电力机车牵引电机在全速度范围的控制策略研究

摘要

电力机车牵引电机的控制是电力机车的核心技术之一，其控制性能的优劣对于电力机车的安全稳定运行具有至关重要的作用。本文以国产大功率交流传动电力机车的研究开发为背景，对电力机车牵引传动系统中牵引电机控制的关键问题进行了研究。主要内容包括：
　　⑴在非方波调制区，系统性的针对转子时间常数误差和负载大小与磁场定向角度误差之间的关系，以及定向角度误差对电机矢量控制性能的影响进行了详细的理论推导和综合分析。在此基础上通过对不同方法的对比分析采用了一种基于q轴转子磁链的磁场定向角度误差实时校正策略，仿真和实验结果证明该策略能够对各种原因引起的磁场定向角度误差进行良好的校正。
　　⑵针对方波下逆变器输出电压不能调节导致传统矢量控制不能应用的情况，本文中提出了一种基于电流开环控制的改进型矢量控制策略，并采用基于改进的电压控制器的弱磁策略，保证了电机在方波弱磁区全速度范围的最大转矩控制。
　　⑶分析了方波工况在基于电流开环控制的改进型矢量控制下磁场定向不准对电机电流指令值和实际值之间偏差的影响，提出了一种方波下基于q轴电流误差的磁场定向误差校正策略，保证了方波下的转矩控制精度。
　　⑷对两种低载波比下的调制策略——中间60°调制策略和SHEPWM进行了对比研究。重点对两种调制方式下在不同脉冲数下的电压谐波，电机负载下的电流谐波和引起的转矩脉动的变化规律进行了详细的理论分析，比较了两种调制方式的优缺点。对SHEPWM下不同开关角分布对谐波的影响进行了分析。对不同调试方式之间的切换策略进行了分析，提出了一种三相同时切换的切换策略。
　　⑸提出了一种基于机车速度的全速度范围分段矢量控制策略，对其应用于国产大功率电力机车牵引传动系统后的现场试验情况进行了说明。并针对电力机车的几个特殊问题进行了研究，提出了一种过分相区的直流电压恒定控制策略，保证在过分相区辅助系统的不间断供电;采用了一种基于速度误差的开环转矩控制策略，保证了电力机车的准恒速控制。电力机车现场试验结果良好，已经通过铁道科学研究院的所有型式试验，目前正在上线试运行。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文研究的背景及意义

1．1．1 论文研究的背景

1．1．2 论文研究的意义

1．2 电力机车电牵引传动系统的发展

1．2．1 电力电子器件的发展

1．2．2 电力机车牵引传动系统的结构

1．2．3 电力牵引传动系统的牵引电机控制策略

1．3 电力机车牵引传动系统的控制需要解决的主要问题

1．3．1 电力牵引传动系统的特点

1．3．2 电力机车牵引电机控制中的主要问题

1．4 论文的主要研究内容

2 电力机车牵引电机在非方波调制区的矢量控制策略

2．1 矢量控制的基本原理及实现方式

2．2 非方波调制区牵引电机矢量控制的基本结构

2．3 磁场定向不准对电机控制性能的影响

2．3．1 转子时间常数和负载与定向角度误差之间的关系

2．3．2 定向角度误差对电机控制性能影响的分析

2．3．3 仿真结果

2．4 磁场定向角度的实时校正策略

2．4．1 基于q轴观测磁链的磁场定向角度实时校正策略

2．4．2 仿真和实验结果

2．5 低速区的牵引电机矢量控制策略

2．6 本章小结

3 电力机车牵引电机在高速区(方波工况)的控制

3．1 方波工况下的矢量控制方案

3．2 方波下异步电机在弱磁区的最大转矩控制

3．2．1 传统的弱磁控制策略

3．2．2 方波工况下弱磁区的最大转矩控制策略

3．2．3 仿真及实验结果

3．3 方波下矢量控制的磁场定向校正策略

3．3．1 方波下电机参数不准对定向角度的影响

3．3．2 方波下基于q轴电流误差的磁场定向角度校正策略

3．3．3 方波下磁场定向不准对转子磁链和转矩的影响

3．3．4 仿真及实验结果

3．4 本章小结

4 电力机车牵引传动系统的调制策略

4．1 低开关频率下的基本脉宽调制策略

4．2 非优化PWM—中间60°调制策略

4．2．1 中间60°调制的原理及实现

4．2．2 中间60°调制的电压、电流谐波及转矩脉动分析

4．2．3 仿真和实验结果

4．3 优化PWM—SHEPWM

4．3．1 SHEPWM的原理及开关角度的计算

4．3．2 SHEPWM的电压、电流谐波及转矩脉动分析

4．3．3 SHEPWM的实现方式

4．3．4 仿真和实验结果

4．4 全速度范围内的调制策略以及不同调制方式之间的切换

4．4．1 基于非优化PWM的全速度范围调制策略及切换策略

4．4．2 基于优化PWM的全速度范围调制策略及切换策略

4．5 本章小结

5 本文控制策略在国产大功率电力机车上的应用

5．1 国产大功率电力牵引机车的技术条件

5．2 基于机车速度的全速度范围内分段矢量控制

5．3 大功率电力机车控制中的两个实际问题

5．3．1 电力机车过分相区的直流电压控制策略

5．3．2 电力机车的准恒速控制

5．4 现场试验结果

5．4．1 牵引电机特性试验

5．4．2 不同调制策略以及不同控制策略之间的切换

5．4．3 牵引电机的带速重投

5．4．4 型式试验

5．5 本章小结

6 结论

6．1 本文取得的成果

6．2 需要进一步研究的问题

参考文献

附录A

附录B

附录C

附录D

作者简历

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