异步牵引电机起动峰值电流抑制控制策略研究

1、异步牵引电机起动峰值电流抑制控制策略研究郭四洲1,2 张奕黄1 言海燕3 王坚4（1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.株洲南车电机股份有限公司，湖南 株洲 412001；3湖南铁道职业技术学院信息工程系，湖南 株洲 412001；4. 中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 610083)摘 要： 针对DTC模式下异步牵引电动机起动峰值电流过大的问题，提出了一种抑制异步牵引电机起动峰值电流的转矩和磁链分时控制策略。根据两相静止坐标系下异步电机的数学模型，利用Matlab/Simulink软件包中的S函数模块和基本模块，构建出直接转矩控制系统的仿真模型，对交流异步电动机在不同控

2、制策略下的起动过程进行了动态仿真。仿真结果与目前牵引电机运行的数据接近，证明了该仿真模型的合理性和有效性；同时，仿真结果表明转矩和磁链分时控制策略至少可以降低2/3的起动峰值电流。关键词：异步电动机；起动峰值电流；直接转矩控制；Matlab中图分类号：TM301.2：TM343 文献标识码：AResearch on Control Strategy for Suppression of Asynchronous Traction Motor Starting Peak CurrentGuo Si-zhou1,2 Zhang Yi-huang1 Yan Hai-yan 3 Wang jian 4

3、(1School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China；2Zhuzhou CSR Electric Motor Co.LTD, Zhuzhou 412001,China;3Department of Information Engineering, Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001,China;4School of Information Science and Engineering, C

4、entral South University, Changsha 610083, China)Abstract：For the problem of asynchronous traction motor starting peak over-current in the DTC system, this paper proposes torque and flux linkage time-shared control strategy for suppression of asynchronous traction motor starting peak current. Accordi

5、ng to dynamic mathematical model on coordinate system of asynchronous motor，the simulation model of the DTC system is established by using S-Function and standard modules in Matlab/Simulink software package. The research on the simulation of start-up proceeding of AC asynchronous motor is carried ou

6、t with the use of the model under different control strategies. Simulation results and the motor operation data at present are close, which testifies the accuracy and the effectiveness of the simulation model; At the same time, the simulation results indicate that torque and flux linkage time-shared

7、 control strategy can reduce two thirds starting peak current.Key words：Asynchronous motor; Starting peak current; Direct torque control; Matlab0. 引 言交流异步电动机因结构简单，使用安全、运行可靠、维护方便，环境适应性强，已得到了广泛应用1。特别是近年来在轨道牵引系统中应用日益广泛2。本文所研究的主要对象是从三菱公司引进的使用在CRH2型高速动车组上的异步牵引电机。该电机实际的控制方式为日本九十年代成熟的矢量控制模式。目前，在国内开发的春城号、中原

8、之星、中华之星、奥星动车组和北京、上海几种地铁列车均采用的是直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)系统，即将研发的350公里动车组也将DTC系统作为主要的可选方案。将该电机推广使用在DTC系统中面临着许多需要解决的问题。传统DTC系统一个明显缺点是产生的转矩波动较大，并且还存在电机的起动阶段开关频率过高和起动峰值电流过大的问题。文献3，4对转矩波动进行了研究，提出了许多改进方法；文献5为了解决起动阶段开关频率过高的问题，在电机的低速阶段采用了间接转矩控制策略，高速阶段采用直接转矩控制；本文则是针对DTC系统中电机起动峰值电流过大这一问题进行了研究。本文在分析交流

9、异步电机数学模型的基础上，借助于Matlab强大的仿真建模能力6，利用Simulink中内含的功能元件，建立了交流异步电动机DTC系统的仿真模型。通过对异步电机起动过程的仿真研究，实现了在DTC模式下有效抑制异步牵引电动机起动峰值电流的分时给定转矩和磁链控制策略。1. 电机数学模型1.1. 坐标变换矩阵根据双轴理论，感应电动机通过三相到两相的Park矢量变换，可以得到两相静止、坐标下电动机模型。电机在三相静止坐标系下定子电压、电流及磁链用、坐标下的各分量表示如下： （1） （2） （3）1.2. 状态方程在、坐标系下，以电机定转子电流为状态变量，可以得到异步电机的状态方程7： 其中：；s、r表

