（电力电子与电力传动专业论文）带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t d o u b l e - m o t o rm u t u a l - d r i v i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw i mc o m m o nc o n l l n o nd eb u si s u s e dt ot e s ta n dm e a s u r ei n v e r t e r , i n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m ，a ct r a c t i o nm o t o ri nm a s sr a i l t r a n s i tb a s e do n15 0 0 v d c 7 5 0 v d c ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea s l os t u d i e d i th a s t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ef o rt h e d e v e l o p m e n to fa ct r a c t i o nd r i v e t e c h n o l o g ya n dt h el o c a l i z a t i o np r o c e s so fm e t r oc a r s b a s i n go nt h es p e c i a l i z e dw o r kp r i n c i p l eo fa cm o t o rt r a c t i o nt e s ts y s t e ma n d b i - d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r , i tp r o p o s e st h a tb i d i r e c t i o n a ld c - - d cc o n v e r t e rc o u l db e u s e di n t h et e s ts y s t e m t h es m a l l s i g n a ll i n e a rm o d e l sa r eg i v e d ，a p p l i c a b l ev o l t a g e d e c o u p l i n gv e c t o rc o n t r o la n da v e r a g ec u r r e n tc o n t r o la l ed e e p l ys t u d i e d t h ea ct r a c t i o n m o t o rd r i v e rt e s ts y s t e mw i t hb i - d r e c t i o n a ld c d cl i n ki ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h es y s t e mn o to n l yc o u l dw o r ku n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n tl o a dt o r q u e r e g u l a t i o no rc o n s t a n tt r a c t i o ns p e e d ，b u ta s l oc o u l df l e x i b l yr e g u l a t ed c b u sv o l t a g e b a s i n go nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h et e s ts y s t e ma l ep r e l i m i n a r yd e s i g n e d t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sm a d eu po fd s pc o n t r o l c i r c u i t ，p o w e rc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fb i d r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r a s l o ，t h ed s p c o n t r o lc i r c u i ti sm a d eu po fd e t e c t i o nc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h es o f t w a r ei s c o n s i s t e do fh o s tc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r ea