（电力电子与电力传动专业论文）基于dspace的直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 em o t o rd y n a m i cl o a ds y s t e mi st h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l ys i g n i f i c a n tf o rt h ed e e p r e s e a r c ho ft h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e rd e s i g no ft h et r a c t i o nd r i v es y s t e m ，a s a ni m p o r t a n tm e a nt ot h er e s e a r c ho ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fu r b a nr a i lv e h i c l e sd e s i g n , a n da l s of o rt h ed e t e r m i n a t i o no fm a t c h i n gc h a r a c t e ra n do p t i m i z a t i o np r i n c i p l ea m o n g t r a c t i o nc o n v e r t e r , c o n t r o ls t r a t e g ya n dt r a c t i o nm o t o r 刀始m o t o rd y n a m i cl o a de x p e r i m e n t a ls c h e m ew a sp r o p o s e db a s e do nt h es y s t e m a t i c a n a l y s i so ft h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mo fu r b a nr a i l v e h i c l e s ， a c c o r d i n g t ot h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，w h o s es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g i e s w e r et h o r o u g h l ya n a l y z e di nt h ep r e s e n ts t u d y t h et h e s i sp r o v e dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y o fs y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lt h r o u g hs t i m u l a t i o n u - nm o d e lw a su s e dt oi m p r o v et h eo b s e r v a t i o no ft h ef l u xa n da tt h es a m et i m et h e s i t u a t i o no ft o r q u er i p p l eo fd t cl o a ds y s t e m ，f o rt h ep r o b l e m sl i k ep e r f o r m a n c ed e f i c i e n c y o ff l u xo b s e r v e ra n dt h eb i g g e rt o r q u er i p p l ei nt h es y s t e ms c h e m et h r o u g ht h es t i m u l a t i o n a n a l y s i so ft h ec o m p a r i s o na m o n ga l lt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s t h ef l u xo b s e r v e rb a s e do nu - n m o d e lh a ss t r o n g e rr o b u s t n e s sf o rs t a t o rr e s i s t a n c ed e v i a t i o na n ds p e e dd i s t u r b a n c e b y i n t r o d u c i n gs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，t h er e g u l a t i o np r o c e s so ft o r q u ew o d db es m o o t