牵引直线感应电机推力优化控制的研究

摘要

随着直线电机轨道交通系统的快速发展，LIM（Linear Induction Motor：直线感应电机）在世界范围内得到了越来越广泛的应用。牵引LIM具有很多优势，然而，其相对于传统旋转电机最大的缺点在于效率和功率因数比较低，同时存在着垂向力的约束，边端效应和参数变化的影响等控制难点。本文结合LIM应用于地铁车辆运行中的实际情况，提出输入功率一定时控制输出推力最大的研究目标。纵观该领域的国内外文献，已有改进电机的结构和针对旋转电机的推力最大研究两种思路。本文在参照旋转电机控制方法的基础上，提出直线电机的推力优化策略，并充分考虑牵引LIM的实际运行特性。 本文通过涡流损耗分析的方法，推导了考虑直线感应电机纵向边端效应的动态数学模型。通过对直线电机和旋转电机控制不同之处的分析比较，设计了基于间接转子磁场定向的LIM矢量控制器。在此基础上，在垂向力约束下，以推力最大为目标推导了d、q轴电流的控制方法。重点讨论了考虑磁通限幅前后的全负载控制方案以及考虑参数变化前后的补偿控制方案。 为了对优化方案进行验证，搭建了仿城市轨道交通线路的直线电机牵引传动系统，特别进行了电机的环形轨道等设计以克服传统装置的缺陷。仿真系统基于Matlab/Simulink软件，仿真与实验结果对照验证了系统良好的变频调速性能、恒参数下推力优化性能以及变参数下优化性能。最后对实际广州地铁四号线的仿真得出了本方案一定的实用价值。

目录

文摘

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致谢

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 论文的主要工作及安排

2 直线电机的动态数学模型

2.1 直线感应电机的结构形式和基本工作原理

2.1.1 直线感应电机的结构形式

2.1.2 直线感应电机的基本原理

2.2 直线感应电机的数学模型分析

2.2.1 直线感应电机的特性分析

2.2.2 基于涡流损耗分析的动态纵向边端效应

2.2.3 同步旋转坐标系下直线感应电机数学模型

2.3 本章小结

3 直线电机的推力优化控制

3.1 考虑边端效应的直线电机变频控制

3.1.1 牵引直线电机变频控制的发展概况

3.1.2 旋转电机矢量控制技术的基本原理

3.1.3 考虑边端效应的直线电机矢量控制

3.2 考虑实际运行特性的直线电机推力优化控制

3.2.1 优化方法的提出

3.2.2 恒参数下推力的最优化

3.2.3 变参数下推力的最优化

3.3 本章小结

4 实验及仿真平台设计

4.1 实验系统

4.1.1 硬件设计

4.1.2 软件设计

4.2 仿真系统

4.2.1 直线感应电机建模

4.2.2 直线感应电机矢量控制器及优化模块

4.3 本章小结

5 实验及仿真结果分析

5.1 变频调速性能

5.2 恒参数下优化性能

5.3 变参数下优化性能

5.4 广州地铁四号线的仿真

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历