动车组牵引电机转矩脉动研究

摘要

高速列车在行进过程中，电机将电能转化为机械能，产生牵引力来驱动列车运行，因此牵引电机的性能影响着列车的动力性。在逆变器供电下，牵引电机输入电压中含有大量谐波，这些谐波电压会产生谐波电流及谐波磁通，进而产生谐波转矩，引起电磁转矩的脉动。因此，如何准确计算谐波转矩并且有效削弱谐波是分析设计过程中面临的关键问题。本文以电磁理论为基础，对上述问题进行了相关研究。
　　基于SPWM控制技术基本原理，针对单相和三相SPWM逆变电路进行了深入地分析和推导，得到了其输出谐波电压的双重傅里叶级数表达式。运用MATLAB/Simulink软件对逆变电路进行了仿真，得到输出电压谐波频谱的分布规律。从多个方面讨论了谐波对异步电机运行的不利影响。
　　从电机运行的电磁理论出发，讨论了异步牵引电机的谐波磁势，详细分析了谐波转矩产生的机理。在研究基波、谐波等效电路的基础上，利用虚位移原理，推导出了脉动谐波转矩的计算公式。建立了理想电源下的异步牵引电机系统模型和逆变器供电下的异步牵引电机系统模型，其中后者采用了按转子磁场定向的矢量控制方法。对模型进行了仿真，并对比了仿真结果。通过计算实例对异步牵引电机谐波转矩进行分析和计算，为进一步研究谐波转矩对牵引电机的影响打下了基础。
　　针对CRH380XL动车组牵引电机进行现场实测，分析测试数据，验证了相关结论。为了根据测试数据快速分析谐波频谱和转矩脉动情况，编写了牵引电机转矩脉动分析软件。
　　从SPWM逆变器谐波抑制和牵引电机参数优化两方面提出了减小转矩脉动的措施，重点介绍了谐波注入法和特定谐波消除法。为了消除高次谐波对牵引电机的影响，设计了低通滤波器电路。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高速动车组的发展和现状

1．2．2 高速列车牵引电机的发展和现状

1．2．3 牵引电机谐波转矩的研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 牵引逆变器输出谐波特性分析

2．1 谐波分析理论基础

2．1．1 SPWM控制技术基本原理

2．1．2 SPWM数学模型的建立及分析

2．2 单相逆变器的谐波分析

2．2．1 单相SPWM逆变电压谐波的傅里叶分析

2．2．2 单相SPWM逆变电压谐波频谱仿真

2．3 三相逆变器的谐波分析

2．3．1 三相SPWM逆变电压谐波的傅里叶分析

2．3．2 三相SPWM逆变电压谐波频谱仿真

2．4 谐波对电机的影响

2．5 本章小结

3 高速列车牵引电机谐波转矩计算与仿真

3．1 异步牵引电机基本原理

3．1．1 基本结构

3．1．2 工作原理

3．2 异步牵引电机的谐波磁势和磁场分析

3．2．1 空间谐波磁势

3．2．2 时间谐波磁势

3．2．3 变频调速异步电机中的三相合成磁势

3．3 异步牵引电机谐波转矩分析与计算

3．3．1 基波电磁转矩

3．3．2 谐波电磁转矩

3．4 理想电源下异步牵引电机仿真分析

3．5 逆变器供电下异步牵引电机仿真分析

3．5．1 转子磁场定向的矢量控制

3．5．2 谐波脉动转矩仿真

3．6 谐波转矩计算实例

3．7 本章小结

4 牵引电机转矩脉动测试分析

4．1 测试概况

4．1．1 测试内容

4．1．2 测试设备及接线

4．1．3 测试分析方法

4．2 CRH380X-XXL测试结果及分析

4．3 牵引电机转矩脉动分析软件

4．3．1 离散傅里叶变换

4．3．2 整体设计与模块划分

4．3．3 界面设计

4．4 本章小结

5 减小转矩脉动的措施

5．1 SPWM逆变器的谐波抑制

5．1．1 基本抑制方法

5．1．2 调制法

5．1．3 计算法

5．1．4 滤波器设计

5．2 优化电机参数

5．3 本章小结

6 总结与展望

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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