h e r , w h i c hc a nd e c r e a s ed e g r e eo ft o r q u er i p p l e 1 1 1 eh a r d w a r ew a sc o m p l e t e dd e s i g no fd y n a m i cl o a de x p e r i m e n ts y s t e ma n dt h e r e a l - t i m em o d i f i c a t i o n o fs t i m u l a t i o nm o d e l t h ee n g i n e e r i n gp r o t o t y p ew a sm a d ea n d d e b u g g e d ；t h es t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a ds y s t e mw e r e a l s ot e s t e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o t o r d y n a m i cl o a de x p e r i m e n ts y s t e mi nt h ep r e s e n ts t u d yc a r l _ n o to n l ya c h i e v et h ed y n a m i c l o a d i n ga n dd y n a m i cl o a dd e d u c t i n gu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，b u ta l s or e s p o n s e f a s t e r k e yw o r d s ：m o t o rd y n a m i cl o a d ，d i r e c tt o q u ec o n t r o l ，s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ， d s p a c e 声明尸i 凋 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：f 年6 月，9 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 沙卜年6 月加 硕士学位论文基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 1 绪论 1 1 论文研究背景与意义 交通运输是国民经济发展的基础，是生产力与生产资源的合理分配的重要保障。目 前我国正在推进城乡一体化，需要以城市为中心，将周边村镇融合成一个整体。在这个 过程中，解决城市交通运输问题是重中之重。根据国外相关研究，当城市规模越大，以 城市轨道交通为核心构建的交通系统结构越是具有明显的技术经济优势瞳1 。中国人口 数量众多，在城市化进程中推进轨道交通建设符合中国的基本国情。 目前我国北京、上海、广州、南京、天津、武汉、重庆、深圳、大连等9 个经济较 发达的大城市的城市轨道交通系统已开通运营。另外，成都、杭州、沈阳、福州等城市 已获国务院立项。在城轨项目中，土建，轨道，通信，自动售检票系统等技术已经非常 成熟，完全可由国内设计并施工，车辆传动技术则不然。国外大公司在城轨车辆传动领 域的技术优势明显，牵引系统设计的关键技术仍只为国外大公司掌握，国内各大城市地 铁应用车辆的牵引传动系统的技术核心均由国外大公司提供，南京地铁一号线的牵引系 统采用了法国的a l s t o m 公司研究设计的方案，而二号线以及一号线南延线亟待自主研 发和设计，实现地铁的国产化生产口1 。要实现电动车组整体化自主研发，就必须很好的 引进并吸收国外大功率交流传动技术的精华，深入研究牵引传动系统构造、特性与参数 设计。通过研究性试验、型试试验和例行试验来验证研究与设计的合理性与可靠性，确 定牵引变流器，控制策略与牵引电机间的相互影响，参数的匹配特性与优化原则。同时 便于实现故障情况模拟再现，进行最坏情况分析。而目前国内尚无成熟的牵引系统研究 实验系统，对牵引系统特性的测试过程不够完善，主要功能集中在恒定负载下对牵引电 机的性能测试，无法对列车整体运行过程进行动态模拟。通过研究并设计牵引电机动态 负载实验系统，实现城轨车辆在实际运行过程中变化的负载阻力模拟，与地铁线路仿真 的结合构建城轨车辆传动动态模拟系统，实现对车辆在整条线路上运行过程的半实物化 仿真分析。有利于打破国外大公司对牵引变流技术以及列车监控与保护技术的垄断的局 面。实现牵引系统的国内自主化研发生产。 1 2 城轨车辆牵引电传动系统的发展概况 1 2 1 牵引传动系统的结构组成与功能要求 城市轨道交通电气传动系统是指车上的d c a c 逆变系统h 3 ，城市轨道交通电气牵 引传动系统主要由逆变主电路与控制电路两部分组成，构成车辆自动控制系统底层的控 制要素。考虑到主电路的稳定性，通常采用1 拖4 的方式，即一台逆变器控制四台牵引 1 绪论硕士学位论文 电机啼1 。