n dd s pm a i nc o n t r o ls o f t w a r e ，r e s p o n s i b l ef o r d a t ac o m m u n i c a t i o n , a ds a m p l i n g , v e c t o rc o n t r o la n dt h eo u t p u to fs v p w mm o d u l a t i o n s i g n a l s d o u b l e - m o t o rm u t u a l - d r i v i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw i mc o m m o nc o m m o nd eb u si s p u tu p ，t h es y s t e m a t i cd e b u g g i n gi se x e c u t e da n dt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sa r eg i v e n t h ea c c u r a c yo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni sv e r i f i e d k e yw o r d s ：a cm o t o rt r a c t i o nt e s t , b i d r e c t i o n a ld c d cl i n k , v e c t o rc o n t r o l ，a v e r a g e c u r r e n tc o n t r o l ，s v p w m n 声明 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：鎏a 兰主g沙。年乡月f 7 日 j 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： p l 。年毛目 硕士论文带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 1 绪论 1 1 电气牵引交流传动技术的发展 蒸汽机车的牵引动力来源于煤，内燃机车的牵引动力来源于油，而电力机车 则采用电力作为牵引动力。由于电力牵引的优势显著，其一直都是国内外轨道交 通牵引动力的发展主要趋势n 。3 1 。电力牵引传动系统根据所采用牵引传动电动机 的不同，主要分为直流传动系统和交流传动系统两大类。 随着直流传动系统的实际运行，其缺陷也愈发明显、突出。由于直流电机含 有直流换向器，这也严重限制功率和转速的进一步提升，同时易出现故障，维护 检修困难；加之直流电机效率与黏着利用率不高、恒功区小，导致整车运行的功 率因数较低，因此，对交流传动系统的研究势在必行h 3 。 二十世纪中后期，电力电子器件的发展突飞猛进，经过了以晶闸管为标志的 第一代半控型器件、以g t o 、g t r 为标志的第二代全控型器件，目前已进入以 i g b t 、m o s f e t 为代表第三代全控型器件，并朝着集成度更高的第四代全控器 件方向发展。随着电力电子器件发展，开关频率大幅提高，功率器件的控制技术 也由原来的p a m 控制发展成p w m 控制方式，使得功率电路的谐波含量降低， 调节速度得到提升，大幅度的改善了系统的动态响应性能。与此同时，变流器的 容量也随之大幅提升舯1 。交流传动系统的控制理论与技术也已由最初的开环恒 压恒频( 、厂、厂、伊) 控制、转差频率控制为主，转向了高性能的基于转子的磁场定向 的矢量控制与直接转矩控制为主导。各种高速、高性能微处理器、微控制器拥有 运算很强的逻辑运算能力及数据存储能力，运算精度也非常高。交流电气传动系 统中由复杂的模拟电路实现的主控制器，逐步被以微处理器为核心的全数字控制 器所替代。全数字化技术优化了系统的动静态性能，大幅度提升了系统的可靠性、 可操作性。 随着电力电子技术的发展，交流传动系统良好的工作性能、性价比高的优势 愈来愈明显。交流传动系统也必将逐步取代直流传动系统，成为了电力牵引的主 体。交流传动机车与直流传动机车的性能比较如表1 1 所示。 虽然交流传动系统发展势头非常迅捷，但是仍然有许多问题存在与交流传动 的控制中尚有待研究，现仅枚举交流传动的控制策略的研究方向如下盯删： a ) 算法简单且动态性能较高的新型控制策略； b ) 对系统已知、未知干扰或参数变化有较好的抑制的新型控制策略； c ) 具有智能控制算法的新型控制策略。 l 绪论硕士论文 表1 1 交流传动机车与直流传动机车性能比较 1 2 研究电力牵引交流传动实验系统的意义 交流传动实验系统在现代科学技术、国民经济的各个领域中的应用非常广 泛，如电力牵引、伺服系统、数控机床以及机器人等。 国内外对交流传动实验系统的研究可以追溯到很多年前。目前，国内外许多 研究机构与高校分别根据自己的实验研究条件，研制、开发了相对独立的交流传 动实验平台。在中国，交流传动系统必将不可逆转替代直流传动系统成为电力牵 引主流动力。