（电力系统及其自动化专业论文）电力牵引交流传动互馈试验系统的研究.pdf

北京交通大学博十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a cd r i v et e c h n o l o g yh a sb e e nt h ee v o l u t i o nd i r e c t i o no fr a i l w a yl o c o m o t i v e sa n d u r b a nr a i lt r a n s i tc a r si nc h i n ab e c a u s eo fi t se c o n o m i c a la n dt e c h n i c a ls u p e r i o r i t i e s a cd r i v et e s tf i g sw i t he q u i v a l e n tp o w e ra r en e e d e dt op r o v i d eg o o dt e s ts i t ef o rt h e r e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no fh i 曲p o w e ra cd r i v es y s t e m s s ot h i s d i s s e r t a t i o nm a k e ss o m er e s e a r c h e so nat w i ni n v e r t e r - m o t o rr e c i p r o c a lp o w e r - f e da c d r i v et e s ts y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e so nt h ew o r kp r i n c i p l ea n de n e r g yc o n s e r v i n gp r i n c i p l e o f t h er e c i p r o c a lp o w e r - f e dt e s ts y s t e m ，p r o p o s e st h ea s s o c i a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo f t w i n m o t o r sb a s e do nv e c t o rc o n t r o l ，a n dg i v e st h es m a l ls i g n a ll i n e a rm o d e lo f t w i nm o t o r s ， w h i c hi st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c eo fs t a b i l i t y a n a l y s i sa n dp a r a m e t e r s e l e c t i o n s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt w i ni n v e r t e r - m o t o r sr e c i p r o c a lp o w e r - f e ds y s t e m u s i n gt h ea b o v ec o n t r o ls t r a t e g yh a sg o o ds t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e , g o o df e a t u r e so f s p e e da n dl o a dt o r q u ea d j u s t m e n t ，t h ea v a i l a b i l i t yo fe m u l a t i n gt r a c t i o na n db r a k i n g c o n d i t i o nt e s t so f l o c o m o t i v e s ，a n do b v i o u se n e r g ys a v i n ge f f e c t t h ev o l t a g ed e c o u p l i n gp r o b l e ma n dt h ed i f f e r e n tv o l t a g ed e c o u p l i n ga l g o r i t h m so f v e c t o rc o n t r o ls y s t e ma r et h o r o u g h l ya n a l y z e d ，a n db yi n t r o d u c i n gt h et h e o r yo f s l i d i n g - m o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，a c o m b i n e d t y p es l i d i n g m o d e v a r i a b l e s t r u c t u r ec u r r e n tc