电气牵引传动系统接受列车自动监控系统( a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ，a t s ) 、 列车自动防护系统( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ，a t p ) 、列车自动驾驶系统( a u t o m a t i c t r a i no p e r a t i o n ，a t o ) 与计算机联锁系统( c o m p u t e r ，i n t e r l o c k i n g ，c i ) 的联合调度 控制刮，在牵引运行过程中将直流电网的电能转换为动能，牵引车辆加速运行；在停 车制动过程中将车辆动能转换为电能回馈电网，一方面提供减速停车需要的制动力，一 方面将动能回馈电网重复利用。 城轨车辆的运行时间要求严格，需严格遵守运营时刻表的时间安排和分配，否则容 易造成旅客人员的滞留与聚集，客运量无法得到合理的安排。因此对车辆启动和制动的 性能都有一定的要求。以北京地铁采用的列车为例，在牵引直流电网供电网压为d c 7 5 0 v 标准状态下，要求车辆在平直道上的平均启动加速度( a w 3 ) 不小于o 8 3 r r d s 2 , 平 均制动速度则不小于l m s 2 ，紧急情况下则要求达到1 2 m s 2 以上的标准p 1 。牵引传动系 统需要满足车辆动力性能实现预期的运行速度，同时需要保证故障状态下的牵引性能以 及充裕的救援能力。与铁路运行系统相比，城轨车辆的运行工况相对特殊，大多运行范 围分布在市区。以地铁系统为例，其运行线路主要分布于主城区各重要干道的地下，各 车站间间隔较短( 大致为1 0 0 0 m 左右) ，车辆牵引系统启动与制动动作交替运行，切 换频率高。为了满足车辆动力性能的要求，要求列车牵引系统具有很大的启、制动力矩， 启、制动过程峰值吸收( 回馈) 功率很大，导致直流供电电压的变化范围很大。 1 2 2 国内外牵引传动技术的发展 牵引传动技术的发展离不开电力电子技术的进步与发展。具体体现在驱动电机与牵 引变流器结构，类型的选取与控制方式改进。1 8 7 9 年的世界第一台电力机车和1 8 8 1 年 的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式，直流传动方式逐渐发展并达到顶峰u 0 1 。 直至上世纪5 0 年代水银整流器机车的出现，电力电子技术开始渗透进入传动领域。7 0 年代后出现要交一直一交传动，即所谓的交流传动n 卜n 1 。这种传动型式被认为是现代机车 的标志，自此，交流电机逐渐成为牵引电机应用主流。以交流异步电机为代表，其性能 的优越性n 1 8 3 体现在在机械、绝缘、粘着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面。 l 、结构简单可靠，造价便宜。定转子间仅存在轴承接触，机械结构简单。机械转 速最高可达4 0 0 0 r m i n 以上，在试验条件下，转速甚至可达6 0 0 0 r m i n ，直流电机无法与 之相比。 2 、较好的粘着特性。陡峭的电机自然特性决定了这一特点。在转速变化不大的情 况下，转矩可调范围较大。这样就能够有效的解决轮径损耗不一致带来的负载不均的问 题。当出现负载不均时，能够很平滑的调整电机的驱动电压和频率，平滑的调整电机的 牵引寻求工作点，直至最佳状态，保证牵引力的恒定供给。 3 、恒定转矩，调速范围大。在相同的体积重量下，异步牵引电机提供的输出功率 2 硕士学位论文基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 能够达到直流电机的两倍甚至三倍以上，如加拿大改造的c p 4 7 4 4 号机车，在给定的设 计空间条件下，直流电动机的功率大约被限制在6 0 卟7 0 0 k w 轴。 牵引变流器性能的迅速提升主要决定于电力电子器件性能的发展与提高n 蚴1 。从半 控型的晶闸管( s c r ) ，全控型晶闸管( g t o ) 至目前已经在世界各地推广使用的绝缘栅双 极型晶体管( i g b t ) ，开关器件的功率容量，耐压值与开关频率都在不断地得到提高。 i g b t 器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好，损耗小，且自我 保护能力也强。为此，目前世界上无论是干线铁路还是城市轨道的电动车辆的电气系统 中均采用i g b t 模块来构成。1 9 9 1 年小型i g b t 模块开始商业化生产，其电压等级为 1 2 0 0 v 3 0 0 a ，很快至1 9 9 3 年，i g b t 模块的性能提升至1 7 0 0 v 3 0 0 a 。此时，变流器 驱动性能的提升主要受限于器件耐压水平，为此，德国和日本都曾采用三电平逆变结构 解决在城轨牵引供电( 1 5 0 0 v ) 的器件耐压问题。但随着上个世纪末新一代i g b t 迅速 发展，尤其是3 3 0 0 v 等级i g b t 的批量生产，由这类器件构成的两电平逆变结构能够满 足电压等级需求，大多数城轨车辆的逆变结构又回归至两电平方案。