要实现我国电力牵引技术上的飞跃，无论是对国外先进的交流传动 技术的引进、消化吸收，还是国内交流传动技术的自我研究、创新，均必须对交 流传动系统及其子系统的运行有非常深入、全面的了解，进而研制出符合中国国 情的交流传动系统。交流传动系统与其子系统的特性及其和外部工作环境的关系 需要通过研究性实验、中间实验以及验证实验来了解旧3 。通过实验研究可以了解 对系统与子系统和子系统与子系统之间的相互联系、配合条件和优化标准，进而 确立设计、制造的基本标准。这就意味着需要对交流传动系统中的变流器、交流 异步牵引电机、变流器控制系统甚至电力机车的全车控制都需要在大功率电力牵 引交流传动实验系统进行功率相当实验与性能测试。 目前，我国大部分现有的实验平台功率都比较低，无法直接获得大功率交流 传动系统运行的实际经验；抑或实验系统的能量损耗比较大，经济效益不佳。随 着社会经济的发展，对大功率交流传动系统的研究、开发已提上了日程，系统数 量还必将日益倍增，如电力机车、动车交流牵引传动系统以及异步电机的台架功 率实验系统都是大功率设备n 0 1 。 2 硕士论文 带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 1 3 电力牵引交流传动实验平台的发展与现状 所谓交流异步牵引电机实验系统是在测试电机输出端对接模拟负载，模拟负 载充当异步电机实际运行中的各种负载，或者使得负载电机按照转矩特性曲线或 功率特性曲线运行。对电机实验系统的研究是伴随着第一台电动机的诞生而出现 的，其控制技术也随着电动机不断发展也在不断进步n u 。 根据系统中能量流动的方式可以分为n 2 。1 朝：一是“能量消耗型 实验系统， 国内代表是铁道部科学研究院；二是“能量反馈型 实验系统，国内代表是株洲 电力机车研究所。带有负载能量反馈交流实验系统，存在能量反馈环节，可以降 低能耗、设备容量。因此，对此类实验系统做深入研究具有非常重要的意义。 1 3 1 “能量消耗型一实验系统 “能量消耗型实验系统的主要特征就是被试电机的负载是耗能装置，并且 其耗能装置的能量主要是无法重新再利用的热能。根据阻力转矩产生设备的不同 可以分为两类： 第一类是在异步牵引电机的输出轴端连接一种可以产生负载力矩的设备用 来模拟电机所需要的负载转矩，负载转矩的大小可以通过调节阻力设备的摩擦系 数等参数的大小进行调节。其最大优点就是结构简单，性能可靠。这类方式同样 存在很多的缺陷： 幻负载力矩是通过阻力设备与被试电机的输出轴之间的摩擦力产生的，难 以精确控制负载力矩的大小； b ) 被试电机的输出能量以热能的形式在摩擦过程中散失掉，这是对能源的 巨大浪费，在大功率的实验过程中尤为明显； c ) 由于阻力设备是通过摩擦来模拟负载力矩的变化的，导致其不能实时模 拟负载力矩的动态变化，仅仅可以实现负载的静态或缓变过程。 直 流 侧 i n l i n v 逆变器被试电机 阻力设备 ( a ) 直 流 侧 逆变器被试电机直流发电机阻性负载 ( b ) 图1 1能量消耗型实验系统图 第二类是把直流发电机连接与被试电机的输出轴端连接，同时阻性负载接在 直流电机的定子轴端，具体结构如图1 1 所示。被试电机的负载力矩即直流电机 3 1 绪论 硕士论文 的输出力矩，可以通过对励磁电压的调节来完成。其最大优点就是被试电机的负 载力矩调节简单、方便，可以实时的模拟负载力矩的动态与静态性能。同样这类 方式也存在一定的不足： a ) 难以再次利用直流电机的输出电能，长时间实验，电能消耗巨大； b ) 实验运行中往往需要考虑阻性负载的散热问题，因此需要添加实验设备， 增加了占地面积： 旬受到直流发电机换向器的限制，该系统难以模拟机车高速运行的过程。 1 3 2 。能量反馈型一实验系统 所谓“能量反馈型 实验系统即是被测牵引电机的输出端的机械能可以反馈 的系统。 电 网 t 。一 、_ _ 一 。_ j - 7 、1， 丁一m 1 弋g i ) 日目( ，v 一联轴器一l 1 l 2 ；、 图1 2 机组负载型反馈实验系统 a ) 机组负载型实验系统 “能量反馈型 实验系统的能量反馈系统采用机组负载反馈，最把总能量回 馈到电网中。逆变器i n v 向异步被试电机提供三相交流电，变频器i n v 由四象 限变流器r e c 供电，四象限变流器r e c 由变压器t 提供单相交流电。由直流发 电机g 1 、直流电动机m 2 和同步发电机g 2 组成的能量反馈系统对接于被试电机 的输出轴端，通过调节能量反馈系统中的三台电机的励磁，可以调节被试电机的 负载转矩，即负载电机的输出转矩，以保持交流同步电机的频率的稳定，以免对 电网造成谐波干扰。机组负载反馈系统具有系统稳定的优点，系统可以把电能反 馈回电网，在很大程度上避免了能量的浪费，使得电能的利用率大大提高。其缺 陷同样也相当明显： ( 1 ) 系统由四台电机组成，设备数量较多，导致系统搭建时投资大，成本高， 仅仅适合于大型专业电机公司； ( 2 ) 由于系统负载由三台电机构成，必须三台电机联调才可以得到理想的负 载转矩，控制对象较多，控制方法较复杂，控制难度较大，易引起系统超调，使 得系统振荡； ( 3 ) 受到直流发电机换向器的限制，该实验系统难以模拟机车高速运行的过 程。具体结构如图1 2 所示。 