + f l u x r q - m s r + f l u x s d ) ( i s + l r - m s r + + 2 、 挣 t o r q u e = m s r + ( i s q + i r d i s d 4 i r q ) ) e q u a t i o n s f l u x s d ：v s d = r s + i s d + d _ b y _ d t ( f l u x s d ) - w f l u x s q f l u x s q ：v s q = r s + i s q + d _ b y _ d t ( f l u x s q ) - w + f l u x s d f l u x r d ：v r d = r s + i r d + d _ b y _ d t ( f l u x r d ) 一g + w + f l u x r q f l u x r q ：v r q = r s + i r q 帅y _ d t ( f l u x r q ) 一g + w + f l u x r d 撑 g ：d _ b y _ d t ( 曲= ( t l - t o r q u e ) ( w * j ) 撑 i ( n a - c t r ) + = i a i ( n b c t r ) + = i b i ( n c - c l r ) + = i c ) c o n t r o l _ s e c t i o n i n i t i a l c o n d i t i o n ( f l u x s d ，i c _ f l u x s d ) i n i t i a i _ c o n d i t i o n ( f l u x s q ，i c _ f l u x s q ) i n i t i a l c o n d i t i o n ( f l u x r d ，i c _ f l u x r d ) i n i t i a l _ c o n d i t i o n ( f l u x r q ，i c _ f l u x r q ) i n i t i a l _ c o n d i t i o n 晤i t _ g ) ) 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 e z 0 0102 03 04 05 060 t ( s ) 图2 3 电机模型转速和转矩波形 f i g u r e2 - 3m o t o r m o d e l s p e e da n dt o r q u ew a v e f o r m s 通过对理想变压器和异步电机的m a s t 建模过程分析与仿真，我们 知道，仿真就是描述一个实际系统的数学模型的特征，对仿真器而言， 系统的模型就是一系列的代数或微分方程( 组) 。m a s t 语言主要是用来 创建模拟、数字或系统模型的，而用m a s t 语言建模实际上就是指定要 被仿真的模型，实际上就是要建立一系列的方程，因此用m a s t 语言建 模的核心就是用线性( 或非线性) 的代数、微分方程( 组) 来描述对象 的特征。这些特征包括电、机械、光和流体等。 s a b e r 仿真器并不是单纯的一个电路模型仿真器，从理论上讲如 果能用m a s t 语言建立任何建模，通过s a b e r 仿真器就能进行仿真， 但有时建立一个系统的模型非常困难，特别是一些结构复杂的系统。用 m a s t 建模时可以首先建立系统中元件的模型，然后将各个元件按照一 定的要求连接起来就构成系统模型，因此在这种情况下描述系统模型方 程由仿真器自动完成。只要能写出描述对象特征的方程就能用m a s t 语 言建模，因此m a s t 语言不仅可以建立模拟元件的模型，还可以建立数 字元件的模型，对于数字模型是用元件在各离散时刻的离散值来描述的。 1 2交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 在m a s t 语言中，被s a b e r 仿真器使用的最核心的单元就是模板 ( t e m p l a t e ) ，在创建模型中，模板是分层结构的。所谓分层结构就是在创 建模板中可以引用其它模板。这样的结构有几个好处：在创建模板的过 程中可以直接调用s a b e r 库中元件模型；对于经常使用到的电路结构 ( 该结构中可以包括其它电路结构) ，可以将其构成一个子系统，而其它 模板可以调用这个子模板； 根据仿真对象的不同，所建模板的表现形式也不同，描述模板程序 不同，构成模板的复杂程度不同，但作为模板它们都有一些共同的特征， 首先它们都是由m a s t 语言写成的，其次是模板的结构具有相似性。 需要注意的是模板的命名，在这个问题上有两点需要注意： ( 1 ) 模板的扩展名必须是s i n ，即t e m p l a t e n a n l e s i n ： ( 2 ) 模板名必须以字母开头。 一个模板可能有以下的一个或几个部分，也可能有以下的全部： t e m p l a t eh e a d e r h e a d e rd e c l a r a t i o n s u n i t sd e f i n i t i o n s c o n n e c t i o n p o i n t d e f m i t i o n s l o c a ld e c l a r a t i o n s p a r a m e t e r ss e c t i o n s w h e ns t a t e m e n t s v a l u e ss e c t i o n c o n t r o ls e c t i o n e q u a t i o n s s e c t i o n ) 在编写模板时，没有上面顺序的限制，可以按任意顺序编写，但有 两点需特别注意，在使用个量之前必须首先定义这个量，定义的量的 位置就决定了它是全局的或是局部的。如果要在模板中引用文件，可以 在任何地方引用文件，但是为了增加程序的可读性，编写模板程序时采 用上述顺序。另外，如果要调用程序如果该文件为全局调用，调用句放 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 1 3 北京交通大学硕士亭位论文 在h e a d e rd e c l a r a t i o n s 部分，如果该文件为局部调用，放在l o c a l d e c l a r a t i o n s 部分。 2 2 计算机仿真软件s a b e r 论文利用s a b e r 软件建立了理想变压器和异步电机的模型，对单 相四象限脉冲整流器、异步电机的直接转矩控制、典型的交直交传动系 统进行了计算机仿真，简要介绍s a b e r 软件及其特点如下： s a b e r 是美国a n a l o g y ( 现在是s y n o p s y s ) 公司开发的面向混合信 号的仿真软件。