三电平逆变方案虽 然能够输出更多的空间矢量，产生更小的谐波的同时获得更好的牵引性能，但是缺点也 很明显，主电路的结构复杂，器件数量增加一倍，同时需要实现电容间均压，增加控制 难度的同时可靠性下降。所以在城轨车辆中目前都采用i g b t 构成的两电平逆变器。 尼卜 喝 5 迕 淹 章诲i 淹 ：盔l 丹岛潞2【潞ji 婿 _ ： =2 u l l 1 。嗨啼堆 一 一 查 引 疋 电 机 图1 1 三电平逆变结构 伴随着电力电子技术器件性能的提升， 图1 2 两电平逆变结构 现代电机控制技术白上世纪7 0 年代起有了 突破性进展。1 9 7 1 年，德国学者b l a s c h k e 提出了交流电机矢量控制理论乜2 嗡】。1 9 8 5 年， 德国学者m d p e n b r o c k 与日本学者i t a k a h a s h i 提出了直接转矩理论盥7 3 ，这两个理论构 成了现代电机控制技术的基础。城轨车辆的牵引控制策略也先后跨过了晶闸管移相控 制，转差频率控制的阶段。目前在城轨车辆交流传动系统上应用的有两个典型的代表： 一是德国s i e m e n s 公司开发完善的矢量控制方案口引，另一是法国a l s t o m 公司推出 的矢量控制方案口引。由于要满足机车车辆高要求的牵引性能，这两种方案都是采用直接 转子磁场定向控制方法，不同的是德国s i e m e n s 公司实现了电压的前馈解耦，增强了 系统的稳定性，而法国a l s t o m 公司增加了相位调节器来实现参数的自适应控制。上 海地铁二号线，三号线分别采用了上述两种方案，南京地铁一号线采用的也是法国 1 绪论 硕士学位论文 a l s t o m 公司的方案。 1 3 城轨车辆传动实验系统的研究现状 对城轨车连牵引系统的启动特性、调速与电制动特性的测试是牵引电机实验系统必 须满足的基本要求。对牵引系统的测试，不能只在恒定负载或是空载的工况进行。必须 在不同负载情况下测试系统的牵引特性，模拟不同的线路环境与载荷条件下，电动车组 控制牵引力与输出功率情况。 图1 3 电动车组牵引特性包络线图1 4 电动车组制动特性包络线 国外对牵引传动实验系统的研究较早，德国德骚的d r 铁路科学技术中心试验台1 于上个世纪八十年代已经建设完成，主要用于研究和开发新机车，检验电力机车的零部 件间的匹配关系。日本也于1 9 8 7 年新建了一套高速机车实验系统，能够实现对主电路 系统的牵引特性，制动特性，粘着性能与运转性能进行测试。该系统采用圆盘型轨道模 拟钢轨，本质上从属于大飞轮惯性负载实验方案，这类测试系统对牵引系统电气部分与 机械结构部分( 包括转向架) 都能够很好的测试，但该系统在实验的过程中产生的能量 损耗较大 电 网 t r e ci n v 、 上 、_ _ _ 一 t ，l v 飞轮 图1 5 大飞轮惯性负载实验方案 国内的株洲电力机车所m 1 于九十年代末期针对内燃机车的牵引控制系统展开研究， 引进吸收德国德骚的d r 铁路科学技术中心试验台技术，设计并建造了2 0 0 0 k w 的交流 传动试验台，如图1 6 所示。实验台按照标准内绕机车牵引系统设计，该实验台采用双 直流电机同步电机的方式实现能量向电网的回馈。其中，双直流电机作为能量传递的 中间环节，实现了机械能变频至定频的变换，便于三相同步发电机电机将能量回馈电网。 这种负载调节方便，变化比较平滑，但缺点是体积庞大，结构复杂。在实验的过程中调 控对象较多，系统的容易发生振荡。另外，直流电机的转速无法满足牵引电机的转速需 4 硕士学位论文基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 求，需要在牵引电机与直流负载电机间耦合减速箱，增加了系统的复杂程度。 图1 6 双直流电机- i 司步电机方案 铁道部科学研究院提出了一种新型的大功率交流实验台的方案口5 1 ，采用两套相同的 “四象限变流器一异步电机”装置，背靠背通过联轴器串联在一起，在模拟牵引状态时， 驱动电机m 1 把直流电能变为机械能传递给联轴的负载电机m 2 ，负载电机m 2 通过另 外一台四象限变流器把获得的机械能变为直流电能回馈直流母线，供驱动电机重复使 用。这样能量就在两套装置的内部循环流动，减小了能量损耗。驱动与负载电机可以互 为被试对象，当模拟制动状态时，双电机的角色互换，仍然可以保证能量的循环利用。 北京交通大学的马志文博士深入研究了这类能量互馈型实验系统，提出基于电压解耦型 矢量控制的控制策略m 1 。同时研究了系统的稳定性与可行性，并制作了样机验证了理论 分析的结果。 图1 7 四象限变流器异步电机方案 1 4 本文的课题来源和主要研究工作 本课题是江苏科技厅研究项目“江苏省电气牵引仿真设计公共服务中心的重要组 成部分，主要用于实现牵引系统主功率部分与控制部分的瞬态特性与能耗特性的半实物 化仿真。同时该系统作为南京浦镇车辆厂自主研发设计e m u 牵引系统综合试验装置的 1 绪论 硕士学位论文 前期研究型实验，得到了中国南车集团浦镇车辆厂的大力支持。 文章的结构安排如下： 第一章主要介绍了城轨车辆牵引电传动系统的结构与特点，分析了城轨车辆传动实 验系统的国内外研究现状。