电力牵引传动系统直接转矩控制若干关键问题研究

摘要

随着高速重载干线铁路网的大规模建设，采用大功率异步电机驱动的电力机车与动车有着广阔的应用前景，而交流传动控制技术直接决定了机车/动车的运行性能，是整个机车/动车的核心所在。采用异步电机直接转矩控制技术的交流传动控制系统，低速启动时的转矩脉动引起空转。较低开关频率限制引起的定子电流低次谐波对牵引供电网的干扰。恶劣运行环境导致转速传感器故障后，引起的机车/动车动力切除。因此，研究异步牵引电机直接转矩控制低速起动时的转矩脉动特性及其脉动抑制方法，了解其高速运行时不同PWM调制方式所对应定子电流的谐波特性，提高其速度闭环动力单元在恶劣运行环境下的的可靠性，具有重要的学术价值和工程意义。
　　以异步牵引电机直接转矩控制低速转矩脉动为对象，研究了定子坐标系下转矩脉动的各组成部分，综合考虑系统采样周期、开关周期以及参考电压矢量对转矩脉动的影响，建立了三者与转矩脉动的量化关系，从参考电压矢量减小转矩脉动的角度，讨论了间接定子量控制与无差拍空间矢量调制直接转矩控制的特点，提出一种结合查表法PWM和空间矢量调制的直接转矩控制方法。结果表明:在采样周期和开关周期一定的前提下，转矩脉动可分为与转速相关的反电动势衰减量，与当前转矩大小相关的电阻衰减量，以及由当前定子电压矢量引起的变化量;通过优化参考电压矢量的生成可以弥补前两者的衰减，使得转矩脉动最小。
　　讨论了直接自控制法与分段同步调制的优缺点;研究了六边形磁链轨迹和单折角调制十八边形磁链轨迹的谐波特性，以及单折角调制的实现方式;提出了双折角调制三十边形磁链轨迹直接自控制及其两种实现方法;提出了平滑过渡策略以适应不同磁链轨迹的切换。结果表明:直接自控制法能有效抑制定子尖峰电流，谐波电流损耗与谐波转矩更小;单折角调制十八边形磁链轨迹能抑制低次谐波;但由于单折角的限制，会引起其它低次谐波上扬;双折角调制可以将主要低次谐波消除殆尽，且简化了单折角调制的实现方式;不同磁链轨迹的过渡措施亦减小了转矩冲击。
　　考虑定子电阻偏差与直流偏置对电压电流模型的影响，提出定子电阻自适应的正交反馈补偿定子磁链观测器;研究了电压电流模型、电流转速模型、电压转速模型与状态方程的关系，以及各模型对电机参数的敏感性。基于异步电机的状态方程，提出了定子电阻自适应的定子磁链滑模观测器，降低观测器的参数敏感性。结果表明:正交反馈补偿定子磁链观测器能有效抑制定子磁链的直流偏置，但对定子电阻误差引起的定子估算误差无能为力;电压电流模型电流转速模型电压转速模型均为状态方程的特例;基于状态方程的全阶观测器对参数选择敏感，而滑模理论能降低参数敏感性，经验证，采用定子电阻自适应措施后的正交反馈补偿定子磁链观测器与定子磁链滑模观测器，定子磁链的观测精度得到提高。
　　针对异步牵引电机动力单元运行环境恶劣，转速传感器容易故障的特点，研究了故障后的无速度传感器运行策略，以提高电力机车恶劣环境下的稳定性与可靠性;为了避免无速度信息下，电力机车在惰行与牵引逆变器脉冲封锁保护后，逆变器启动时的过电流与转矩冲击，提出了带速重投控制策略。结果表明:开环转速估算精度不高;受制于电力牵引系统较低的开关频率，高频注入法无法使用;利用模型参考自适应理论，在前续两种定子磁链观测器的基础上，可以完成定子电阻与转子转速的同时辨识;带速重投控制策略抑制了过电流和转矩冲击。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 异步电机直接转矩控制低速运行时的转矩脉动抑制

