动车组无拍频控制策略研究

摘要

伴随着国内城市化进程的快速发展，城际交通的需求日渐增长，而动车组以其灵活的编组方式、优良的调速性能成为城际交通的首选。动车组列车牵引变流器中的拍频现象会导致系统损耗增加、发热及机械抖动严重。本文依托于“十二五”国家科技支撑计划重点项目“混合动力动车组关键技术研究与典型样车研制”和联合基金项目“高速铁路电力牵引系统的安全性预测与控制”(U1134204)，为实现列车的轻量化和低成本，对动车组牵引传动系统拍频现象展开研究，提出一种基于频域分析的无拍频控制策略，并通过仿真和实验验证了该策略的可行性和有效性。
　　对异步电机矢量控制系统进行研究，介绍了坐标变换的基本方法，建立了同步旋转坐标系下异步电机的数学模型;对异步电机的不同矢量控制方案进行研究，并给出等效电路，得到基于转子磁场定向的矢量控制系统的基本原理，以此为拍频现象建模的理论基础。
　　对拍频现象进行分析，根据单相四象限整流器功率平衡特性对直流脉动电压进行了分析，以此为基础结合开关函数推导得到逆变器输出相电压表达式，并结合异步电机阻抗特性，对电机拍频电流进行了定性分析;介绍了现有无拍频控制策略，并对各种方法的优缺点进行了对比。
　　基于异步电机动态模型建立小信号模型，分析拍频电流与脉动电压及转差频率增量的关系，在频域下对拍频现象进行定量分析，得到拍频电流模型和拍频转矩模型;加入无拍频控制策略，对无拍频控制器参数进行设计，通过对电机转差频率进行修正以抑制拍频现象;在控制策略的数字实现过程中，通过对数字滤波器的设计和对离散化方法的分析对直流电压脉动分量准确采样;得到无拍频控制策略在转子磁场定向矢量控制系统中的应用。
　　借助Matlab对无拍频控制策略进行仿真研究，对不同供电方案下的拍频现象及控制策略进行验证;参与搭建了混合动力动车组地面实验平台，以此为基础对无拍频控制策略进行实验验证。仿真结果和实验结果与理论分析一致，验证了本文提出的无拍频控制策略的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文研究背景和选题意义

1．2 异步电机控制技术研究现状

1．3 动车组无拍频控制技术研究现状

1．3．1 无拍频控制硬件方法研究现状

1．3．2 无拍频控制策略研究现状

1．4 本论文的章节安排和主要研究内容

2 异步电机矢量控制系统研究

2．1 坐标变换

2．1．1 三相／两相静止坐标变换

2．1．2 两相静止／两相旋转坐标变换

2．2 异步电机动态模型

2．3 异步电机矢量控制策略

2．3．1 异步电机矢量控制基本思想

2．3．2 矢量控制方案研究

2．3．3 异步电机的间接转子磁场定向矢量控制

2．4 本章小结

3 拍频现象分析与抑制方法

3．1 牵引传动系统主电路结构

3．2 牵引变流器直流电压二次脉动的产生

3．3 直流母线脉动电压对电机影响分析

3．3．1 脉动电压对逆变器输出相电压的影响

3．3．2 异步电机阻抗特性分析

3．3．3 异步电机拍频电流分析

3．4 拍频现象的抑制方法

3．4．1 硬件方法抑制直流母线脉动

3．4．2 基于前馈补偿的无拍频控制方法

3．4．3 基于单周期控制的无拍频控制方法

3．4．4 基于频率补偿的无拍频控制方法

3．5 本章小结

4 基于频域分析的无拍频控制策略

4．1 基于频域建模的拍频现象分析

4．1．1 异步电机建模分析

4．1．2 拍频现象建模及频域分析

4．2 基于频域分析的无拍频控制策略原理分析

4．3 无拍频控制器参数设计

4．4 直流母线脉动电压的准确采样

4．4．1 数字滤波器设计

4．4．2 离散化方法分析

4．5 矢量控制系统中的无拍频控制策略

4．6 本章小结

5 仿真研究与实验验证

5．1 无拍频控制策略仿真研究

5．1．1 仿真方案介绍

5．1．2 脉动直流电压供电下拍频现象仿真研究

5．1．3 单相整流器供电下拍频现象仿真研究

5．2 无拍频控制策略实验验证

5．2．1 混合动力动车组概述

5．2．2 牵引传动系统实验平台概况

5．2．3 转子磁场定向矢量控制策略实验验证

5．2．4 无拍频控制策略实验验证

5．3 本章小节

6 总结与展望

6．1 全文结论

6．2 未来研究工作展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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