阐述了论文研究的主要内容和意义。 第二章定性，定量分析了城轨车辆牵引电机阻转矩的特点，提出了基于直接转矩控 制的电机动态负载实验系统的设计方案。 第三章在从空间矢量的角度分析了电机动态负载实验系统的数学模型，在此基础 上，阐述了动态负载系统的基本结构与直接转矩控制方案。并对系统的磁链跟踪情况， 电磁转矩响应特性与启动过程进行了仿真分析，指出系统的待改进之处。 第四章是在第三章分析研究的基础上，针对直接转矩控制策略的稳定性与动态特性 进行了深入的研究，比较分析了不同类型的磁链观测器的效果。针对直接直接转矩控制 策略的转矩脉动，提出了转矩脉动的抑制措施，仿真分析对比验证改造的合理性。 第五章详细阐述了控制器d s p a c e 的硬件结构与软件开发流程，设计构建了基于 d s p a c e 的电机动态负载系统的半实物化仿真平台。对硬件系统的各个组成部分都做了 详细的说明。最后阐述了离线仿真模型的改造方法。 第六章根据设计方案，制作实验样机。样机与真实系统转速变化范围保持一致，功 率与额定转矩则等比例缩小，通过稳态实验与动态实验对其性能进行分析研究。 6 硕士学位论文基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 2 实验系统总体方案设计 2 1 目标定位与设计思想 电机动态负载实验系统是轨道交通电气牵引仿真系统主要组成部分，电气牵引仿真 系统同时还需要列车线路仿真软件的支持。列车线路仿真软件是通过建立城市轨道车辆 运行工况的数学模型，通过计算机仿真分析，为机车的模拟运行提供一条虚拟通道，研 究特定线路结构下的列车牵引系统运行的稳态、暂态特性，从而确定最佳的车辆自动控 制方案。电机动态负载实验系统则构成牵引仿真系统的底层硬件基础，将列车牵引系统 与负载阻力特性半实物化模拟。它的基本功能是对列车牵引系统进行型试试验与研究性 试验，通过不同负载下的牵引特性与启、制动特性的实验研究评价牵引系统的性能。在 轨道交通电气牵引仿真系统中，则依据车辆动力系统的牵引特性确定控制策略，验证线 路仿真软件离线仿真得到的列车自动控制方案与车辆调度方案的合理性，为列车牵引能 耗优化计算提供实验依据，进一步可用于评价列车自动防护系统( a t p ) 的可靠性。 旦回 国围困 j ? | 。j ” ， 。 一7 ，一谚 矿 e 篇耋篡器豢 电机动态负 牵j l 蓖耗优化计算 蟊实验系境 图2 1 电气牵引仿真系统结构图图2 2 电气牵引仿真系统研发流程 以地铁牵引系统作为分析对象。如图2 3 所示，地铁运行线路通常设计为出站时下 坡道运行，这样有利于减少启动时的牵引阻力，减小加速过程中的功率损耗；车辆停车 进站处通常设计为上坡道运行，这样有利于充分利用列车运行的剩余动能，帮助车辆迅 速停车，减少空气刹车系统的动作时间。暂且忽略车辆运行过程中的风阻( 与车辆速度 有关) 与曲线阻力( 与曲线半径有关) ，对车辆运行过程中的摩擦阻力与坡道阻力做定 性分析，结果如图2 4 所示。从图中可以看出，车辆运行过程负载阻力存在突变，在车 辆下坡运行直至坡底时，坡道助力突然消失，牵引系统的负载呈阶跃性突变上升，在平 直道上运行至减速上坡，坡道阻力突然增加，负载阻力再次阶跃增加，达到最大值。 图2 - 3 地铁牵引典型工况 7 。 ， 线敢 、 窍件，；|i旗 。厂 2 实验系统总体方案设计 硕士学位论文 图2 4 典型工况阻力特性 由此可以看出，动态负载系统模拟牵引系统的负载特性需要满足如下三点要求： ( 1 ) 需要保证负载转矩响应的稳定性，防止系统出现机械振荡； ( 2 ) 需要满足负载转矩阶跃变化的特性，负载电机电磁转矩的响应速度要快； ( 3 ) 随着牵引工况的变化，负载转矩能够在正值与负值间快速翻转变化。 根据负载特性的要求，需要进一步对牵引系统的阻力特性做定量分析，确定牵引电 机负载转矩的变化范围与翻转区间。 2 2 城轨车辆牵引阻转矩特性定量分析 车辆运行过程中，由于各种原因自然发生的与列车运行方向相反的外力，称为运行 阻力，其作用是可阻止列车发生运动或使列车自然减速。阻力按其产生原因可分成两类： 基本阻力和附加阻力口 。 2 2 1 基本阻力模型 基本阻力 雠是速度的函数。一般认为在车辆一定的情况下，也就是说车重、前窗 面积、车辆数确定后，它就仅于运行速度有关。但实际上影响基本阻力的因素极为复杂， 通常按照由大量试验综合得出的经验公式进行计算。在选中牵引供应商后，就可以按照 他们的阻力公式进行计算了。由于南京地铁采用法国阿尔斯通的车辆，因此，本文根据 阿尔斯通的基本阻力公式计算，如式( 2 2 ) 所示 y = 3 6 x v ( 2 1 ) ：皇：竺玺! ! 竺坠竺：! 兰竺坠兰：! 竺皇：! ! 坠二! ! ( 2 2 ) k 2 1 丽广一恤纠 其中，尼瓣为基本阻力；v 为轮周线速度，单位：k r n h ，m s u m 为列车总质量；n u r n t r a i n 为动车拖车数量之和，m m 砌为列车电机数量，么为车辆前窗面积。 2 2 2 附加阻力模型 附加阻力取决于列车运行的具体线路条件，它主要有坡道附加阻力、弯道附加阻力 和隧道附加空气阻力这3 种啪3 。 ( 1 ) 坡道附加阻力模型 动车组在坡道上运行时，还受到重力沿轨道方向的分力的影响，这个分力就是坡道 硕士学位论文 基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 附加阻力。由图2 5 可以计算出坡度值。图中x 为坡道的长度，y 为坡顶相对坡底的垂 直高度 图2 5 坡道计算示意图 r m s 。町喇g 知2 可萨 b ( 2 3 ) 式中，届为坡道附加阻力，g 为当地重力加速度；觚咖为列车总质量，助钿为坡度 值，踞1 0 0 0 y x ，上坡时为正值，下坡时为负值。( 按照线路数据直接摘前面的数 值，如2 0 0 的坡道砀铀就取2 0 。 ( 2 ) 弯道附加阻力模型 动车组进入弯道运行时，因部分轮缘压向外轨头而产生的横向滑动以及转向架中心 盘等处的摩擦力称为弯道附加阻力。它的大小与弯道半径、动车组运动速度、弯道的外 轨超高以及轮轨加宽、车辆的轴距等诸多因素有关，一般采用综合经验公式计算弯道阻 力。 10平直道 o2 1 掣 弯道 ( 2 4 ) 【 心 式中，如为弯道附加阻力凡为弯道半径，尥岫为列车总质量；g 为当地重力加速 度。 ( 3 ) 起动阻力模型 列车的起动过程是一个复杂的随机过程，不仅由于轴承的正常润滑状态的滞后建立 ( 对滑动轴承尤其如此) 、轮轨间流动摩擦阻力的加大等因素，还由于车钩间隙状态不 同以致各动车逐步与拖车拉紧起动的复杂过程。列车的起动阻力维持时间短，一旦起动， 列车阻力就从起动阻力回落到基本阻力，是一个从静态到动态的瞬变过程。建模时设 置起动阻力消失点速度( 一般为5 k i n h ) ，认为列车在此速度之前存在起动阻力，而此 后存在基本阻力，以此来模拟列车的起动过程。 厶= 垒等警型 ( 2 5 ) 其中，局为车辆的启动阻力，知为零速时单位质量所受阻力，单位：n t ，r o 。钟 为起动阻力消失点速度，单位：k l t f f h ；v 为轮周线速度，单位：k m h ；聪岫为列车总质 9 2 实验系统总体方案设计 硕士学位论文 量。 2 2 3 车辆总阻力模型 列车总阻力是一分段函数，当列车速度小于起动阻力消失点速度时，由起动阻力和 附加阻力组成：当当列车速度大于起动阻力消失点速度时，由基本阻力和附加阻力组成。 f = m a x ( f 叫，缸) + 厶+ 厶( 2 6 ) 其中，厂为运行总阻力，向为起动阻力抽为坡道附加阻力，向为弯道附加阻力，缸 为基本阻力。 2 2 4 车辆阻力至电机轴端负载扭矩的折算 受动轮和钢轨间黏着能力的限制，轮周上的切线力大于轮轨间的黏着力时动轮就要 发生空转，不能正常工作。因此列车阻力的最大值不会超过列车黏着力。列车阻力作用 在轮径的边缘，在车轮磨损状况想等的情况下，动轴损失数为0 ，阻力转矩平均的分配 在各牵引电机的轴端，当牵引电机处于牵引工况时 = m a x ( e r f r 当牵引电机处于制动工况时 t o a d = m a x ( e r 现 f r e f f t , m 聊脚c d b 肌m 脯c d b 式中，死a d 为等效负载转矩，凡为列车黏着力，厂为运行总阻力， m m 咖为列车电机数量，c d b 为车轮传动比，耽为齿轮箱传动效率。 2 2 5 牵引电机轴端负载折算结果分析 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 尺为车轮半径， 线路仿真软件对南京地铁一号线及其南延线的运行过程进行了整体的仿真分析。通 过南京地铁提供的线路工况以及列车时刻表确定了合理的自动驾驶控制策略。本设计根 据线路仿真分析得到的初步结果，选择南京地铁一号线北段南京火车站至新模范马路这 个运行区间进行进一步分析牵引电机的速度控制要求与阻转矩特性，归纳整理阻转矩的 一般特性，便于动态负载实验系统实现半实物化仿真。+ 牵引工况：图2 6 为南京火车站至新模范马路运行区间的线路高度图。从数据中可 以看出，南京车站至新模范马路站区间运行长度为1 6 8 6 k m ，线路高度的参考零点为北 段出发点迈皋桥车站所在高度。图2 7 为运行区间的线路弯道半径示意图。 控制策略与车辆阻力特性：图2 8 为列车牵引力的控制策略，在该控制策略下计算 列车运行速度与整车阻力特性如图2 9 与图2 1 0 所示 l o “ 口 蔫 、? 一 耄謦 ；簧鬈 一 麓| 、 一 黧 垂拗枷 ” 瑚e o o1 9 0 9 ”，擒钳蒋彻碧 - 。：。施i 。“。枇妇二”女?，舭淌，巍麓墨僦。庙。赢。4缓 图2 6 南京火车站至新模范马路运行区间的线路高度图 泌鬟旒i 。猫，童，。搬。j 掣黼，? 鬈薯8 。，一，：。一，! 姗瓣磁冀 图2 7 南京火车站至新模范马路运行区间的线路弯道半径示意图 u 、 卜 绑瑚瓣v n 嘲1 嘲1 2 0 0懈、删柏 阮“女糍# 捌巍虢# 韶# 如d 蠡如辊牌m 拓。0 档“盛蠊纰础搿嘲女篇鼢破i 匿鬻嚣麟 矗；z “娩二女o o 。孙。二k “。一z “ 7 。二厶t 。 图2 8 车辆牵引力控制策略 7 、 ， 图2 9 车辆运行速度 图2 1 0 整车阻力特性 2 实验系统总体方案设计 硕士学位论文 图2 9 为车辆运行的轮周速度，牵引电机的旋转角速度与轮周速度存在如下关系： v c d b 2 t ( 2 9 ) 尺 p “7 式中v 为轮周速度，c d b 为车轮传动比，r 为车轮半径。