o n t r o l l e ri sp r o p o s e df o rh i 曲一p o w e rv o l t a g e d e c o u p l i n gv e c t o r c o n t r o ls y s t e m m a t h e m a t i c a la n l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc u r r e n t c o n t r o l l e rh a sn o to n l yt h ea d v a n t a g e so ff e e d f o r w a r dd e c o u p l i n gs u c ha sf a s tr e s p o n s e a n dp e r f e c t d e c o u p l i n g , b u ta l s o t h ea d v a n t a g e so fs i d i n gm o d ec o n t r o ls u c ha s r o b u s t n e s sa n dg o o da n t i d i s t u r b a n c e t h i sd i s s e r t a t i o na d o p t sd o u b l es e r i e ss y s t e mo ff o u r - q u a d r a n tc o n v e r t e ra tt h ed c s o u r c es i d eo ft e s ts y s t e m ，a n dp r o p o s e sp r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r o ls c h e m eb a s e do n p h a s e s h i f t e ds v p w m s i m u l a t i o na n dt e s t r e s u l t ss h o wt h a t t h i s f o u r - q u a d r a n t c o n v e r t e rh a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha ss t e a d yd co u t p u tv o l t a g e ，h i 9 1 lp o w e rf a c t o r a n db i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , a n dm e e t sd c l 5 0 0 vp o w e rs u p p l yf o rt h et e s ts y s t e m t h eo v e r - m o d u l a t i o np r o b l e mo f s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i s t h o r o u g h l ys t u d i e d ，a n dan e ws v p w ma l g o r i t h mw i t he n t i r em o d u l a t i o nr a n g ei s p r o p o s e dt ou n i f yt h ea l g o r i t h m so fl i n e a rm o d u l a t i o na n do v e r - m o d u l a t i o n s i m u l a t i o n a n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e wa l g o r i t h mh a ss i m p l es t r u c t u r ea n dg o o d ! ! 塞奎望叁堂堕主堂垡堡兰 垒旦坚堡垒坚 p r a c t i c a b i l i t y , a n du s e so n l yo n ek i n do fa l g o f i t k mt or e a l i z et h es m o o t ht r a n s i e n tf r o m l i n e a rm o d u l a t i o nr a n g e ，o v e r m o d u l a t i o nr a n g e ，t os q u a r ew a v e f o r mc o n d i t i o n t t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sac o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gd u a l d s pc o n t r o l b o a r d ，i n t e l l i g e n ti g b td r i v e rb o a r d ，e r e ，w h i c ha c h i e v e s s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si