4 硕士论文带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 b ) 交流反馈型实验系统 交流反馈型实验系统是由两个相互对称的系统构成，每个系统由四象限脉冲 变流器( 4 q s ) 、变频器i n v 和异步牵引电机m 组成。该系统可以将反馈的能量送 回交流电网。其中r e c l 、心1 与m 1 工作在第一象限，r e c 2 、i n v 2 与m 2 工作在第四象限，具体结构如图1 3 所示。 上述两种实验系统反馈方案，均采用单相交流电模式。虽然实验系统在单相 交流电供电的不平衡度是1 8 ，基本上满足国家标准，但是当实验系统的容量增 大时，对电网的能量反馈将会对电网造成污染，单相供电所引起的不平衡度会对 另外的电力设备造成严重的影响。因此，对系统的供电方式和实验模式的综合优 化设计，在实验系统的容量更大时，将显得非常重要。 电 网 r b c li n v l h 1 - 一 一 j 廿 竣 电 网 脉景淼1 变频黝 异步帆扭矩仪 异步枇变绷脉景淼2 图1 3 交流反馈实验系统方案 c ) “双逆变器一异步电机 型实验系统 “双逆变器一异步电机 型实验系统由一个四象限脉冲变流器r ( 4 q s ) 和两个 相互对称的系统构成，对称的系统由变频器i n v 和异步牵引电机m 组成。异步 电机之间通过联轴器连接在一起，变频器i n v l 把四象限脉冲变流器的直流电逆 变为三相交流电输给异步电机1 ，同时异步电机1 把电能转换为机械能并通过联 轴器传给异步电机2 ，变频器2 再把其输出轴端的机械能转变为直流电能，回馈 到直流母线侧。系统1 与系统2 的角色可以互换时，能量的流动方向也随之改变。 嚣 t 脉嚣霎雯器 变频器 异步电机l异步电机2 变频器2 图1 4 双逆变器一异步电机反馈方案 相对于前几种系统方案，其优势非常明显： ( 1 ) 实验系统拥有能量回馈环节，因此，系统的实验系统的只有主电路与控 1 绪论 硕士论文 制电路的功率器件开关损耗以及被试电机与陪试电机的铜损和铁损等，并且系统 电机的容量远远大于系统的能耗，使得电能的利用率大幅提升； ( 2 ) 实验系统的能耗仅占系统容量的很少部分，因此系统达到以小功率实验 电源来驱动大功率异步电机的目的，无需对实验电源进行容量扩充； ( 3 ) 若采用高性能的控制方式，陪试电机可以完全模拟实际负载力矩的各种 动静态性能； ( 4 ) 被试电机与陪试电机可以在不改变系统结构的前提下互换角色，仅仅对 系统的控制频率加以控制。 1 4 双向d c d c 变换器的拓扑族 双向d c d c 变换器n 剐( b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ，b r ) c ) 可以通过两 个单向直流变换器并联而得到，这类变换器的构成相对比较复杂，成本高；因此， 对采用公用主功率电路的b d c 的研究就成为了热点。在单向直流变换器中使用 有源开关代替无源开关即可得到这类b d c 变换器，即在单向直流变换器二极管 的两端并联功率开关管，而在功率开关管的两端反并二极管，与此同时还要在输 入、输出端分别添加稳压电容。b d c 变换器来源n 刀于单向直流变换器，所以b d c 也有非隔离型与隔离型之分。 1 4 1 非隔离型b d c 变换器 v ( a ) b u c k b o o s t 型b d c 变换器( b ) b u c k - b o o s t 型b d c 变换器 v 2 ( c ) c u k 型b d c 变换器( d ) s e p i c z a t a 型b d c 变换器 图1 3 非隔离型b d c 变换器拓扑 ， 非隔离型的单管直流变换器有六种简单的拓扑形式_ b u c k ，b o o s t ， b u c k b o o s t 以及在其基础上衍生出的c u k ，z e t a ，s e p i c 。以上述六种的单管直流 6 硕士论文 带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 变换器为基础，可以得到四种非隔离型b d c 变换器n 羽。 1 4 2 隔离型b d c 变换器 隔离型b d c 变换器是同样是以隔离型单向直流变换器为原型n 嗣，例如正激 式b d c 变换器( b i d i r e c t i o n a lf o r w a r d ) 、反激式b d c 变换器( b i d i r e c t i o n a l f l y b a c k ) 、推挽式b d c 变换器( b i d i r e c t i o n a lp u s h - p u l l ) 、桥式b d c 变换器 ( b i d i r e c t i o n a lb r i d g e ) 还有一些混合式隔离b d c 变换结构。 由于隔离型b d c 变换器加入了隔离变压器，使得隔离型b d c 变换器的电压 调节范围更广。但是同样也由于变压器的存在，也使得其比非隔离型b d c 变换 器结构更加复杂，同时在变换器工作达到稳态的时候，还需要考虑磁化、去磁化 面积的相等以防止变压器饱和。同时电压型拓扑的功率大小以及流向是通过控制 移相角实现的，系统不仅环流能量比较大，而且能量是通过变压器的漏感传递的， 变换器的设计成本与效率密切相关；电流型b d c 变换器的启动与电压峰值问题 一直存在；反激式b d c 变换器的功率等级比较小。 