基于DTC的牽引傳動系統(tǒng)低速域仿真研究

黃興傳 董文凱(江西省特種設(shè)備檢驗檢測研究院九江分院，江西九江332000)

基于DTC的牽引傳動系統(tǒng)低速域仿真研究

黃興傳 董文凱(江西省特種設(shè)備檢驗檢測研究院九江分院，江西九江332000)

本文基于脈沖整流器的數(shù)學(xué)模型，對異步牽引電機采用間接定子量控制(Indirect Stator-Quantities Control，ISC)方法，在每個控制周期，根據(jù)參考磁鏈與給定磁鏈的誤差，利用空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)合成對應(yīng)的指令電壓矢量。并在MATLAB仿真平臺上對牽引傳動系統(tǒng)在低速域時進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明本文所述控制策略的有效性和可行性。

間接定子量控制；牽引傳動系統(tǒng)；低速域；仿真研究

牽引傳動系統(tǒng)控制技術(shù)是我國高速動車組國產(chǎn)化進(jìn)程中的九大關(guān)鍵技術(shù)之一，而牽引異步電機是牽引傳動系統(tǒng)的重要組成部分，牽引異步電動機常用的控制方式是正六邊形磁鏈控制方式，但存在低速性能較差的缺陷[1-2]，而ISC控制方式在低速域具有轉(zhuǎn)矩脈動小、開關(guān)頻率恒定等優(yōu)點。本文對牽引傳動系統(tǒng)的低速性能進(jìn)行了探討，首先分析了脈沖整流器的工作原理及其數(shù)學(xué)模型，其次分析了間接定子量控制的基本原理和算法實現(xiàn)，最后，對牽引傳動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果證明了本文采用的控制策略的有效性和可行性。

1 兩電平脈沖整流器工作原理及其數(shù)學(xué)模型

兩電平脈沖整流器主電路圖如圖1所示。

圖1 兩電平脈沖整流器主電路圖

如圖1所示LN和RN分別為牽引繞組漏電感和電阻，開關(guān)管T1、T2、T3、T4組成一個全控橋電路，L2和C2組成一個二次濾波器，Cd為中間支撐電容，RL為負(fù)載。定義理想開關(guān)函數(shù)SA和SB,當(dāng)SA為1時，T1或D1導(dǎo)通，SA為0時，T2或D2導(dǎo)通；當(dāng)SB為1時，T3或D3導(dǎo)通，SB為0時，T4或D4導(dǎo)通。

因上橋臂和下橋臂不允許直通，所以在每相橋臂中，上橋臂的開關(guān)信號和下橋臂的開關(guān)信號必須相反。則輸入電壓uab的取值只有Ud、0、-Ud三種電平，兩電平脈沖整流器的工作原理是通過采用不同的控制方式，調(diào)節(jié)uab有效值的大小，來控制輸入電流的相位，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)功率因數(shù)的控制。通過以上分析可得出兩電平脈沖整流器主電路數(shù)學(xué)模型如式(1)所示[3]。

2 間接定子量控制

2.1 間接定子量控制基本原理

間接定子量控制的基本原理：根據(jù)轉(zhuǎn)矩給定值、磁通給定值以及計算得出的當(dāng)前PWM周期中磁通和轉(zhuǎn)矩值，來預(yù)測下一個PWM周期中定子磁通所需的角度和幅值的變化，從而計算出定子電壓矢量Us，再通過SVPWM調(diào)制器得出逆變器所需的開關(guān)信號，使定子磁鏈沿圓形軌跡運動且保證轉(zhuǎn)矩為給定值[4-5]。

2.2 間接定子量控制的算法實現(xiàn)

若kψ表示定子磁鏈空間矢量從k時刻到() k-1時刻幅值的增量。它可由定子磁鏈給定值和定子磁鏈的實際值的幅值通過PI調(diào)節(jié)器得到。

若用Δθ表示從k時刻到() k-1時刻定子磁鏈空間矢量相角增量，則其為靜態(tài)相角增量Δθs、動態(tài)相角增量Δθr之和。靜態(tài)相角增量Δθs可以通過轉(zhuǎn)子角頻

率和轉(zhuǎn)差角頻率求得，而動態(tài)相角增量Δθr可通過轉(zhuǎn)差頻率的PI調(diào)節(jié)得到。

假設(shè)控制周期Ts足夠短，則可以認(rèn)為k時刻結(jié)束時，所需輸出的電壓矢量為當(dāng)前控制周期的定子電壓的平均值，再通過SVPWM控制器，得到逆變器所需的開關(guān)信號，從而實現(xiàn)對異步牽引電機的控制。由以上分析可得間接定子量控制算法系統(tǒng)框圖如圖2所示：

圖2 間接定子量控制算法系統(tǒng)框圖

3仿真結(jié)果

為了驗證控制方案的可行性，本文針對牽引傳動系統(tǒng)，進(jìn)行了基于Matlab的仿真研究，并給出了仿真結(jié)果。仿真系統(tǒng)中異步電機參數(shù)為：額定功率265kW，額定電壓1287V，額定電流158A，額定頻率92Hz，定子電阻0.144Ω，定子漏感1.417mH，轉(zhuǎn)子電阻0.146Ω，轉(zhuǎn)子漏感1.294mH，互感32.848mH，電機極對數(shù)2個，給定磁鏈為1.7Wb。逆變器的開關(guān)頻率為800Hz。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖4 定子磁鏈αβ坐標(biāo)系下的運動軌跡

電機空載起動后，在恒定的額定轉(zhuǎn)矩928.05N?m作用下，在約t=0.59s電機速度達(dá)到給定轉(zhuǎn)速430r/min，此時電機輸出轉(zhuǎn)矩變?yōu)榻o定轉(zhuǎn)矩400N?m。

圖3為電磁轉(zhuǎn)矩波形，可以看到電機轉(zhuǎn)矩圍繞給定值400N?m波動，波動范圍為±200N.m，轉(zhuǎn)矩脈動較小。圖4為定子磁鏈αβ坐標(biāo)系下的運動軌跡,定子磁鏈軌跡保持著很好的圓形軌跡，并保持在磁鏈給定值=1.7Wb小范圍內(nèi)抖動。仿真結(jié)果表明，在低速域，間接定子量控制方式具有較好的低速性能。

4 結(jié)語

本文針對牽引傳動系統(tǒng)，在低速域應(yīng)用間接定子量控制方式控制異步牽引電機，并對牽引傳動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。通過理論分析和仿真研究得出，間接定子量控制方式具有良好的低速性能。在低速域，電機穩(wěn)定運行，電磁轉(zhuǎn)矩脈動小，電流為正弦形，定子磁鏈?zhǔn)噶窟\動軌跡很好的保持著圓形，且開關(guān)頻率恒定。

[1]王堅,桂衛(wèi)華,李祥飛,年曉紅,黃濟榮.基于恒定開關(guān)頻率空間矢量調(diào)制的異步電機間接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2007,22(6):35-40.

[2]劉子建,桂武鳴.電壓型四象限變流器的計算機仿真[J].電力機車與城軌車輛,2003,26(1):11-13.

[3]李偉,張黎.交-直-交傳動系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器預(yù)測電流控制方法的計算機仿真及實現(xiàn)[J].中國鐵道科學(xué).2002,23(6):49-54.

[4]張彥林,劉覺民,付振宇.異步牽引電動機低速區(qū)控制方法的比較[J].電力機車與城軌車輛,2006,29(3):24-26.

[5]尚敬,劉可安.電力牽引異步電動機無速度傳感器間接定子量控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(2):22-27.