10、示定、转子分量；、表示两相静止坐标系的坐标轴； 、 、 分别为定、转子在、轴上的电压分量，且鼠笼式转子电压、为0 ；、 、分别为定、转子在、轴上的电流分量； 、分别为定、转子电阻； 、分别为定、转子电感；为定、转子绕组间互感；为转子的旋转角速度（电角度）；p为微分算子。1.3. 转矩与运动方程转矩方程为： (5)运动方程为： (6) 式中， 为极对数；J为转动惯量；为负载转矩；为电机的阻尼系数。2. 直接转矩控制系统仿真建模2.1. DTC系统基本原理及仿真框图直接转矩控制8技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节(Ba

11、nd-Band控制)产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。定、转子磁链与电动机转矩之间的关系可用式（7）表示8： （7）式中，为定子磁链空间矢量；为转子磁链空间矢量；为定子磁链与转子磁链间的夹角；为电动机转矩，单位N·m； 为电机总漏感，单位H因此当电机一定时，可以通过、来改变异步电动机的转矩本文采用近似圆形磁链轨迹控制9方案以减少磁链轨迹的畸变。根据式（7）所反映的转矩与磁链的关系，采用的直接转矩控制原理见图1。图1中，速度PI调节器产生转矩的参考值；转矩、磁链观测单元则根据坐标变换后电机的定子电流、电压和转速计算转矩和磁链的实际值；转矩和磁链

12、两点式调节器均采用施密特触发器，它们根据转矩、磁链实际值和参考值的差值输出相应的控制信号；电压工作区间选择单元根据磁链幅值的正负判断磁链所在的区间；开关状态选择表根据定子磁链所在区间和两个调节器的输出的控制信号，查找优化后的电压矢量选择表，得到逆变器的开关信号；逆变器根据开关信号输出电压加在电机的定子绕组上，从而实现对电机转矩的控制。 图1 异步感应电机DTC系统原理结构图Fig.1 Schematic diagram of direct torque control system for asynchronous induction motor 根据上述原理，本文构建的基于近似圆形磁链轨迹D

13、TC方法的系统仿真框图如图2所示。2.2. 转矩和磁链给定本文不同控制策略都是基于不同的转矩和磁链给定方式。转矩给定Torque*由Speed_controller模块（速度调节器）（见图3）输出确定。该模块由实际转速和给定的差值，经过PI调节器和限幅器，再得到给定转矩。该模块按功能可以分为两个部分，一个部分是起动初始阶段转矩给定模块，由T_start 斜坡函数模块和T_sat限幅器构成，它与磁链给定模块配合使用，可以减少电机起动峰值电流；另一部分是全速范围内转速PI调节模块，由剩余模块构成，具有动态调节过程快、无超调、无静差等特点。图3 速度调节器模块仿真框图Fig.3 Simulation

14、 diagram of speed controller module图2 近似圆形磁链轨迹DTC系统仿真框图Fig.2 Simulation diagram of direct torque control system for approximate circular flux linkage track磁链给定Flux*（见图2），由斜坡函数（ramp）模块和限幅模块组成，通常情况下，为了充分发挥电机的起动力矩，磁链为一个不变的给定值，电机在起动开始阶段会出现一个极大的峰值电流，给电机和逆变器造成危害，必须加以限制。本文通过电机磁链的给定值与转矩给定值同步增加来降低电机起动时的峰值电流，

15、适当延长了电机起动时间，对于列车至少几十秒的起动时间，其影响可以忽略。3. 系统仿真3.1. 系统仿真参数仿真时电机各参数为：P =300 kW，定子电阻 =0.16，转子电阻=0.17，定子电感 =0.031H，转子电感=0.031H，互感=0.0294H，转动惯量J =1.57kg·m2，电机的阻尼系数=0，极对数=2。控制系统参数：最大磁链4.23Wb，磁链容差 =0.01 Wb，转矩容差 =5N·m，起动时的负载转矩Tl=13.5 N·m，给定电磁转矩Torque*=1390 N·m，并线性下降；起动结束时的负载转矩Tl=41.6 N·

16、m，电机转速n=1571rpm；中间直流电压=3000V。3.2. 策略A：转矩和磁链分时给定按图2进行仿真。转矩、磁链分别按图4a、图4c给定，并将图2中开关表模块中in_flux参数设置为0.45。仿真结果见图4。3.3. 策略B：转矩和磁链常规给定将图5中起动初始阶段转矩给定模块删除；在图2中，磁链给定模块用常量4.23取代，并将开关表模块中in_flux参数设置为0，其余模块及参数按3.2节设定不变。仿真结果见图5。3.4. 策略C：转矩常规给定、磁链按直线轨迹给定将图2中开关表模块中in_flux参数设置为4.21，其余同3.3节。仿真结果见图6。3.5. 仿真结论比较3.2、3.3