不管非隔离型b d c 变换器还是隔离型b d c 变换器，均从最简单的单向直流 变换器的基础上发展起来。随着b d c 变换器的在不同场合的应用越来越多，将 会不断提出变换器的新的拓扑、同时变换器的控制策略也将会被不断完善。 1 5 本文的研究内容和意义 为了能够对电力牵引交流传动系统中的变流器、变流器控制系统、交流异步 牵引电机甚至电力机车的全车控制进行功率相当实验与性能测试，本文研究了一 种交流电机牵引实验系统，并对其做了改进。带有双向直流环节的交流电机牵引 实验系统不仅可以实现能量的反馈，而且还可以灵活的调节直流母线电压等级， 进而提高能量的回馈效率。 本课题来源于南京理工大学、中国南车集团南京浦镇车辆有限公司和南京地 下铁道有限责任公司合作项目。 本文主要针对双向直流能馈环节，在交流电机牵引实验系统中的应用做了研 究，主要内容如下： 第一章介绍了交流牵引传动技术、电力牵引交流传动实验平台的发展与现 状，给出了本文的研究的意义和主要内容。 第二章首先介绍了交流电机牵引实验系统的结构组成；然后对实验系统的基 本工作原理做了研究，详细分析、阐述了起动过程、恒负载转矩调节过程、恒牵 引速度调节过程以及再生制动过程；接着对电机牵引实验系统的节能原理做了分 析，推导了节能率计算公式；最后研究b u c k 型双向直流变换器的工作原理。 第三章首先对异步电机矢量控制的原理做了研究，对异步电机在m t 同步 7 1 绪论硕士论文 旋转坐标系下的数学模型做了推导，给出了交叉耦合电势的解耦方法；然后分析 了交流电机牵引实验系统的联合控制策略；接着给出了b u c k b o o s t 型双向直 流变换器的小信号模型，详细的介绍了双向直流变换的平均电流控制的电流控制 器、等效功率级以及电压控制器的具体设计过程；最后采用中国南车集团南京浦 镇车辆有限公司提供的电机模型参数，对带有双向直流环节的交流电机牵引实验 系统做了仿真分析，验证了控制策略的正确性。 第四章介绍了实验系统的硬件电路总体结构；详细的阐述d s p 控制电路、 双向直流变换器的功率电路以及控制电路的实现结构，器件选型及参数设计。 第五章主要对实验系统的基于f 2 8 1 2 的上位机和主控制器的软件的设计过 程做了详细的阐述。- 第六章给出了交流电机牵引实验系统的调节过程的实验结果，并对其做了分 析。 第七章对本文的主要工作做了总结，对后续的发展做了展望。 硕士论文带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 2 带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的原理 2 1 实验系统的结构组成 本文所研究的带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的原理框图如图 2 1 所示，系统主要包括：不可控整流器、逆变器、异步电机和b d c 变换器等。 直流母线侧的两逆变器采用并联运行的接线模式，使得系统中运行于第四象限的 异步电机通过直流母线把能量回馈到另一逆变器中，实现了系统内部的能量回 馈。为了使得直流母线侧的电压等级和能量流动方向可控，添加了b d c 馈能环 节，这也是本文的创新点。 尘磊冀 逆变器l异步电机l 异步电机2 逆变器2 图2 1 实验系统的结构框图 2 2 实验系统的工作原理 在整个过程中能量的流动变换过程为n 9 1 ：交流电能直流电能一交流电能一 机械能一交流电能一直流电能，其具体过程如下。 假设实验系统中异步电机的初始定子同步角频率大于转子角频率，而异步电 机m 2 的定子角频率小于转子角频率，因此，异步电机m 1 工作于电动机状态， 异步电机m 2 工作于发电状态。首先，不可控整流器把电网的交流电整流为稳定 的直流电，送给逆变器i n v l ；然后，i n v l 把稳定的直流电逆变为频率和电压可 控的三相交流电驱动异步电机m 1 ；接着m 1 通过联轴器带动异步电机m 2 的一起 旋转，实现能量的有效传导；最后，逆变器i n v 2 把m 2 发出的三相交流电回馈 到直流母线侧，由b d c 变流环节实现能量的流动。由于实验系统中直流母线侧 需要回馈能量，有可能会存在电压泵升的问题，因此在直流母线侧还需要添加刹 车电阻，防止由于直流母线电压的泵升损坏逆变器等。 由于实验系统有效的实现了能量回馈，大大降低了能耗，电网只需提供很少 的一部分能量来补偿实验系统内部中的各种开关损耗以及电机自身的损耗，达到 了在不扩充小功率实验电源的容量前提下，驱动系统的大功率异步电机的目的。 9 2 带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的原理硕士论文 此外由于采用了不可控整流器，使得实验系统回馈的能量不会流到电网中去，对 电网造成谐波污染，特别在实验系统运行于大功率的状态下，不会影响其他设备 的用电。 在实验系统中，异步电机m 1 为被测试对象，异步电机m 2 为陪试对象，模 拟m 1 所需的各种动静态负载。为了使得下文中实验系统的具体工作过程的分析 更加简单nt ，设异步电机m 1 、异步电机m 2 的定子频率为丘。