由于s a b e r 所具有的混合、混合技术和混合层次的处 理能力，它允许被仿真的系统同时包含数字和模拟信号器件，涉及机械、 汽车、电力电子、通信等领域。s a b e r 的仿真模型库和仿真器是分开的， 包括2 4 0 0 0 0 多个不同的模型，用户还可以根据需要建立自己特定的库。 s a b e r 的工作环境为w i n d o w sn t 工作站，在w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 系统的n t f s 文件系统格式下安装s a b e r 。 2 2 1s a b e r 软件的特点 一混合系统仿真 s a b e r 不仅可以对数模混合系统进行仿真，而且可以对由电子、 电力电子、机电一体化、机械、光电、液压、自动控制等不同类型系统 构成的一个混合系统进行仿真。这种强大的混合能力仿真是s a b e r 的 最大优点。 _ 适合于建立混合仿真模型的硬件描述语言一一m a s t m a s t 语言是s y n o p s y s ( 原a n a l o g y ) 公司开发的对物理部件建立 仿真模型的硬件描述语言。用m a s t 语言可以对电子( 数字和模拟) 、 机械、控制等不同类型的部件建立仿真模型，实现混合仿真。 一开放的部件库 s a b e r 的部件库是开放式的，用户可以借助于m a s t 语言建立自 己的部件模型，并用s a b e r s k e t c h 为其设计图形符号，以便能用图形输入 1 4 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 方式设计系统。用户也可以用已有的部件组合出一个符合自己要求的子 系统，并为此子系统建立一个图形符号，作为部件来使用。 模块化、分级式系统设计 s a b e r 秉承了模块化、自顶向下、层次化的设计思想，允许系统按 功能模块分级设计，即顶层系统可以包含若干个按功能划分的予系统， 各子系统又可以包含下一层的子系统，依次类推。这种结构为大系统设 计的分工合作带来了方便，同时也增强了设计的科学性，提高了设计的 效率。 2 2 2s a b e r 软件所具备的分析功畿 s a b e r 提供了强大的系统分析功能。设计者可以从各个方面对系统 进行考查： 直流分析( d c a n a l y s i s ) ，用于计算应用系统的直流工作点； 一瞬态分析( t r a n s i e n t a n a l y s i s ) ，分析确定系统的时域响应； 以上两种功能进行的是时域分析，除此之外，还有下列频域分析功 能： 一频响分析( s m a l l s i g n a lf r e q u e n c ya n a l y s i s ) ，分析系统随频率 变化的响应特性： 傅立叶( f o u r i e r ) 和快速傅立叶变换分析( f f t ) ，将时域波形 变换成频谱； 一反快速傅立叶变换分析( i f f t ) ，将频谱波形变换成时域波形。 s a b e r 还可以用于应力分析( s t r e s s a n a l y s i s ) 及统计学方面的蒙特 卡罗分析( m o t ec a r l o a n a l y s i s ) 。 s a b e r 还有一个非常实用的分析功能一一参数敏感性分析 ( p a r a m e t r i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ) ，利用这种分析功能，设计者可以控制 一个或几个参数在一定的范围内变化，观察他们对系统特性的影响，从 而找出它们最合适的数值来。 交直交电力机车电传动系统的仿真研究 北京交通大学硕士学位论文 2 2 3 常用仿真软件比较 常用的电路仿真软件有p s p i c e ，s a b e r 和m a t l a b 等。通常把 电源电子仿真软件分为两种：侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的 仿真器。其中p s p i c e 、s a b e r 和m a t l a b 分嗣是两类仿真器的代表。 p s p i c e 是较早出现的e d a 软件之一，由m i c r o s i m 公司于1 9 8 5 年推出。在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍 使用。现在使用较多的是p s p i c e6 2 ，工作于w i n d o w s 环境，占用硬盘 空间2 0 多兆。p s p i c e 可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度 与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一个窗口内同时 显示模拟与数字电路。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括i g b t 、 脉宽调制电路、模数转换、数模转换等，都可以得到精确的仿真结 果。对于库中没有的元器件模块，还可以自己编辑。 m a t l a b 于1 9 9 8 年由m a t h w o r k s 公司推出，其中新增加的p o w e r s y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) 含有在一定使用条件下的元件模型，包括电力系统 网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等， 再借助于其它模块库或工具箱，在s i m u l i n k 环境下，可以进行电力系统 的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察仿真的执行 过程。仿真结果在仿真结束时利用变量存储在m a t l a b 的工作空间中。 p s p i c e 和p s b 仿真软件各有其应用的优势，其版本也在不断更新，其 中p s b 现在已经推出6 1 版本。p s b 适用于中等规模电路的仿真以及变 定步长仿真算法的电路仿真。m 棚a b ，s l m u u n k 的强大运算能力对于 仿真结果的后处理非常方便。p s p i c e 则适用于小规模系统元器件级的建 模。若系统规模过大，则仿真执行时间则会变得非常长。 s a b e r 是美国a n a l o g y 公司开发并于1 9 8 7 年推出的模拟及混合信 号仿真软件。作为一种系统级仿真软件，s a b e r 拥有先进的原理图输入 和数据可视化工具、大型混合信号和混合技术模型库以及强大的建模语 言和工具组合，可以满足用户多种复杂的仿真需求。其中，s a b e rs k e t c h 是原理图输入工具。通过它，用户能够创建自己的原理图，完成仿