多模式混合脈寬調(diào)制策略在CR300AF動(dòng)車組的研究及應(yīng)用

畢長煜 趙長春

摘要： CRH300AF動(dòng)車組為中車集團(tuán)最新研制的250km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，由于受最高開關(guān)頻率、輸出電壓及電流諧波等限制，為提高電機(jī)控制及列車動(dòng)態(tài)性能，本車采用一種基于SHEPWM的多模式混合脈寬調(diào)制策略以實(shí)現(xiàn)列車在全速度范圍內(nèi)的平滑運(yùn)行。利用特定次諧波消除調(diào)制（SHEPWM）來消除特定次諧波，應(yīng)用曲線擬合法來替換傳統(tǒng)的查表法，降低程序復(fù)雜度。最后通過dspace仿真平臺(tái)及地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：CRH300AF動(dòng)車組;混合脈寬調(diào)制 ;特定次諧波消除調(diào)制;曲線擬合;

中圖分類號(hào)：TM464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

我國鐵路交通車輛主要由高速動(dòng)車組及電力機(jī)車為代表的大功率牽引傳動(dòng)系統(tǒng)組成，高電壓、大電流、大功率等特點(diǎn)限制了IGBT最高開關(guān)頻率的設(shè)計(jì)及散熱方面的使用。實(shí)際應(yīng)用中牽引變流器最高開關(guān)頻率一般不超過1kHz[1]，而牽引電機(jī)最高頻率可達(dá)300Hz左右，調(diào)制脈沖在全速度范圍內(nèi)載波比變化大，因此傳統(tǒng)的載波調(diào)制無法滿足工程需求，基于分段同步調(diào)制的多模式脈寬調(diào)制策略的應(yīng)用就成為必然[2]。

本文簡要介紹SHEPWM基本原理，重點(diǎn)描述SHEPWM開關(guān)角度的計(jì)算及DSP終端的實(shí)現(xiàn)，最終進(jìn)行地面聯(lián)調(diào)驗(yàn)證。

2 SHEPWM基本原理及實(shí)現(xiàn)方式

2.1 SHEPWM基本原理

SHEPWM調(diào)制輸出電壓具有1/2周期半波對(duì)稱及1/4周期對(duì)稱特點(diǎn)，每周期開關(guān)狀態(tài)4N+1次，當(dāng)基波脈沖為高電平時(shí)，開關(guān)角個(gè)數(shù)N為偶數(shù)，當(dāng)基波脈沖為低電平時(shí)，開關(guān)角個(gè)數(shù)N為奇數(shù)，因此SHEPWM開關(guān)角度計(jì)算公式如下所示：

2.2 SHEPWM開關(guān)角計(jì)算

SHEPWM角度計(jì)算中開關(guān)角個(gè)數(shù)為m，當(dāng) m為偶數(shù)時(shí)，kmax= m/2，消除的諧波次數(shù)為6k-1次，當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，kmax= （m-1）/2，消除諧波次數(shù)為6k±1次。

以11分頻開關(guān)角為例，實(shí)際應(yīng)用中采用曲線擬合法實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)制度m，計(jì)算精度0.01，調(diào)制度的m范圍取0～0.85，在此基礎(chǔ)上擬合角度曲線，角度曲線最高次數(shù)不超過3次，公式如下所示;

2.3 SHEPWM數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

在SHEPWM數(shù)字化過程中，采用單增模式鋸齒波作為載波，當(dāng)計(jì)數(shù)器等于DSP發(fā)送的比較值時(shí)，產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)。

將PWM控制周期采用10°分區(qū)的方法來實(shí)現(xiàn)SHEPWM脈沖，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的單相脈沖進(jìn)行36等分以此保證各個(gè)扇區(qū)內(nèi)只含有一個(gè)開關(guān)角。以11分頻為例，A相脈沖在前1/4周期存在5個(gè)開關(guān)角，1/2周期內(nèi)脈沖呈偶對(duì)稱，周期內(nèi)脈沖呈奇對(duì)稱，A、B、C三相相位互差120°，以固定的時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行采樣和運(yùn)算。

每個(gè)扇區(qū)內(nèi)含有一個(gè)開關(guān)角，因此每個(gè)載波周期內(nèi)只需計(jì)算一個(gè)比較值，第一個(gè)開關(guān)角為theta1，低電平起始，比較值CMPA1=theta1/10，第二個(gè)開關(guān)角theta2的比較值CMPA2=（theta2-10）/10。theta1及theta2的占空比為

以此類推可求得前1/4周期內(nèi)5個(gè)開關(guān)角及全周期內(nèi)的PWM脈沖輸出位置。

3 仿真及地面試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 SHEPWM各區(qū)段切換及實(shí)現(xiàn)方式

由于SHEPWM在諧波方面的優(yōu)異性能，動(dòng)車組在基于SHEPWM調(diào)制策略的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)全速度范圍內(nèi)的混合脈寬調(diào)制策略。當(dāng)電機(jī)頻率小于15Hz時(shí)采用異步調(diào)制，在15Hz至38Hz區(qū)間段采用同步調(diào)制，電機(jī)頻率在38Hz以上至方波區(qū)間段采用SHEPWM調(diào)制，當(dāng)頻率在進(jìn)入恒壓區(qū)后采用方波調(diào)制，通過計(jì)算開關(guān)角可知，3分頻調(diào)制深度0至1，可自然過渡至方波調(diào)制。

3.2 仿真分析

仿真階段牽引變流器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，電機(jī)模型參數(shù)根據(jù)表一所示，矢量及調(diào)制算法采用S函數(shù)進(jìn)行編寫，最大程度接近DSPAEC半實(shí)物仿真平臺(tái)。仿真階段給出11分頻及7分頻的三相電流及脈沖。

在仿真模式下11分頻及7分頻脈沖輸出良好，輸出脈沖在各自分頻段內(nèi)負(fù)載輸出電流無畸變，無轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)制策略的實(shí)用性，針對(duì)1500kW牽引變流器搭建地面試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證包括轉(zhuǎn)矩特性、全速度范圍內(nèi)掃頻及分頻段間切換的穩(wěn)定性。切換過程電機(jī)電流平穩(wěn)，無明顯波動(dòng)及沖擊，各個(gè)分頻段內(nèi)電機(jī)電流沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象。SHEPWM調(diào)制策略試驗(yàn)效果符合預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對(duì)最新研制的新型250km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，牽引控制單元（TCU）采用基于異步調(diào)制，同步調(diào)制及特定次諧波消除調(diào)制（SHEPWM）的混合脈寬調(diào)制策略，在選定初值的基礎(chǔ)上計(jì)算開關(guān)角度及擬合曲線。搭建MATLAB及DSPACE仿真模型，在半實(shí)物仿真的基礎(chǔ)上完成地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明采用混合脈寬調(diào)制策略時(shí)輸出波形良好，各調(diào)制切換平滑，滿足250km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組全速度范圍內(nèi)的運(yùn)行策略。

參考文獻(xiàn)

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項(xiàng)目名稱 ?250公里標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引控制軟件設(shè)計(jì)研發(fā).