n b o t hf o u r - q u a d r a n tc o n v e r t e ra n di n v e r t e r k e yw o r d s ：a cd r i v et e s ts y s t e m ；f o u r - q u a d r a n tc o n v e r t e r ；i n v e r t e r ；a s y n c h r o n o u s t r a c t i o nm o f o fd u a l - d s pc o n t r o lb o a r d ；v e c t o rc o n t r o l ；s l i d i n g - m o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ；s p a c ev e c t o rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n c l a s sn 0 ：t m 9 2 1 2 致谢 衷心感谢导师郑琼林教授对本人的悉心指导。从论文的选题、系统方案的论 证、仿真与试验现象的分析、直至论文定稿的每个环节，郑老师都倾注了大量的 心血，论文的字里行间也浸透了导师辛勤的汗水。导师渊博的学识、严谨求实的 治学态度、一丝不苟的工作作风，一直深深影响着我，使我受益匪浅。在此谨向 郑老师致以诚挚的敬意，对导师多年来的辛勤培养和无微不至的关怀表示衷心的 感谢! 在介入课题的初期，郝荣泰教授曾给予我理论和和实践上的指导，使我受益 良多，在此向敬爱的郝荣泰教授表示衷心的感谢。 感谢叶斌教授、游小杰教授、林飞副教授、张全柱副教授、郝瑞祥博士后、 张立伟博士后等予以学术上的指导，感谢孙湖、黄先进、沈茂盛等老师的帮助， 师长们的关心和爱护为我的学业提供了不懈的动力。在论文研究过程中，李驱西、 唐益宏、蒋晓春、邓永红、张艳芳、郭文杰、刘建强、张章、王大静、黄小光、 文晓燕等同学给予我热情的帮助和支持，在此向他们表示感谢。 同时还要感谢电气工程学院范瑜教授、周希德教授、金新民教授、刘志刚教 授、王毅教授、梁晖副教授等老师的关心和支持，在此向他们表示诚挚的谢意。 感谢父母、妻子和所有的亲人们对我学习和生活上的大力支持，他们的支持 是我克服困难、不断前进的强大动力。 谨以此文献给所有关心和帮助过我的人们，以表达我的感激和感恩之情。 北京交通人学博十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力牵引交流传动技术的发展 电力牵引作为轨道交通牵引动力的世界性趋势在发展，自1 8 7 9 年德国诞生第 一辆电力机车以来，它己登上了牵引动力的首席。与以煤作为动力能源的蒸汽机 车牵引和以油作为动力能源的内燃机车牵引相比，电力牵引具有突出的优越性1 1 】。 根据所采用传动电机是直流牵引电机还是交流牵引电机的不同，电力牵引传动方 式可以分为直流传动和交流传动两大类。 到上世纪六七十年代，国际上电力牵引直流传动技术已经发展到了项峰。然 而，长期以来的运用也暴露出了直流传动的弱点和缺陷，那就是受到直流换向的 限制，电机的故障率高、检修维护困难、功率和转速难以进一步提升，再加上直 流电机效率低、恒功范围窄、黏着利用率低，整车功率因数低。因此，从上世纪 7 0 年代国外就开始了交流传动机车的工程化工作。1 9 7 9 年，第一批工程化的e 1 2 0 系列大功率干线交流传动电力机车研制成功，揭开了交流传动技术发展的序幕。 截止上世纪9 0 年代，发达国家已经开始逐渐普及交流传动，不论是高速、干线还 是城市轨道交通均采用交流传动动力装置，新造机车车辆已不再装备直流传动的 动力装置，交流传动模式有两种，种是同步传动，另一种是异步传动，后者是 目前世界范围内的主流模式，前者仅在前期被法国等少数国家采用过。交流传动 克服了直流传动的固有弱点，使轨道牵引动力的发展进入了一个崭新的时代。随 着微机控制技术和大功率电力电子器件技术的发展，交流传动技术已经取得了工 程化的巨大突破，交流传动单轴功率已达到1 8 0 0 k w ，电机转速已超过4 0 0 0 r m i n ， 较直流传动几乎提高了一倍，而重量则更轻。新型电力电子器件的出现，g t o 晶 闸管替代快速晶闸管，以及i g b t 、口m 、i g c t 等新器件的成功应用；微处理器 替代电子模拟控制装置，具有高动态性能的磁场定向控制和直接转矩控制方法对 转差频率控制方法的更新；冷却方式从风、油、沸腾等介质发展到水冷却等一系 列新技术进步。这样就使得轨道电力牵引动力的重载化和高速化得以顺利实现。 从过去3 0 年来国际上电力牵引动力发展的历程看，交流传动有优异的牵引- n 动 特性，可以实现高粘着性能：持续功率大、重量轻、体积小，且有很宽的恒功速 度范围，它所能达到的高起动力、大持续功率和宽大的恒功区等特点，使其成为 名副其实的“通用型机车”。由于交流传动可以实现功率因数近似1 ，具有广泛的 北京交通大学博十学位论文 第一章绪论 再生制动功能，很小的对通信干扰作用，大大减少了的维修量和维修成本等优势， 使电力牵引动力从直流传动向交流传动转换的步伐不可逆转。中国铁路要实现技 术上的跨越，必须尽快完成电力牵引动力从直流传动向交流传动的转换f 2 “。 