高速列車牽引電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真與分析?

徐子峻，鄔平波，崔利通

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制法是上個(gè)世紀(jì)中期在矢量控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制方法［1－2］。把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量進(jìn)行控制，省掉了復(fù)雜的矢量變換運(yùn)算，其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，是一種具有較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的交流調(diào)速技術(shù)［3］。在直接轉(zhuǎn)矩控制中有兩種磁鏈控制方式，即六邊形磁鏈和圓形磁鏈。六邊形磁鏈控制結(jié)構(gòu)簡單，逆變器開關(guān)頻率小，但是電流、磁鏈脈動(dòng)較大。圓形磁鏈控制磁鏈脈動(dòng)量較小，但是開關(guān)頻率相對較大。本文根據(jù)高速列車牽引電機(jī)的工作特點(diǎn)，結(jié)合了這兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮了低速時(shí)定子電阻壓降的影響，建立了適用于高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制模型。

1 圓形磁鏈控制

對于定子磁鏈位置的判斷，傳統(tǒng)的方法是將磁鏈分成6個(gè)扇區(qū)。這種傳統(tǒng)方法是建立在忽略定子電阻壓降影響的基礎(chǔ)上的，認(rèn)為轉(zhuǎn)矩的變化由轉(zhuǎn)矩角度來決定，并不受定子磁鏈幅值影響。但是如果考慮電阻壓降的影響，空間電壓矢量選擇表在某些情況下是不準(zhǔn)確的，因此為了改善傳統(tǒng)六扇區(qū)控制的不利影響，本文采用十二扇區(qū)細(xì)分的方法［4］。這種方法是在傳統(tǒng)磁鏈六扇區(qū)的基礎(chǔ)上將磁鏈再度細(xì)分，分為十二個(gè)扇區(qū)，如圖1所示。

當(dāng)θ在－15°～15°區(qū)間內(nèi)，當(dāng)前定子磁鏈處于第一扇區(qū)θ（1），若此時(shí)需要同時(shí)增加轉(zhuǎn)矩和磁鏈時(shí)，矢量選擇單元選擇電壓矢量U2（110）；當(dāng)定子磁鏈處于第二扇區(qū)θ（2）時(shí)，若此時(shí)需要增加轉(zhuǎn)矩并減小磁鏈時(shí)，矢量選擇單元選擇電壓矢量U1（100）；當(dāng)定子磁鏈處于第三扇區(qū)θ（3）時(shí)，若此時(shí)需要減小轉(zhuǎn)矩并增加磁鏈時(shí)，矢量選擇單元選擇電壓矢量U4（100），以此類推［5］。

圖1 磁鏈?zhǔn)謪^(qū)

2 六邊形磁鏈軌跡控制

六邊形磁鏈控制系統(tǒng)在1/6周期中只采用一種開關(guān)狀態(tài)，不需要實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈?zhǔn)噶康南嘟呛头担恍枰獙⒍ㄗ屿o止坐標(biāo)系（αβ）下的磁鏈分量Ψsα和Ψsβ投影到三相坐標(biāo)系（β）的βa，βb，βc軸上，得到三相定子磁鏈分量Ψβa，Ψβb，Ψβc，再通過滯環(huán)比較器得到3個(gè)磁鏈開關(guān)信號(hào)SΨa，SΨb，SΨc，由磁鏈開關(guān)信號(hào)可以很方便地得到逆變器開關(guān)信號(hào)Sa，Sb，Sc。另一方面，根據(jù)測得的定子電壓us和定子電流is，通過電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩Te，將Te與給定電磁轉(zhuǎn)矩T＊e比較之后經(jīng)過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ，由TQ控制逆變器開關(guān)信號(hào)的輸入，進(jìn)而控制異步牽引電機(jī)。

3 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段全速度控制策略

綜合圓形磁鏈控制和六邊形磁鏈控制的優(yōu)點(diǎn)，在低速范圍內(nèi)，即15%基速以下，采用圓形磁鏈控制；在高速范圍內(nèi)，即15%基速以上，采用六邊形磁鏈控制。磁鏈控制方式以15%基速為切換點(diǎn)，切換通過編寫的S函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，建立MATLAB/Simulink仿真模型。

4 全速度控制系統(tǒng)仿真與分析

本文參考的某動(dòng)車組編組方式為四動(dòng)四拖。通過MATLAB/Simulink仿真，得到的結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速n

圖3 定子磁鏈軌跡

圖4 定子磁鏈Ψs

結(jié)合圖2、圖3和圖4可以看出：在全速范圍內(nèi)，定子磁鏈軌跡呈圓形和六邊形混合圖形；在低速范圍內(nèi)，磁鏈軌跡為圓形；在高速范圍內(nèi)，磁鏈軌跡為六邊形；當(dāng)牽引電機(jī)處于圓形磁鏈控制時(shí)，定子磁鏈的波動(dòng)明顯小于六邊形控制。

在列車起動(dòng)初始，起動(dòng)阻力要大于列車運(yùn)行阻力。從圖5中可以看出列車起動(dòng)時(shí)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為290 Nm，并隨列車速度的增加而減?。辉?.015s，此時(shí)列車阻力為列車運(yùn)行阻力，并隨著列車速度的增加而增加。結(jié)合圖2可以看出，在電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的同時(shí)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡，并沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，說明建立的系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能響應(yīng)良好。

為了對比傳統(tǒng)圓形磁鏈控制和十二扇區(qū)細(xì)分圓形磁鏈控制，單獨(dú)建立了兩種圓形磁鏈控制模型。牽引電機(jī)基本參數(shù)不變，初始給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為40rad/s，0.3s給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為80rad/s，0.6s給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為30rad/s；電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始給定值為0Nm，0.6s負(fù)載轉(zhuǎn)矩為400Nm。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl

圖6 兩種圓形磁鏈控制下的磁鏈軌跡

圖7 兩種圓形磁鏈控制下的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te

對比圖6（a）和圖6（b）可以看出：在列車低速范圍內(nèi)，傳統(tǒng)磁鏈控制會(huì)出現(xiàn)微小的磁鏈畸變；而采用十二扇區(qū)細(xì)分法得到的磁鏈軌跡能夠更快地達(dá)到圓形。對比圖7（a）和圖7（b）可以看出：傳統(tǒng)磁鏈控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在±30Nm范圍內(nèi)，而采用十二扇區(qū)細(xì)分法，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在±25Nm左右，這表明十二扇區(qū)細(xì)分法能夠有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

5 結(jié)論

根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，基于某動(dòng)車組參數(shù)，建立恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段全速度控制模型，仿真結(jié)果表明：

（1）在考慮列車運(yùn)行阻力和起動(dòng)阻力的條件下，根據(jù)給定的參數(shù)，仿真得到的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流沒有產(chǎn)生大的波動(dòng)，控制方式的切換比較平穩(wěn)，定子磁鏈比較完整，沒有產(chǎn)生畸變，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)性能。

（2）相對于傳統(tǒng)圓形磁鏈控制，采用十二扇區(qū)細(xì)分的方法能夠降低定子電阻壓降的影響，有效地減小磁鏈畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可用于異步牽引電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的深入研究。

［1］Depenbrock M. Direct self control of inverter－fed induction machines［J］.IEEE Trans Power Electron，1988（3）：420－429.

［2］馮曉云.交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［3］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］王英，常慧娟.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈區(qū)間細(xì)分方法［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（4）：83－86.

［5］李正熙，楊立永.交直流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.