高速列车异步牵引电机方波单电流闭环控制策略

摘要

大功率牵引传动系统为了降低开关损耗，在牵引电机进入弱磁区之后，逆变器通常会进入方波工况以充分利用直流母线电压和降低开关频率。方波工况下，传统矢量控制算法受限于电压矢量角度这一单自由度而失效。同时，在整个速度范围内磁场定向精度直接决定着电机控制的性能，而磁场定向的准确与否又受电机参数变化等因素的影响。针对以上问题，本文对方波工况电机控制以及全速域电机磁场定向校正进行了研究。
　　首先，建立异步电机数学模型，考虑了方波下电流电压的限制，推导得到了方波下使电机最大化转矩输出的电流分配策略，根据运行工况的不同，对dq轴电流指令进行合理设计。进而分析了传统双电流环矢量控制在方波下的局限性，方波下电机电压受限于直流侧电压，电流控制器因可调电压裕量为零而失去调节作用。
　　其次，针对方波特殊工况，提出了一种单电流闭环控制策略，只保留d轴电流环，q轴电压通过d轴电压计算得到。该策略解决了传统矢量控制无法运行于方波工况的问题。基于此，提出了一种适合于混合多模式脉宽调制下的双模式电机控制方法，实现了异步牵引电机全速域的控制。
　　再次，基于所提全速域双模式控制方法，根据方波前后控制策略的不同，分析转子时间常数变化对电机控制中各变量的影响，进而提出了相应的磁场定向校正策略。在中低速域，采用基于转矩观测的磁场定向校正策略;在方波工况，本文所提方波单电流闭环控制可在磁场定向不准时进行自校正，保证电机转矩准确的输出。
　　最后，对所提控制策略在中车青岛四方车辆研究所提供的CRH5型动车组半实物平台进行了验证，并在校内实验室5.5kW异步电机对拖平台上进行了验证。仿真和实验结果验证了本文所提方波单电流闭环控制策略以及基于转矩观测磁场定向校正策略的有效性与可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 异步牵引电机方波控制策略

1．2．2 异步牵引电机磁场定向校正策略

1．3 论文构成及内容

2 异步牵引电机方波工况下运行机理分析

2．1 异步牵引电机最大化转矩输出的电流分配策略

2．1．1 异步电机方波工况下的电压和电流限制

2．1．2 最大化转矩输出的电流优化分配策略

2．2 方波工况下传统矢量控制的局限性

2．2．1 磁场定向矢量控制的实现

2．2．2 方波工况下传统双电流环矢量控制的局限性

2．2．3 牵引电机方波电流开环控制策略

2．3 本章小结

3 异步牵引电机方波单电流闭环控制

3．1 方波单电流闭环控制实现原理

3．1．1 转子磁链参考值优化

3．1．2 方波单电流闭环控制策略

3．1．3 稳定性分析

3．1．3 控制器参数设计

3．2 异步牵引电机全速域双模式控制

3．2．1 异步牵引电机全速域双模式控制策略

3．2．2 切换控制策略

3．3 仿真分析

3．4 本章小结

4 异步牵引电机全速域磁场定向校正

4．1 异步电机中低速磁场定向校正

4．1．1 磁场定向不准对电机控制的影响

4．1．2 基于电机转矩观测磁场校正策略

4．1．3 仿真分析

4．2 异步电机方波磁场定向控制

4．2．1 磁场定向不准对电机控制的影响

4．2．2 方波单电流闭环控制自校正分析

4．2．3 仿真分析

4．3 本章小结

5 异步牵引电机全速域双模式控制实验

5．1 dSPACE半实物平台实验

5．1．1 基于CRH5型动车组国产化TCU的dSPACE半实物平台

5．1．2 dSPACE半实物平台实验结果及分析

5．2 5．5kW异步电机对拖平台实验

5．2．1 5．5kW异步电机对拖实验平台

5．2．2 异步电机对拖平台实验结果及分析

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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