从上世纪7 0 年代开始，我国就开始了对交流传动技术的跟踪和研究。经过较 长时间的研究和试验，于上世纪9 0 年代初期自主完成了1 0 0 0 k w 电压型非对称快 速晶闸管油冷变流机组和1 0 2 5 k w 三相异步牵引电机的研制。1 9 9 6 年6 月，株洲 电力机车研究所和铁道部科学研究院合作研制成功我国首台干线交流传动原型车 a c 4 0 0 0 ，同年年底在环行试验基地完成了最高速度1 2 0 k m h 的各项运行试验， 实现了我国交流传动电力机车“零”的突破。1 9 9 8 年1 2 月，铁道部提出“争取用 十年左右的时间完成直流传动向交流传动转换”的目标，“十年转换”工程对交流 传动系统的开发为高速运载工具提供了新的动力。根据国际发展潮流，铁道部又 提出2 0 0 0 年为“高速、交传、发展”年。在引进、吸收、消化原则指导下，2 0 0 0 年“九方”号d j 型交流传动高速客运电力机车、“蓝箭”号d j j l 型动力集中式交 流传动高速电动车组先后研制成功，2 0 0 1 年“先锋”号d j f l 型动力分散式交流传 动高速电动车组也相继问世，并都取得了高速运营的经验。2 0 0 0 年1 1 月，“蓝箭” 号广深线最高试验速度2 3 6 k m h ，并在广深线承担了“公交化”繁忙商业运营；2 0 0 1 年1 月，“九方”号广深线最高试验速度2 3 1 k m h ；2 0 0 1 年1 1 月，“先锋”号广深 线最高试验速度2 4 9 ，5 k m h ，2 0 0 2 年9 月秦沈线最高试验速度2 9 2 k m h 。在自主开 发方面，2 0 0 1 年起我国相继研制成功了拥有自主知识产权d j 2 型“奥星”交流传 动高速客运电力机车和d j j 2 “中华之星”交流传动高速客运电动车组，后者于2 0 0 2 年1 1 月2 7 日在秦沈客运专线试验中，创造了3 2 1 5 k m h 的中国铁路最高速度纪录 1 ”。经过铁路科技工作人员多年的努力，我国的交流传动技术取得了很大的进步， 但必须看到与世界先进水平相比仍然存在一定的差距，如牵引电机制造技术、牵 引控制技术、大功率电力电子模块的制造等方面仍然比较落后，短期内很难达到 国际先进水平。2 0 0 4 年初，国务院通过的中长期铁路网规划提出了我国铁路 的发展目标为：到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到l o 万公里，主要繁忙干线实 现客货分线，复线率和电气化率均达到5 0 ，运输能力满足国民经济和社会发展 需求，主要技术装备达到或接近国际先进水平。2 0 0 4 2 0 0 5 年，按照中央提出的 “引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的要求【8 j ，铁道部先后与加拿大 庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔斯通和德国西门子公司签订高速电动车组引进 合同，这四家国外公司分别与国内的青岛b s p 公司、四方股份、长客股份和唐山 机车车辆厂四家制造商合作生产2 0 0 7 年第六次大提速和未来客运专线所需的 2 0 0 k m h ( c r h l 、c r h 2 、c r h 5 ) 和3 0 0 k m h ( c r h 3 ) 电动车组；与德国西门子、 法国阿尔斯通和日本东芝公司签订大功率电力机车引进合同，这三家国外公司分 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 别与国内的株洲电力机车公司、大同电力机车公司和大连机车车辆公司三家制造 商合作生产和谐2 z 、和谐2 d 、和谐3 型大功率货运电力机车：并实现外方关键技 术和主要配套技术的全面转让。执此难得的机遇，我国的铁路企业和研究机构都 在扎实开展电动车组和电力机车关键技术及配套技术的消化吸收再创新工作，以 提高我国电动车组和电力机车的制造水平，缩小与原创国家产品的差距，尽快提 升我国铁路技术装备的水平。 无论是国外交流传动电力机车、电动车组的引进消化吸收再创新，还是国内 交流传动电力机车、电动车组的自我研制生产，都需要对大功率交流传动系统及 其部件进行比较全面和深入的试验研究。通过研究性试验、中间试验和验证试验 来了解系统与部件的特性以及与外部环境的相互关系；通过试验研究来了解系统 与部件、部件与部件的相互关系、匹配条件、优化准则，以确定设计及制造的基 本要求。为此，需要对交流传动系统及其部件( 包括变流器、异步牵引电机、变 流器控制系统等) 进行功率相当的测试检验，这就离不开大功率交流传动试验系 统。它的使用，对于消化吸收国外先进的交流传动技术，以及为引进交流传动电 动车组和电力机车的试验、维护及国产车的研发、试验、维护提供技术平台，因 此具有良好的经济和社会效益。 1 2 牵引特性对交流传动试验系统的要求 对于铁路牵引来说，起动、调速及制动是列车运行的基本规律，也是机车电 传动系统必须达到的基本要求，尤其是机车的速度调节更是这三种运行工况的共 同基础，因为机车牵引列车时，司机要根据不同的运行条件来调节机车的速度。 为了充分发挥机车的功率，实现多拉快跑，就要求机车不仅能在不同的线路和载 荷条件下改变牵引力，而且还要求在相同的牵引力条件下得到不同的速度。