矿用电机车无速度传感器DTC变频调速系统研究

摘要

矿用电机车是煤矿生产中的重要运输工具,随着国家节能高效政策的推广和普及,以及生产企业对提高生产效率和生产安全的迫切需求,矿用电机车必然向着高性能、低能耗、人性化的方向发展。用交流电动机取代直流电动机,淘汰串电阻调速采用变频调速将成为矿用电机车发展的必然趋势。文章阐述了我国矿用电机车调速技术应用现状以及当前存在的问题,并介绍了最适用于矿用电机车的变频调速方式—直接转矩控制(DTC)方式。针对当前DTC控制方式在低频时出现的转矩脉动的缺点,提出了异步牵引电动机直接转矩控制低速区性能改善方案,也即把传统DTC和基于空间矢量DTC相结合的控制策略。这种控制策略既可以人为地控制转矩和磁链占用开关频率的比例,又实现了逆变器的准恒开关频率运行。最后文章针对防爆特殊型蓄电池电机车,介绍了无速度传感器直接转矩控制变频调速系统的具体实现过程。其中包括硬件电路设计与各方案的比较、主要元器件的选择、双司机操作室的互锁设计,以及系统保护措施的实现。在硬件电路完成后又进行了实际的现场实验,并针对实验结果做出了结论。实验表明,电机车具有良好的低频稳定性,能够在调速范围内输出良好的恒转矩特性和稳定的电压及频率特性。在整个频率范围内电机无振动,调速平稳,起动转矩大,性能满足生产实际的要求。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 矿用电机车控制技术应用现状

1.2 矿用蓄电池电机车变频调速的必要性

1.3 电机车变频调速的发展

1.4 直接转矩控制的特点

1.5 课题的主要目的和内容

2 直接转矩控制的基本原理

2.1 直接转矩控制系统的组成

2.1.1 逆变器的数学模型与空间电压矢量控制

2.1.2 六边形定子磁链轨迹控制

2.1.3 电压矢量对转矩的控制

2.2 无速度传感器技术

2.2.1 无速度传感器直接转矩控制原理简述

2.2.2 转差角频率计算法

2.2.3 模型参考自适应系统（MRAS）

2.2.4 转速自适应磁链观测器法

2.3 圆形磁链轨迹 DTC 系统

3 三相异步电动机直接转矩控制系统仿真研究

3.1 转矩和定子磁链计算

3.1.1 定子磁链计算

3.1.2 转矩计算

3.2 磁通和转矩滞环控制器

3.3 磁链选择器

3.4 开关表

3.5 直接转矩控制仿真实例

4 电机车 DTC 变频调速系统的软硬件实现

4.1 系统总体结构

4.2 主控制板电路设计

4.2.1 主控芯片 TMS320LF2407A

4.2.2 DSP 系统外围电路设计

4.3 系统主电路的构成

4.3.1 电源装置

4.3.2 双司机控制室操作闭锁设计

4.3.3 IGBT 模块的选择

4.3.4 储能电容器的选择

4.3.5 霍尔电流传感器的选择

4.4 IGBT 驱动电源及电路设计

4.4.1 PWM 控制原理及性能分析

4.4.2 电流型 PWM 控制器 UC3844 的控制原理

4.4.3 驱动电源主电路拓扑

4.4.4 IGBT 驱动电路的设计

4.5 控制系统的软件设计

4.5.1 软件系统主要的任务

4.5.2 主程序设计

4.5.3 中断子程序设计

4.6 系统保护措施

5 实验结果分析

5.1 频率稳定度及电压压降实验

5.2 牵引特性实验

6 结论

参考文献

作者简历

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