、f ：，m 1 、m 2 电磁转矩为互、互。由于两台异步电机的通过轴联器联接在一起，因此两台异步 电机具有相同的转速，l ，转速折算为转轴角频率是。 异步电机m 1 的转差为啪3 ： a f , l = z l z ( 2 1 ) 异步电机m 2 的转差为： 馘：= 正一厶 ( 2 2 ) 与此同时，设异步电机m 1 的转速方向为参考方向，则当转矩与转速同方向 的时为“+ ，方向相反时为“一一。 2 2 1 实验系统的起动过程 为了使得电机能够快速启动，起动过程时需要一定的起动转矩，该转矩一般 为电机的最大电磁转矩n 钔。 起动之初，异步电机m 1 静止，转子角频率为0 ，因此异步电机m 1 的定子频 率厶与转差频率馘。相等，得出逆变器i n v l 的输出电压( 在基频以下电机定子相 电压与频率的比值保持恒定) ；异步电机m 1 的起动转矩相等电磁转矩，因此m 1 有 了转动的趋向。控制异步电机m 2 ，使其旋转磁场旋转的方向与异步电机m 1 的 转子旋转方向相反，这样在电机轴间就存在一个转矩差r ，则实验系统的运动 方程可表示为： 竹却互= 专警 ( 2 3 ) 其中：缈为旋转角频率，只为极对数，为双电机轴联后的等效转动惯量。 起动过程中起动加速度a o , a t 为恒值，由式( 2 3 ) 可知，若要保持a o , , z t 恒定 不变，则需要丁恒定不变，而对r 的调节可以通过调节逆变器i n v 的输出电 压与频率来实现。异步电机m l 的转速达到n 时，则双电机的转子频率五可表示 为： z = 警( 胁) ( 2 4 ) 根据转差频率和转矩的关系，在起动过程中若要保持电磁转矩不变，即要维 持馘不变。随着异步电机的起动，转子频率不断增加，根据式( 2 1 ) 可知，还需 l o 硕士论文带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 要随着转速的增大不断提高定子频率；同理，异步电机m 2 的定子频率厶也在不 断的增加。起动之初m 2 的定子频率小于0 ，所以频率的大小不断减小。 异步电机m 1 的定子频率大于转子频率，工作于电动状态，异步电机m 2 的 定子频率小于0 ，工作于电磁制动状态，双电机都从电网中吸收能量，以内部发 热消散掉。随着转子频率持续增加，异步电机m 2 的定子频率转为大于0 状态， 此时m 1 仍然工作于电动状态，但m 2 进入发电状态，两者的旋转磁场的旋转方 向相同。m i 转递给m 2 的机械功率一部分以转子电阻能耗的形式耗散掉，另一 部分通过逆变器i n v 2 回馈到直流母线。 当转速达到给定时，需要减缓定子频率f ，的增大速率，以减小m 1 的电磁转 矩达到减小丁以及d 缈d t 的目的，稳态时转矩差丁为o 。 2 2 2 实验系统的恒负载转矩调节过程 所谓恒负载转矩调节就是异步电机m i 的速度调节过程中，保持异步电机 m 2 的电磁转矩不变n 刚。 假设异步电机m 1 的转速给定万由玎1 升高到，1 2 ，为了加快转速的调节过程， 根据当前转速给定n 2 ，m i 的电磁转矩输出变为最大值；随着异步电机m 1 的转 差频率不断增大，电机的定子电流、电磁转矩也不断增加。调节过程中，异步电 机m 2 的电磁转矩保持不变，根据实验系统的运动方程式( 2 3 ) ，可知电机有了一 个角加速度，开始加速。随着电机的速度不断增加，馘，不断减小，与之对应的 丁也在减小，电机的定子电流也将随之减小，实验系统的电机的角加速度减小， 直至异步电机m 1 的转速达到刀2 为止。当转速升到玎2 + 时，电机定子电流、转差 频率也将恢复调速前的状态，转矩差减小为0 。整个调节过程为恒负载转矩调节， 异步电机m 2 的电磁转矩保持不变，即m 2 的转差频率保持不变，因此电机的定 子频率需要不断增加。当转速增加到n 2 ，实验系统达到新的稳态，双电机的定 子频率均增加了矾，转差频率与双电机电流都恢复调速前的状态，电机的线电 压增大，异步电机m 1 从逆变器i n v i 吸收的功率增大，异步电机m 2 向逆变器 i n v 2 反馈的能量也将增大，恒负载转矩的调节过程中，电机在电网中吸收的能 量转化为机械能。 同理，若保持负载转矩不变，异步电机m i 的转速刀从万r 下降到，1 3 时，调 节过程与加速过程刚好相反。 2 2 3 实验系统的恒牵引转速的调节过程 所谓恒牵引转速调节就是保持异步电机m 1 的转速不变n 引，调节异步电机 m 2 的电磁转矩的过程。 假设异步电机m 2 的电磁转矩给定z 由咒增加到砭，根据转差频率和电磁 2 带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的原理硕士论文 转矩的关系，可以得出电磁转矩增加量a t ；所对应的转差频率馘：黼，在结合 当前的转子频率疋，把新的疋赋予逆变器i n v 2 。为了维持实验系统的转速的恒 定，异步电机m 1 的电磁转矩也需要增大f 。由于异步电机m 1 的电磁转矩调 节需要一个过程，因此实验系统的牵引转速略有下降，但是非常小可忽略不计。 与此同时，随着异步电机m 1 的电磁转矩的增大，定子电流也增大。 