1．2．2 高速区段的谐波抑制

1．2．3 定子磁链观测器

1．2．4 异步电机的无速度传感器运行及其带速重投控制

1．3 论文的研究内容

第2章 异步电机直接转矩控制低速阶段的转矩脉动抑制

2．1 引言

2．2 异步电机的数学模型

2．2．1 线性坐标变换及变换系数确定

2．2．2 两相静止坐标系下异步电机等效电路及其数学方程

2．3 异步电机直接转矩控制系统

2．3．1 异步电机直接转矩控制方法的理论依据

2．3．2 空间电压矢量的选择

2．3．3 异步电机圆形磁链轨迹直接转矩控制系统的实现

2．3．4 异步电机直接转矩控制系统的转矩脉动分析

2．3．5 基于查表PWM方法对转矩脉动的影响

2．4 基于空间矢量调制的异步电机直接转矩控制系统

2．4．1 异步电机间接定子量控制

2．4．2 异步电机无差拍空间矢量调制直接转矩控制

2．4．3 SVPWM调制以及过调制处理

2．5 一种结合Takahashi查表法和SVPWM调制的直接转矩控制系统

2．5．1 新型方法的设计原理

2．5．2 基于ST-PWM的占空比可变离散空间矢量调制的实现

2．6 几种直接转矩控制方法的综合分析

2．7 本章小结

第3章 低开关频率下的直接转矩控制谐波抑制策略

3．1 引言

3．2 较高定子频率下的典型PWM调制方式

3．2．1 较高定子频率下的分段同步调制

3．2．2 较高定子频率下的直接自控制

3．2．3 两种典型方式的对比

3．3 六边形与十八边形磁链轨迹的谐波分析

3．3．1 六边形磁链轨迹的谐波分析

3．3．2 十八边形磁链轨迹的谐波分析

3．3．3 十八边形磁链轨迹存在的问题

3．4 基于双折角调制的三十边形改进方案

3．4．1 三十边形磁链轨迹的谐波分析

3．4．2 基于双折角调制三十边形磁链轨迹实现方法一

3．4．3 基于双折角调制三十边形磁链轨迹实现方法二

3．5 几种DSC方法的实验对比分析

3．6 圆形磁链轨迹向多边形磁链轨迹间的过渡措施

3．7 本章小结

第4章 异步电机直接转矩控制系统的定子磁链观测

4．1 引言

4．2 开环定子磁链观测器

4．2．1 电压纯积分观测器(U-I模型)

4．2．2 电流转速观测器(I-ω模型)

4．3 一种基于定子电阻自适应的正交反馈补偿定子磁链观测器

4．3．1 正交反馈补偿定子磁链观测器的结构及其响应

4．3．2 定子电阻对定子磁链观测器的影响

4．3．3 正交反馈补偿定子磁链观测器的改进方案

4．4 异步电机的状态观测

4．4．1 异步电机的状态方程及状态观测器

4．4．2 电压转速观测器

4．4．3 全阶定子磁链观测器的参数敏感性分析

4．5 一种基于滑模理论的定子磁链滑模观测器

4．5．1 基于Lyapunov第二稳定性理论的定子电阻自适应算法

4．5．2 观测器的的消抖处理及稳定性判定

4．6 两种定子磁链观测器的综合分析

4．7 本章小结

第5章 异步牵引电机无速度传感器运行及其惰行再启动

5．1 引言

5．2 异步电机直接转矩控制的无速度传感器方案分析

5．2．1 基于数学模型的转差角速度转速辨识法

5．2．2 基于PI闭环控制作用转速辨识法

5．2．3 电机特征结构转速提取法

5．2．4 无速度传感器方法小结

5．3 基于第二类PI闭环控制速度辨识方案一

5．3．1 参考模型的准确性

5．3．2 定子电阻与转子转速的同时辨识

5．4 基于第二类PI闭环控制速度辨识方案二

5．4．1 基于Lyapunov第二稳定性理论的转速辨识

5．4．2 基于波波夫超稳定性理论的转速与定子电阻同时辨识

5．5 两种无速度传感器方案的实现与综合分析

5．6 无速度传感器的惰行再启动

5．6．1 电力机车的惰行

5．6．2 脉冲封锁后的定子磁链观测

5．6．3 封锁解除后的逆变器再启动

5．7 本章小结

第6章 异步牵引电机直接转矩控制系统的实验研究

6．1 引言

6．2 实验系统的电机拖动平台

6．3 实验系统的控制器设计

6．3．1 主控板数字信号处理器

6．3．2 模拟板的模拟信号处理

6．3．3 数字板的转速传感器接口

6．3．4 数字板的IGBT驱动设计

6．4 半实物仿真平台的设计

6．4．1 半实物仿真平台的软件环境

6．4．2 半实物仿真的硬件平台

6．4．3 被控对象的仿真建模

6．5 微机系统的程序设计

6．5．1 TMS320C6713B的程序设计

6．5．2 TMS320F2812的程序设计

6．6 异步牵引电机直接转矩控制的实验结果

6．6．1 异步牵引电机的控制特性

6．6．2 全软件的仿真结果

6．6．3 半实物平台的实验结果

6．7 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和成果

攻读博士学位期间主持或参与的相关科研项目