对轮周速度数据进行换算， 得到旋转速度曲线如图2 1 1 所示。 图2 1 1 牵引电机旋转速度 列车牵引力与加速度间存在如下关系 m = ( 1 + q ) m f f a = - - - = 一 m ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中q 为回转质量系数，常取1 0 ，m 一为列车总质量；彤为列车换算质量；在无 动轴损失的情况下，根据上述关系式将整车阻力负载平均分配到1 6 台牵引电机轴端， 可得 以，咖= g y m r 2 ( 2 1 2 ) k 去小 ( 竽胯怒刁 因此，折算到电机轴端的等效负载阻转矩为 互= ( 等) 口+ 蕊f w r 在列车达到额定负载( a w 2 ) 情况下，计算阻转矩特性曲线如图2 1 2 所示 蔷 磬 删 ；善2 艺 ：囊 口 鬈 鬈- 2 0 0 _ 、 一 lj 、- 一 1 2 么锄箍掰。 磊蹴：施施。嚣离s 鬟纺曼锄镕貔貔施幽；l 锄搋。瓣i 锄番砒缸：。罐褫么疏锄簇 图2 1 2 牵引电机阻转矩特性曲线 硕士学位论文基于d s ”屺e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 至此完成动态负载需求参数计算，从阻转矩折算结果分析牵引电机轴端阻转矩特性 可以得出以下结论： ( 1 ) 启、制动阻力较大接近电机的额定转矩； ( 2 ) 正常运行过程中阻力较小，极限值在5 0 0 n 1 1 1 区间内变化； ( 3 ) 匀速运行过程中阻力存在突变状况。 根据该结论确定动态负载实验系统的性能指标； ( 1 ) 启动时能够输出+ 5 0 0 n m 的负载转矩； ( 2 ) 正常运行过程能够控制阻力在_ 5 0 0 n m 区间内变化； ( 3 ) 制动时能够输出5 0 0 n m 的负载转矩。 2 3 动态负载实验系统方案确定 2 3 1 实验架构方案论证 在第一章中已经介绍了城轨车辆传动实验系统的研究现状，分析了各方案的优缺点 与应用范围。根据自身的特点，电机动态负载实验架构的设计借鉴了双异步电机同轴共 直流母线的方案，如图2 1 3 所示。 电网输入能量 驱动电机铜 耗、铁耗 驱动电机杂散 损耗 损耗 机械轴端损耗 图2 1 3 双异步电机同轴共直流母线架构图2 1 4 系统能量消耗情况分析 该方案的电气牵引结构最接近城轨车辆牵引系统的结构。以地铁牵引传动系统与供 电系统为例，地铁采用直流供电方式，将3 5 k v a c ( 或3 3 k v a c 、1 0 k v a c ) 电压降为交 流1 1 0 0 v a c ，再整流输出直流1 5 0 0 vd c ，经上网电动隔离开关给接触网供电，实现直 流牵引。实验平台通过二极管整流桥整流获得四象限变流器i n v l 与i n v 2 需要的直流 母线电压。电机m 与逆变器i n v l 模拟车辆的牵引系统；m g 为负载电机，与电机m 直接轴联，模拟牵引电机轴端机械负载。逆变器i n v 2 为驱动负载电机的四象限变流器， 当实验系统模拟车辆牵引运行过程时，m 运行后带动轴联的的异步电机m g 一起旋转。 对i n v 2 施加合适的控制策略，保证负载转矩根据给定曲线变化的同时将轴端的机械能 回馈直流母线。当实验系统模拟车辆制动过程时，牵引电机m 与负载电机m g 的角色 1 3 2 实验系统总体方案设计 硕士学位论文 调换，此时m g 处于电动状态，吸收驱动电机在制动过程中回馈直流母线的能量。无论 负载电机处于发电状态还是电动状态，整个实验过程中，输入仅消耗于电机运行过程中 机械摩擦产生的杂散损耗以及电机内部损耗，形成能量循环，就有效提高了能量的利用 率，很大程度上减少了实验过程中电网侧的供能。 2 3 2 控制策略选择 由于牵引阻转矩特性的高动、静态特性的要求，负载电机控制策略的选择集中在现 代高性能的电机控制策略：矢量控制与直接转矩控制。相比矢量控制技术，直接转矩控 制的电磁转矩响应时间要小的多，大致为前者响应时间的1 4 1 6 啪1 ，这点对负载动态 性能的要求是很有利的。若采用基本的直接转矩控制技术控制并不依赖于转子侧参数， 系统的鲁棒性能要比矢量控制技术的好。牵引系统负载特性存在多种变化情况，鲁棒性 强的直接转矩控制技术更适合用于该实验系统的研究。因此选用直接转矩控制作为该负 载系统的控制策略。 2 4 本章小结 本章首先介绍了电气牵引仿真部分的两个组成部分：线路仿真软件与动态负载实验 系统的功能与结构，详细阐述了动态负载与线路仿真软件的结合方案与设计思想。对线 路仿真得到南京地铁一号线的数据进行筛选。根据线路工况仔细分析了一号线北段南京 车站至新模范马路这段运行区间的牵引特性与阻力特性，并折算至牵引电机轴端，获得 动态负载系统控制要求的速度给定与阻转矩给定曲线。以此为依据定性与定量分析了城 市轨道交通电气牵引系统的特点与线路工况的的特殊要求，提出了电机动态负载实验系 统的功能需求与技术指标，根据该实验系统的特点选取了合适的实验架构与负载系统的 控制策略。 