由此 可以看出，机车的牵引传动系统必须保证牵引电机的转矩和转速都可作独立的调 节，而且具有宽广的调节范围【4 1 。同时要求在起动过程中有均匀的加速力和加速度， 以实现平稳起动，这就是说按恒转矩起动。当列车加速到额定速度并进入稳定运 行时，为了使传动设备的装机能力得到充分利用，要求在任何速度上都能达到额 定功率值，即按恒功率特性运行。交流传动干线电力机车的恒功率区宽度h 姒硝 ( h 。为机车最大速度，埔为额定速度) 可以达到2 ，5 - 3 o 【3 】。对于干线高速动车来 说，还要求能运行在自然特性区。不同的牵引要求，为发挥装备极限能力的各变 量参数跟制是不一样的；但在低速区最大力矩( 电流) 的限制和到达一定速度后 的最大功率限制的规律是相同的。图l ，1 是牵引电机的牵引工况和制动工况运行特 北京交遁大学博士学位论文 第一章绪论 性各参数变化的典型限制曲线。图中，兀为电机电磁转矩，以为电机供电电压， 五为电机定子电流，届为电机转差频率，l 为电机转速。 电力牵引交流传动试验系统应该能够完成如下试验： ( 1 ) 按照机车牵引特性进行不同级位“恒流准恒速”控制的牵引运行试验； ( 2 ) 按照机车制动特性进行再生制动试验： ( 3 ) 按照机车恒转矩起动的要求进行机车起动加速试验； ( 4 ) 逆变器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特性试验和有关参数测定 ( 5 ) 电机容量许可时，能完成逆变器装置的考核运行试验。 ( a ) 牵引运行时系统备参量的变化 ( b ) 制动运行时系统各参量的变化 图1 - 1 0 0 r 功车组用异步牵引电机的牵引与制动特性包络线 f i g 1 1 t r a c t i o n a n d b r a k i n g c h a r a c t e r i s t i ce n v e l o p e s o f a s y n c h r o n o u s m o t o r u s e d b y e m u 1 3 现有交流传动试验系统及存在的问题 国内外开展交流传动系统的研究已有多年历史。为开展研究工作的需要， 4 北京交通人学搏 学传论文第一章绪硷 些研究部门根据自身已有条件，建立了自己的交流传动试验系统。常见的交流传 动试验系统主要有以下几种： ( i ) 能量消耗型 能量消耗型试验系统又分为两种方式，第一种方式十分简单，就是在被试异 步电机m 的输出轴上直接接上一个可产生阻力矩的阻力设备，如图1 - 2 ( a ) 所示。 通过调节阻力设备的摩擦系数等参数，可以调节它对被试电机输出轴的阻力矩大 小，从而达到模拟实际负载的目的。这种方式的最大的优点就是简单，可靠，但 同时也存在着许多不足：阻力设备通过其与被试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；被试电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，这一点在大功率试验时尤为突出； 阻力设备仅仅能模拟负载的静态和缓慢变化的过程，而无法实时模拟真实负载的 动态过程。 n q vt n v 直 流 侧 直 流 侧 r 图1 - 2。能量消耗型”试验系统 f i g 1 - 2 e n e r g y - l o s s t y p et e s ts y s t e m s 第二种方式【9 ，0 1 是在被试异步电机m 的输出轴上对接一个直流发电机g ，直 流发电机的定子端直接接阻性负载r ，通过调节直流发电机的励磁l 来调节它的 输出转矩，即被试电机的阻力矩，如图i - 2 ( b ) 所示。这种方式的优点是直流发电机 调节转矩方便，可以模拟实际负载的动静态特性，而且系统的构成简单，实现起 来也不复杂。但是，直流发电机所发出的电能全部被电阻消耗掉，对能源浪费很 大。若长时间进行大功率试验，电能浪费惊人，试验费用非常高，用它来做常规 检验很不经济。同时还必须考虑如何对电阻负载进行散热处理，这往往会增加设 备以及所占用试验室的面积。另外，该试验系统不能模拟机车的高速运行试验。 ( 2 ) 能量反馈型 能量反馈型试验系统的典型代表是机组负载反馈方案 1 0 - 1 3 】，即由机组构成能 量反馈系统，其结构如图1 - 3 所示。变压器t 向四象限变流器r e c 提供单相交流 电，r e c 输出直流电供给逆变器i n v ，i n v 向被试异步电机m 1 输出三相交流电， 北京交通人学博十学位论文第一章绪论 驱动m 1 和直流发电机g 1 组成的发电机组转动，g 1 发出的直流电向直流电动机 m 2 和同步发电机g 2 组成的同步发电机组供电，同步发电机组旋转发电反馈回电 网。通过联合调节“直流发电机g l 一直流电动机m 2 一同步发电机g 2 ”能量反 馈系统的三个励磁l l 、l 2 、l 3 ，来调节陪试电机g l 的输出转矩，即被试电机的 阻转矩，以及维持同步发电机的频率稳定。这种试验系统的优点是试验时可将部 分电能返回电网，大大节约了电能，提高了效率，节省了试验的费用，但其缺点 也是很明显的：一共采用了四台电机，使用设备多，在建设试验平台时一次性 投资达；控制难度大，模拟负载由三台电机组成，调控对象多，调控方法复杂， 若不注意，容易出现超调，造成系统运行振荡；由于陪试电机是直流发电机， 转速受到换向器限制，难以试验被试电机的高转速区段。 