实验系统达到新的稳态后，异步电机m 1 、m 2 的电磁转矩均增加，使得实 验系统从电网中所吸收的功率增大，异步电机m 2 向逆变器i n v 2 反馈的能量也 将增大，恒牵引转速的调节过程中，电机在电网中吸收的能量转化为机械能。 2 2 4 实验系统的再生制动过程 为了加快异步电机m 1 制动过程，异步电机m 2 的电磁转矩给定由负变为正， 同时m 1 的电磁转矩变为反向最大值。根据式( 2 3 ) 可知，实验系统有了一个反方 向的加速度，使得转速开始下降。 定子频率以及转子频率都将下降，当转子频率大于定子频率时，电机运行于 再生制动状态，通过逆变器i n v l 向直流侧回馈能量，所以此时对定子频率的控 制尤为重要。为了缩短电机的制动时间，异步电机m 2 在制动过程中将保持电磁 转矩不变，即要馘，不变，此时转子频率小于定子频率，电机运行于电动状态n 引。 再生制动时：异步电机m 1 和异步电机m 2 的定子频率分别可以表示为： z i = 工一i 馘“ ( 2 5 ) z ：= z + l 馘：l ( 2 6 ) 根据电机自身特性及对制动力的要求，异步电机m 1 的转差频率为f ，同 时制动时，还需保持馘：不变，假设当前异步电机m 1 的转子频率为，由式( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 可分别求得电机制动时的双电机的定子频率。在制动过程中，为了使得异步 电机m 1 的制动特性能够满足要求，所以在调节过程中，不仅需要对厶进行调 节，而且还需要不断调节f ，。在异步电机m 1 的定子频率下降为0 时，倘若转 子频率为仍不为0 ，可以考虑使电机m 1 运行于电磁制动状态，和起动过程中 的异步电机m 2 类似。采用电磁制动时，当电机转速降到0 时，若没有及时切除 供电电源，有可能导致电机反转，因此此时可以添加以时间继电器，防止这类情 况的发生。 2 3 实验系统的节能分析 2 3 1 实验系统的节能原理 当实验系统达到稳定平衡运行时，异步电机m 1 工作于电动状态，异步电机 m 2 工作于发电状态，实验系统中采用的是三相不可控整流器，所以电网不可能 1 2 硕士论文带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 吸收实验系统发出的交流电，因此存在着回馈能量流动方向的问题啪1 。 实验系统中，两逆变器i n v 的直流母线工作于并联模式，逆变器i n v 2 的续 流二极管构成的三相不可控整流器可以为异步电机m 2 的交流电提供通路，和逆 变器i n v l 不同，逆变器i n v 2 工作于整流模式下，把异步电机m 1 发出交流电 整流为直流电，回馈到直流母线侧。此时工作于逆变模式的逆变器i n v l 把逆变 器i n v 2 回馈的直流电逆变为交流电，为异步电机m 1 提供能量，使得实验系统 对电网中交流电能的吸收降低。因此，异步电机m 1 吸收的能量有两部分组成： 一是来自三相不可控整流器的能量，二是来自逆变器i n v 2 回馈的能量。假如逆 变器i n v 2 回馈的能量完全被逆变器i n v l 吸收，则运行于稳态时实验系统的能 量损耗理论上只包括系统中开关器件的开关损耗以及双电机的内部损耗等。同时 实验系统中还含有b d c 环节，可以调节实验系统的直流母线的电压等级，使得 回馈能量可以更好地被逆变器i n v l 所吸收。 图2 2 实验系统稳态时的能量流动关系 实验系统从电网中吸收的功率为只，不可控整流器的开关损耗为最，逆变 器i n v l 与i n v 2 的开关损耗为另，、b ：，异步电机m 1 、异步电机m 2 的的输入 功率分别为最。、己：，电磁功率为乞。、匕：，输出功率为厶。、：，铁损为。、 气：，定子铜损为吃1 l 、吃，：，转子铜损为圪：，、吃恐，机械损耗及附加损耗为 ，、：，轴端输出功率为气。、：。 当实验系统达到稳定平衡运行时，能量流动如图2 所示。电网交流电能尸经 不可控整流器后，输入到逆变器i n v l 后，减去其开关损耗只。，再减去异步电机 m 1 的减去电机铁损、定子与转子铜损吃。，、p o ：。、附加损耗。，成为异步 电机m 1 的轴端输出功率只。，。双电机通过联轴器联结在一起，电机m 1 的机械 能传递给电机m 2 ，输出功率相等即。= 厶：，m 2 的输出功率减去电机铁损 2 、定子与转子铜损吃。：、吃：、附加损耗：、逆变器i n v 2 的开关损耗弓：以 后流回实验系统的直流母线侧。 在理论上，当实验系统运行于稳态时，系统的开关损耗加上电机内部损耗之 1 3 2 带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的原理硕士论文 和就等于从电网中吸收的能量，实验系统总的开关损耗为： = 弓。+ 只2 + 足 ( 2 7 ) 双电机内部总损耗为： 己= 圪。一圪： ( 2 8 ) 同时： 只= p c + ( 2 9 ) 系统的开关损耗以及电机内部损耗相对于电机的容量一般都比较小，所以大 功率容量的实验系统可以由小功率等级的供电电源带动，而不需要电源容量进行 扩充。 2 3 2 实验系统的节能率计算 为了体现出交流电机实验系统的节能优势口1 。龆1 ，下面我们把其与传统的实验 系统作比较，计算系统的节能率等。传统的实验系统的结构原理图如图2 3 所示。 