基于CRH5型动车组国产化TCU的牵引电机高速区运行控制研究

摘要

牵引传动系统是高速列车的关键子系统之一，牵引电机控制性能的优劣将直接影响到列车运行性能的优劣。由于牵引传动系统具有大功率、高电压等特点，综合考虑牵引变流器功率、开关器件损耗、散热限制等因素，其最高开关频率往往较低，给牵引电机控制带来诸多难点。本文主要针对低开关频率下的多模式脉宽调制技术和高速方波区的弱磁控制策略展开研究。
　　本文首先从宏观角度对牵引电机在全速域的控制和调制策略进行深入的分析，指出在采用不同调制方式时，相应的电机控制策略也应作出合理的调整。研究了在电机中低速区采用转子磁场定向的间接矢量控制，而在高速方波区转入电压前馈的标量控制的混合控制方案，并从实际牵引控制器为DSP+FPGA结构的特点考虑，为解决控制与调制不同步问题，加入同步相角调节器来提高控制的响应能力。
　　针对高速列车牵引传动系统大功率、低开关频率特性，对当前常用两种低分频下的同步调制策略:同步SVPWM和SHEPWM策略进行对比分析研究。比较了相同分频下两种调制策略的电压谐波，WTHD等，得出了3分频时，SVPWM谐波性能更优的结论，因此在不同应用场合需要合理选择调制的模式和种类才能实现最优的调制性能。同时基于CRH5型国产化TCU平台完成了采用SHEPWM的全速域不同调制模式之间的平滑切换实验。
　　在列车运行的高速弱磁区，为了维持恒功，牵引转矩随着转速的的升高而减小。由于高速区需要转入方波工况，电压幅值将不可控，采用传统的反比例弱磁控制方法在电机满功率运行时，电流和电压同时受限，导致此时控制器输出容易饱和，电机转矩输出能力得不到充分发挥。本文针对传统弱磁控制中存在的问题，通过分析电机在不同阶段的最优运行轨迹。并据此引入q轴电压闭环控制和最大转差率限制，合理协调分配电流励磁分量与转矩分量，实现在电压与电流受限情况下电机转矩性能的充分发挥，仿真结果以及小功率电机平台的实验验证了弱磁控制策略的可行性和有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 高速列车牵引脉宽调制技术

1．2．2 高速列车牵引电机高速区弱磁控制技术

1．3 论文主要研究内容与组织结构

2 高速列车牵引传动系统构成及其控制

2．1 CRH5型动车组牵引传动系统构成

2．2 多模式脉宽调制下的牵引电机控制策略

2．2．1 中低速区转子磁场定向矢量控制策略

2．2．2 高速方波区控制策略

2．3 调制策略与控制策略数字实现问题

2．4 本章小结

3 高速列车牵引传动系统脉宽调制策略

3．1 基于SVPWM的同步调制策略

3．1．1 传统SVPWM同步调制策略

3．1．2 基本母线电压钳位(BBCS)同步调制策略

3．1．3 同步SVPWM调制策略数字实现

3．2 基于SHEPWM的同步调制策略

3．2．1 SHEPWM的原理和开关角求解

3．2．2 SHEPWM的数字化实现

3．3 同步SVPWM与SHEPWM性能对比

3．4 基于多模式SHEPWM的PWM切换技术研究

3．5 本章小结

4 牵引电机在高速区控制策略研究

4．1 牵引电机高速区弱磁控制

4．1．1 传统弱磁控制策略

4．1．2 电机运行最优工作点轨迹分析

4．1．3 基于q轴电压调节的方波区弱磁控制策略

4．2 仿真结果分析

4．3 本章小结

5 实验结果与分析

5．1 基于dSPACE半实物平台实验部分

5．1．1 基于CRH5型动车组国产化TCU的dSPACE半实物平台

5．1．2 基于SVPWM同步调制策略部分

5．1．3 多模式SHEPWM调制部分

5．1．4 基于SHEPWM多模式调制的中低速区矢量控制闭环实验

5．2 实验室5．5kW小功率平台实验部分

5．2．1 实验室5．5kW小功率平台介绍

5．2．2 高速方波区弱磁控制实验部分

5．3 本章小结

6 结论

6．1 主要工作

6．2 进一步完善的工作

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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