电 网 图1 - 3“能量反馈型”试验系统 f i g 1 - 3e n e r g y - r e c y c l e - t y p et e s ts y s t e m ( 3 ) 飞轮负载型 飞轮负载型试验系统【1 4 1 的结构很简单，就是在被试异步电机m 的输出轴上对 接一个飞轮，如图1 4 所示。该试验系统利用飞轮来模拟实际负载的机械惯性，可 以有效抑制转矩波动，保持试验系统的稳定，特别适用于测试电机的起动加速和 制动减速过程。但是飞轮惯性难以灵活控制，只能通过更换飞轮或调节齿轮箱传 动比进行手动调节，无法真正模拟实际的负载情况，因此，飞轮负载一般和其它 类型的电气负载相结合而构成组合型的试验系统。 r e ci n v 翻l 一4 飞轮负载试验系统 f i g 1 - - 4 f l y w h e e ll o a d t e s ts y s t e m 目前，鼠笼式异步电机在电力牵引交流传动领域中的应用越来越多。众所周 知，交流传动系统中，当逆变器向异步电机供电时，如果供电频率高于异步电机 的转速频率( 即转差频率为正) ，则电机呈电动状态运行，通过逆变器从直流侧吸 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 收能量。相反，如果供电频率低于异步电机的转速频率( 即转差频率为负) ，则电 机呈发电状态运行，通过逆变器向直流侧反馈能量。在异步电机运行之中，从电 动状态向发电状态转换，无需在主电路上作任何切换，只需将逆变器的供电频率 由高于电机转速频率转为低于电机转速频率即可实现。也就是说，同一套“逆变 器一异步电机”系统，既能把逆变器直流侧的电能转变为电机轴上输出的机械能， 又能把电机轴上输入的机械能转变为逆变器直流侧的电能。为此，采用两套相同 的“逆变器一异步电机”装置，背靠背通过联轴器串联在一起，装置1 把直流电 能变为机械能传递给联轴的装置2 ，装置2 把获得的机械能变为直流电能，又返固 给装置l ，即能量就在两套装置的内部流动。它们可以互为被试对象，当被试对象 改变时，能量流向也改变方向，可见这种试验系统的机械能和电能都是可以互馈 的。所以把这两个装置构成的试验系统称为“双逆变器一电机”能量互馈型交流 传动试验系统”3 】( 简称为交流传动互馈试验系统，r e c i p r o c a lp o w e r - f e da cd r i v e t c s ts y s t e m ) ，结构如图1 5 所示。 图1 - 5 交流传动互馈试验系统 f i g 1 5r e c i p r o c a lp o w e r - f e da cd r i v et e s ts y s t e m 图1 5 所示交流传动互馈试验系统由两套相同的“逆变器异步牵引电机”背 靠背串联而成，一套( i n v l 一m 1 ) 工作于电动状态，另一套( i n v 2 一m 2 ) 工作于 发电状态，能量交换在直流侧进行。这种异步牵引电机背靠背、串联互馈试验系 统是目前国际上较为先进的交流传动试验方法和手段，国外如庞巴迪公司、东芝 公司等的交流传动试验系统就是采用这种方案。该试验系统用异步牵引电机来充 当模拟负载的角色，它具有以下优势： 由于采用直流能量互馈方式，使得整个系统的能量消耗仅仅是电机内部的 损耗和各种开关器件的损耗，能量利用率得到大大的提高； 由于整个系统的能量消耗只是被试电机功率的一部分，所以采用这种方式 能够利用小功率等级的电源试验大功率等级的牵引电机，而不需要对供电电源进 行扩容改造； 系统试验的高速度只与被试异步牵引电机的参数有关，而不受直流电机换 向器的影响，可以满足机车牵引试验高转速的要求； 7 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 两套完全相同的“逆变器一异步牵引电机”装置的功能和角色可以互换， 可以互为被试件，一次安装就可以完成两套装鹭的测试，提高了试验的工作效率； 如果采用高性能的控制方式对被试电机和陪试电机进行联合调节，就可以 模拟实际负载的各种动静态特征。 1 4 本论文的主要内容 牵引变流器、牵引电机和牵引控制系统是轨道交通交流传动的三大核心技术， 大功率交流传动试验系统可以对以上三大核心技术开展很好的研究，因而具有非 常重要的现实意义。本文对一种“双逆变器一电机”能量互馈型交流传动试验系 统( 图1 - 5 所示) 进行了深入的研究，其主要内容安排如下： 1 第二章首先阐述了交流传动互馈试验系统的工作原理和节能原理；接着对 矢量控制系统的电压解耦问题进行了研究，深入比较了反馈解耦、前馈解耦和交 叉解禚三种不同电压解祸算法的优缺点；随后针对大功率电压控制型矢量控制系 统的特点，引入滑模变结构控制理论，提出了一种复合型滑模变结构电流控制器， 并对它进行了理论分析和仿真研究；最后在分析互馈双电机转矩平衡关系的基础 上，提出了基于矢量控制的互馈双电机联合控制策略，并进行了仿真研究；此外， 还推导出了互馈双电机系统的小信号线性状态方程，为系统的稳定性分析及参数 选择提供了重要参考。 2 ，第三章首先总结了三相电压型四象限变流器的数学模型，接着在现有单台 d c 7 5 0 v 四象限变流器的基础上，构建了d c l 5 0 0 v 两重化串联四象限变流器系统， 并提出了基于移相式s v p w m 的预测电流控制方案，最后对该控制方案进行了仿 真研究。 