电 网 委磊彗 逆变器l异步电机1 直流发电机 图2 3 传统的交流调速系统原理图 实验系统从电网中吸收的功率为曩，不可控整流器的开关损耗为砭，逆变 器的开关损耗为露，异步电机m l 的输入功率以及轴端输出功率分别为砭。、 艺。，直流发电机的输入功率以及轴端输出功率分别为露：、匕：。 和本文实验系统不同，传统的实验系统中只含有一台逆变器，多了直流发电 机，没有能量回馈环节，且直流发电机的能量在电阻r 上发热消散掉。假设本 文实验系统中不可控整流器、逆变器i n v l 与传统的实验系统的不可控整流器、 逆变器完全相同，则最= 乓且e 。= 露，因此双系统中异步电机的输入功率相等 即己。= 只，。 本实验系统的节能率为： y 2 等小号= 卜泰耘 亿柳 再由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可得： e = + 已= 足+ l + e 2 + 昂。一只2 ( 2 1 1 ) 根据条件最= 乓和e 。= 巧： 1 4 硕士论文带有双直流环节的交流电机牵引实验系统的研究 b l + 最= p i l + z = + 毋2 + 最2 一圪l ( 2 1 2 ) 若忽略e ：的大小，则式( 2 1 2 ) 可表示为： e l + 足= 。+ 幺= 只+ 乞2 一最l ( 2 1 3 ) 再把式( 2 1 3 ) 带入式( 2 1 0 ) ，则节能率可以表示为： p 7 = 1 一万石莨百 q - 又因为圪。= 瓦。，节能率可以表示为： 产惫( 2 1 5 ) 由上式( 2 1 5 ) 可知，本文所述的实验系统的节能率与系统中双电机的内部损 耗、整流器及逆变器的开关损耗无关，仅与系统的输入功率只与异步电机m 2 的 回馈功率有关。 和传统的实验系统相比，本文所述的实验系统多了能量回馈部分，所以在相 同的系统容量要求下，对于供电电源的等级要求较低，具有节约能量的效果。由 于在计算如式( 2 1 5 ) 所述的节能率时，忽略了逆变器i n v 2 的开关损耗e ：，因此实 际系统的节能率要小于如( 2 1 5 ) 所示的节能率的计算值。 2 4b u c k ，b o o s t 型b d c 的工作原理 2 4 1b d c 的基本原理 b u c k b o o s t 型b d c 变换器是由单向b u c k b o o s t 斩波电路拓展而来 的，其电路结构如图2 4 所示，图中c ，、c ，为直流滤波电容，储能电感。该 电路可以视为由全控型器件互和d 组成的b u c k 型电路与由全控型器件五和d l 组成的b o o s t 型电路组合而成。主电路中的开关管石、乃工作于互补模式，即互 导通时乃关断，而正导通时五关断，为了避免五、不在同一时刻导通，造成电源 短路，所以两个开关管均设有死区。 b u c k b o o s t 型b d c 变换器是一种电流型双象限变换器，变换器输入、输 出侧端电压k 、k 在工作过程中极性保持不变，而电流的方向是双向变化的，因 此变换器工作于第一、二象限。必须指出，变换器的工作象限是针对于电流电量 的平均值而言的，在一个工作周期中，电感电流f ，的平均值为正时，变换器工 作于第一象限，电感电流t ，的平均值为负时，变换器工作于第二象限。当变换 器工作于第一象限时，巧为变换器的电源输入端，k 为变换器的负载输出端，互 工作于斩波状态，互截止，能量由k 端向k 端流动；当变换器工作于第二象限 1 5 2 带有双向直流环节的交流电机牵引实验系统的原理硕士论文 时，k 为变换器的电源输入端，k 为变换器的负载输出端，乏工作于斩波状态， 互截止，能量由k 端向v l 端流动。当变换器两端含有电源时，两端电压k 、k 以 及占空比的大小决定了能量的流动方向。 + 讥 图2 4由b u c k b o o s t 变换器构成的双向直流变换器 与此同时，还有另外一种电压型双象限变流器，能量流动过程中，电流的方 向保持不变，而电压的极性发生改变，该变换器工作于第一、四象限。 2 4 2b d c 的主要工作模式 根据电感电流的不同，该变换器有三种不同的工作模式：1 ) b u c k 模式，2 ) b o o s t 模式，3 ) 交替工作模式。 l： ： k 。-l_ _ _ _ 广_ _ _ _ 。父r - ，冷、_ 一7 尹一 、卜、 f k， 2 f 一 l 广 。硷 _，硷_ _ 7 ； 、 7 外、7 下t 7 7 l m f 入，二一t z f n l i n 、- 厂 一 图2 5 不同模式下电感电流波形 幻b u c k 模式：在此工作模式下，b d c 变换器就是b u c k b o o s t 型d c d c 变换器，电感电流波形如图2 5 ( a ) 所示：能量由k 侧向巧侧流动。 b ) b o o s t 模式：在此工作模式下，b d c 变换器就是b o o s t 型d c d c 变换器， 电感电流波形如图2 s c o ) 所示；能量由k 侧向k 侧流动。 c ) 交替工作模式：在此工作模式下，电感电流有着正负交替变化，能量的 流动方向取决于电感电流的平均值的大小，波形如图2 5 ( c ) 所示。在此工作模式 下，b d c 变换器主要有四种工作模式： 开关模式a o 】：电感电流为负，续流二极管d f