1 4 硕士学位论文 基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 3 基于直接转矩的动态负载实验系统的设计 3 1 动态负载实验系统的数学模型 异步电机是一个多变量( 多输入多输出) 系统，电压( 电流) 、频率、磁通、转速 之间相互影响，因此同时也是强耦合系统。研究中引入空间矢量啪4 的概念重新构建电 机的数学模型，这样能够减少电机数学模型的参变量，简化电磁矩阵方程的维数。同时， 使用空间矢量的描述方式能够实现控制策略与控制对象电机间的直接结合，便于控制策 略的分析与研究。 3 1 1 空间矢量 电机电磁参数的空间矢量并不是实际存在于电机结构内部的电磁物理量，而是各电 磁物理量在电机复平面内通过一定的方式综合的结果。在三相异步电机中，对各相绕组 电磁物理量的分析通常是在基于相绕组轴线建立的a b c 三相坐标系下，而空间矢量则 建立在两相空间静止复坐标系下，分解到以相绕组轴线建立的三相坐标系下则与电机的 电磁物理量间存在一一对应的关系。 两相静止复坐标系的建立规则为：取三相轴系下的a 轴作为实轴r e ，虚轴h 1 1 超 前r e 轴9 0 。，此时b 轴的空间位置角度为a = e j l 卅，c 轴的空间位置角度为口2 = e y 2 卯。 d 与d 2 分别为b 轴与c 轴的空间旋转算子。 r e b r e 图3 1 空间矢量坐标系 3 1 2 定转子电磁空间矢量及矢量方程 三相异步电机是机械能与电能实现相互转换的介质，转换的基础则是电磁感应原 理。若向电机定子三相绕组通以波形对称且幅值与频率都相等，相位互差1 2 0 。的交流 电( 不一定为正弦波) ，三相绕组将分别产生沿着各自绕组轴线脉动的空间磁动势，取 其基波并记为 、 和欠。这三个物理量为电机内部沿圆周正弦分布的空间矢量，其幅 1 s 3 基于直接转矩控制电机动态负载实验系统的设计硕士学位论文 值是随着各相电流的瞬时值而变化，在a b c 轴系下，即有 讯) = 争等 ( 3 1 ) 万z p 。 础) = 争等2 ( 3 2 ) 万p 瓤) = 争等屯 ( 3 3 ) 万 z p 。 式中，见为极对数；m 为每相绕组匝数；k 为绕组系数。磁动势矢量方向根据相 电流瞬时值的符号变化。 根据空间矢量的建立规则，综合a b c 轴系下三相定子绕组的基波磁动势于复坐标 系下，产生磁动势矢量 z = 只o ) + 峨o ) + 口2 戽o ) = 只p 胞 、( 3 4 ) 式中五即为复坐标系下的磁动势空间矢量，其幅值为只，与r e 轴间的角度为矽。 若绕组中通入三相对称的正弦交流电，即 = 4 2 1 , c o s ( c o s t + 仍) ( 3 5 ) 如= 4 2 1 1c o s ( c o , t + 够1 1 2 0 。) ( 3 6 ) i c = , 2 1 1c o s ( c o s t + 鲲一2 4 0 6 ) ( 3 7 ) 将上述三式代入式( 3 4 ) 合成空间矢量五，可得 z = i 3f e j t 咄州 ( 3 8 ) 式中，f l 为三相脉动磁动势中任意一相绕组磁动势经傅里叶变化分解得出的基波分 量最大值，即 互7 t 等2 p 皿 1 l ( 3 9 ) 该式表明，三相基波合成磁动势这一空间矢量以6 9 。的角速度旋转。旋转半径不变， 为基波磁动势最大幅值目的3 2 倍，旋转轨迹为圆形。因此，通过对磁动势合成矢量 的分析可以得出结论：对电机输入三相对称( 包括波形对称与相位对称) 的交流电压或 电流，由此产生的三相电磁向量均可合成产生空间矢量，矢量的轨迹为圆形，旋转速度 恒定，为交流电压或电流的频率。通过这种坐标变换，可以减少电机数学模型中的变量 的数目，降低电压方程的维数，从而简化分析过程。 经过坐标变换后的单轴线圈有效匝数应为每相绕组有效匝数的1 2 2 4 7 倍，这样能 够维持变换前后功率不变。于是根据空间矢量定义式可得空间电流矢量与电压矢量的定 义，即 厅 = 1 “4 + 口+ 2 i c ai c ) ( 3 1 0 ) 2 1 i 。【+ + 【j l u ， 1 6 硕士学位论文 基于d s p a c e 直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究 云= 肛嘲材咖脾 玩= 层饥一2 霉= 后( u a + d u b + a 2 u c 妒 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 式中口，为转子转过的角度。 根据电感的定义可得磁链与电流i 之间的关系 y = l i ( 3 1 4 ) 式中l c ，是与穿过该绕组的磁通与该绕组的有效匝数的乘积；为等效电感。由此定 义，可知磁链与电流一样，亦可建立空间矢量，磁链的幅值大小与方向由产生它的电流 矢量决定。定义定转子磁链空间矢量如下 斤 虮2 詈( 儿蜘+ a 2 9 c ) ( 3 1 5 ) 耳 悱2 指( + a g b + a 2 9 c 鲈( 3 1 6 ) 基于上述空间矢量概念建立三相感应电机的理想化电磁空间矢量方程，方程建立在 如下理想