3 第四章首先概述了s v p w m 技术的基本原理，接着对s v p w m 的过调制阀 题和两种典型的过调制算法进行了深入研究，并给出了j h o l t z 双模式过调制算法 中关键控制角的计算过程；最后对经典的双模式过调制算法进行了适当的数学简 化，推导出了一种具有全调制范围的新型s v p w m 算法，并进行了仿真和试验研 究。 4 第五章首先对交流传动互馈试验系统的结构与功能进行了简要说明，接着 设计了一套基于双d s p 控制板、i g b t 驱动板等的变流器控制系统，它不仅适用于 四象限变流器的控制，而且适用于逆变器的控制；最后给出了交流传动互馈试验 系统的部分试验结果。 5 第六章给出了本文的研究结论，并提出需要进一步研究的问题。 北京交通人学博= 学何论文第二章交流传动互馈试验系统的原理与扮制 第二章交流传动互馈试验系统的原理与控制 双逆变器一电机构成交流传动互馈试验系统的核心，它由两套完全相同、直 流侧并联的“逆交器一异步牵引电机”背靠背串联而成。因为采用直流能量豆馈 方式，使得整个试验系统具有较高的能量利用率，能够利用小功率等级的电源进 行大功率等级的试验研究，这是该试验系统最突出的优点。此外，采用高性能的 控制方式对双逆变器一电机进行联合控制，可以方便的调节电机组的转速和转矩， 从而达到模拟机车牵引、制动等工况试验的目的。本章首先详细阐述了交流传动 互馈试验系统的工作原理和节能原理，接着对电压解耦型矢量控制系统的电压解 耦问题和不同的电压解耦算法进行了深入研究，并提出了一种复合型滑模交结构 电流控制器，最后在分析互馈双电机转矩平衡关系的基础上，提出了基于矢量控 制的互馈双电机联合控制策略，并进行了仿真研究。 2 1 交流传动互馈试验系统的原理 本文所研究的交流传动互馈试验系统的原理图如图2 1 所示。四象限变流器 r e c 将电网三相交流电整流成直流电，再经逆变器i n v l 变换成可变压变频的三 相交流电，供给异步牵引电机m 1 ，使其做电动状态运行，m 1 运行后带动联轴的 异步牵引电机m 2 一起旋转。按照一定的控制策略，对逆变器i n v 2 适当控制，使 异步牵引电机m 2 的定子频率低于转速频率，符合异步牵引电机发电条件，做发电 状态运行。发出的三相交流电经i n v 2 按照既定的控制策略控制整流成直流，回馈 到直流侧又供给i n v i m l ，使得能量得到充分利用。逆变器矾v 2 的工况很有特 点，实施的是逆变器控制方式，得到的是p w m 整流器的效果。通过控制异步牵引 电机m 2 的转差频率变化，可以改变发电机转矩的大小，从而达到模拟被试电机负 载变化的目的。 电 网 图2 - i 交流传动互馈试验系统原理圈 f i g 2 - lp r i n c i p l ed i a g r a mo f r e c i p r o c a lp o w e r - f e da cd r i v et e s ts y s t e l l l 9 北京交通人学博十学仲沦文 第一章交流传动自：馈试验系统的取理j 控制 上述试验系统中，d l 于采用了“双逆变嚣一i 【l 机”背靠背、串联馈试验技 术，使得整个系统的能量损耗仅仅是电机内部的损耗和各种开关器件的损耗，能 量利用率得到大大的提高；由于整个系统的能量损耗只是被试电机功率的一小部 分，所以采用这种方式能利用小功率等级的供电电源来试验大功率等级的传动机 组，而不需要对供电电源进行扩容改造；采用高性能的控制策略对两台牵引电机 进行联合调节，能够模拟实际负载的各种动静态特征和机车的诵节特性。根据异 步牵引电机的电磁关系，可以得到电机控制时转矩与转差频率的限制关系如图2 - 2 所示。图2 - 2 是2 0 0 k m h 动车组3 0 0 k w 牵引电机的转矩与转差限制关系曲线，图 中以是电机供电电压，疋是电机电磁转矩，s + 5 0 0 0 是转差率5 放大2 5 0 0 倍后的 情况，：，* 5 0 是转差频率，放大5 0 倍的情况为电机转差频率。显然，只要控制好 牵引电机2 ( 作发电机用) 的转差频率，便可控制得到所需的转矩要求。 图2 - 22 0 0 k m h 电动车组用3 0 0 k w 牵引电机的转矩与转差频率限制关系 f i g ，7 - 2 l i m i t i n gr e l a t i o no f t o r q u ea n ds l i pf r e q u e n c yo f 3 0 0 k wm o t o ru s e db y2 0 0 k m he m u 2 1 1 系统运行的基本原理 为了便于说明互馈试验系统的具体调节过程，这里规定m 1 为被试( 牵引) 电 机，定子频率为z ，输出转矩为& ：m 2 为陪试( 负载) 电机，定子频率为正：， 输出转矩为互：；两台电机同轴相联转速相同n ，折算后电频率为厶。同时规定与 电机转速n 方向相同的转矩为“+ ”，相反的为“一”。电机m 1 的转差频率为 ，。= z 。一厶 ( 2 - 1 ) 电机m 2 的转差频率为 0 北京交通入学博十学位论文第二章交流传动互馁试验系统的原理与拧制 ，：= z ：一矗 ( 2 - 2 ) 实际控制时，根据机车控制级位的转矩和速度值，按照转差频率的需要，计 算出对应的逆变器定子频率z ，和z ：，即可获得不同级位的牵引特性1 6 1 。 