17、、3.4仿真结果可以得到下列结论：1) 系统具有良好的转速、转矩控制性能；2) 定子磁链轨迹基本为圆形，磁链误差被控制在4.23±0.01Wb范围内；3) 转速响应快速，无超调，且静差不超过0.2%。4) 由于本文未考虑转矩波动，其波动范围在最大转矩的15%以内； 5) 由下表1可以得出：转矩和磁链分时给定控制策略可以显著降低电机起动峰值电流。表1 仿真结果汇总一览表Table.1 Simulation results summary sheet策略类型ABC转矩跟随上升时间ms06.41.4转矩观测值达到最大给定值时间ms1006.710.7磁链观测达到最大给定值所用时间ms289

18、4.39.3起动峰值电流A3401030920a 00.12s起动转矩给定 b 00.12s起动转矩响应 c 00.4s起动磁链及其给定 d 给定转矩、电磁转矩、负载转矩关系 e 起动圆形磁链轨迹 f 起动三相电流 g 00.4s起动三相电流 h 起动转速响应 i 起动转矩响应图4 策略A时电机起动过程仿真结果Fig.4 The simulation results of motor starting proceed at A strategy a 00.03s起动转矩给定及转矩响应 b 00.3s起动磁链及其给定 c 00.3s起动三相电流 d 起动圆形磁链轨迹 e 起动转速响应 f 起动转

19、矩响应图5 策略B时电机起动过程仿真结果Fig.5 The simulation result of motor starting proceed at B strategy a 00.03s起动转矩给定及转矩响应 b 00.3s起动磁链及其给定 c 00.3s起动三相电流d 起动圆形磁链轨迹 e 起动转速响应 f 起动转矩响应图6 策略C时电机起动过程仿真结果Fig.6 The simulation results of motor starting proceed at C strategy 4. 结束语本文依据直接转矩控制基本原理，根据两相静止、坐标下电动机数学模型，采用Matlab环境

20、中Sinulink模块搭建了直接转矩控制仿真系统，对三相鼠笼式异步牵引电机的起动过程进行了仿真研究，结果表明该建模方法的可行性和正确性；仿真结果同时也表明起动转矩和磁链分时给定的控制策略有效地改善了直接转矩控制下起动峰值电流过大的弊病，值得借鉴和推广。目前，本文所研究的电机已广泛使用在铁路干线上，在实际的矢量控制控制方式下，电机地面联调和实际上线运行起动电流基波的测量值为178A；对本文直接转矩控制中A相起动电流进行FFT分析，得到起动电流峰值处（对应转子转速为3.2rpm）电流有效值为172A，两者结果相近，进一步验证了仿真模型的正确性。本文仿真系统是建立在理想的电机和逆变器基础之上，还需要

21、根据实际的电机和逆变器模型，进一步研究分时给定转矩和磁链之间的最佳匹配，以进一步降低峰值电流，并缩短电机起动时间。另外一个工作就是优化仿真模型，提高求解精度，缩短模型仿真时间。参考文献：1. Macbahi H.Ba-razzouk A.Xu J. et al. A unified method for modeling and simulation of three phase induction motor drivesA/ Electrical and Computer EngineeringC. 2000: 345-349.2. 张大勇.我国机车电传动技术的发展J.机车电传动,2007

22、,(3):1-4.Zhang Dayong. The Development of Electric Drive Technology for LocomotiveJ. Electric Drive for Locomotives, 2007,(3): 1-4.3. Wei x, Chen DY, Zhao CY. Minimization of torque ripple of direct-torque-controlled induction machines by improved discrete space vector modulation J. Electric Power Systems Research (S0378-7796), 2004, 72(8): 103-112.4. Kang JK, Sul SKNew direct torque control of induction motor for minimum torque ripple and constant switching frequencyJ. IEEE Trans Ind App1(S0093-9994), 1999, 35(5): 1076-1082.5. 冯江华, 陈高华，黄松涛异步电动机的直接转矩控制J电工技术学报，1999，14(3): 29-33.Fen