1 试验系统的起动过程 根据所需的起动转矩珞，计算出转差频率丘f l ，由于电机转子静止( 矗= 0 ) ， 因此逆变器i n v i 的给定输出频率z = z 按照恒磁通的要求，控制逆变嚣i n v l 输出到电机m l 的电压为以儿，频率为z 门此时电机m 1 获得一个输出转矩i ，( o ) 等于起动转矩互n ，从而有开始旋转的趋势。在控制逆变器i n v i 的同时，控制逆 变器i n v 2 ，使得输出到电机m 2 的电压和频率为2 和厶：。但电机m 2 的定子相 序要与电机m i 相反，也即磁势旋转方向相反，因而定子频率为负值，即 厶= 一j 厶l ，电机m 2 获得一个与电机m 1 方向相反的输出转矩( o ) ，这样电机 轴上便获得一个转矩差c ， a r e = 已+ t ：= 譬 ( 2 3 ) p n “ 其中国为电机旋转角频率，n 为电机极对数，是两电机联轴后的等效转动惯量。 当z = 0 时，两台电机不动，但电机轴上获得了所需的转矩。此时电机m 1 属于电动工况，电机m 2 属于电磁制动工况，电机轴上的转矩大小可以根据需要调 节电机供电电压的频率进行改变。 调节两台电机的转矩差，由式( 2 3 ) 就可以得到所需的恒定起动角加速度 a 6 0 a t ，电机就可以顺利地起动。电机获得角加速度开始旋转，当转子速度为咒 ( r m i n ) 时，相应的转轴电频率五为 厶= 警( 舷) ( 2 4 ) 厶的方向与电机m 1 的定子频率方向一致，所以为正值。根据式( 2 1 ) ，为了维持 两机m i 恒转矩起动，即t ，不变，定子频率厶需要随着转速的增加而不断增加， 以维持转差频率z 。不变。同时也要维持转差频率厶：不变，根据式( 2 - 2 ) 需要不断 地增加电机m 2 的定子频率z ：( 注意：此过程中厶 0 ，电机m 2 的定子相序改变。此时，电机m 2 的磁势旋转方向与电 机m 1 相致，它工作于发电( 再生制动) 工况，转轴输入的机械功率一部分消耗 于转子电阻上，另一部分通过逆变器i n v 2 反馈回电网。 当电机转速提高到接近目标值时，在同时增加z ，和，：的基础上，减慢z ：的 增加速度，以减小电机m 2 的输出转矩砭( 注意： 0 ，其绝对值是在不断地 增加) ，从而减小转矩差z 和角加速度, z , o a t 。直到电机转速达到目标值后，维 持= 0 。 2 恒负载调速过程 负载不变，就是要维持疋：恒定。列车在平直线路上行驶属于这种情况。假设 列车提速，从转速n 1 增加到1 , 1 2 。根据转速调节前后的差值，计算出转轴电频率的 增量厶。调节转速时，把电机m 1 的给定定子频率增加4 厶。此时，由于转速尚 未改变，所以获得的转差频率z ，变大了，相应的输出转矩毛也变大了，电机m 1 的电流开始增加。这样，电机开始加速。在加速过程中，电机m 1 的转差率在下降， 转矩差z 也在下降；同时要不断调节电机m 2 的定子频率，以维持提速过程中转 差频率，：，：不变，也即输出转矩i ：不变，因此电机m 2 的电流不会改变。当电机转 速达到新的给定值后，电机m l 的定子频率z 。增加了瓠，转差频率，：，回到原先 值，电流也回到原先值；电机m 2 的定子频率z ：也增加了厶。新稳态时，电机 m 1 和m 2 的电压都随着定子频率的增加而增加了，所以逆变器i n v l 供给电机 m 1 的功率增加了，电机m 2 输出给逆变器i n v 2 的功率也增加了。电机m 1 在提 速过程中增加电流获得的电能最后转化成了电机转子旋转的动能。 3 恒速调负载过程 这是模拟列车上下坡的恒速运行过程。以列车上坡( 负载增加) 为例，设转 矩增加量为a z 。根据电机m 2 增加转矩后的转矩与转差关系，得到电机m 2 新的 给定转差频率为z ，：。，再根据式( 2 2 ) 求得新的定子频率赋予逆变器i n v 2 ，此时 电机轴上获得了一个减速的转矩差，开始减速。通过检测单位时间的转速变化， 计算出电机m 1 的负载转矩变化量( 当然也可以利用扭矩仪直接检测) ，马上折算 成电机m l 的转差频率，加上期望的转轴电频率厶，作为新的定子频率赋给逆变 器i n v l 。这样，电机m 1 的转矩给定值要大于电机m 2 所提供的实际负载转矩， 恰好给电机重新升速提供了一个加速度。当电机转速回到原先值后，电机m i 的输 出转矩和电机m 2 的负载转矩相等，维持电机转速不变。 北京交通人学博十学位论文第二章交流传动互馈试验系统的原理与托：制 4 试验系统的制动过程 制动分两种情况，一种是惰行制动，种是再生制动。惰行制动时，牵引控 制系统不施加制动力，通过负载阻转矩实施制动。这可以通过切断逆变器i n v l 的 供电，和通过逆变器i n v 2 适当减小负载转矩来模拟减速过程的空气阻力减小过 程。本文讨论续施加制动力的再生制动情况。 列车制动时，主要通过电空联合制动来完成制停过程。为减少机械损耗，电 制动应该作为电牵引车辆的主要制动手段。为了节约能源，当电网电压没有超出 允许值时，交流传动系统的电制动都采用再生制动。实施再生制动时，电机m 1 作发电工况运行；在制动过程中，为了维持负载转矩的基本不变，电机m 2 作电动 工况运行，给电机m 1 的制动提供一个负载的“动力源”。 在制动时对制动力的要求是不