城軌列車永磁同步牽引電機(jī)控制與逆變器直流側(cè)振蕩抑制研究.pdf

1、永磁同步電機(jī)具有功率密度高、效率高、能夠全封閉設(shè)計(jì)減小維護(hù)等優(yōu)點(diǎn);隨著社會(huì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提升，在國(guó)內(nèi)外軌道交通牽引領(lǐng)域逐漸被廣泛關(guān)注。本文圍繞城軌列車永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)，針對(duì)系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵問(wèn)題，選取方波工況永磁同步電機(jī)閉環(huán)控制、采用特殊同步調(diào)制時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化以及牽引傳動(dòng)系統(tǒng)阻抗不匹配引起的逆變器直流側(cè)振蕩問(wèn)題展開(kāi)研究，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)各研究點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。
　　城軌列車牽引逆變器在高速域采用方波單脈沖調(diào)制，此時(shí)逆變

2、器輸出電壓基波幅值達(dá)到最大，只有電壓相位一個(gè)控制自由度，常規(guī)永磁同步電機(jī)弱磁方案難以保證電流閉環(huán)控制。本文提出了一種可用于方波工況的改進(jìn)型交直軸電流耦合調(diào)節(jié)單電流環(huán)弱磁控制，只需一個(gè)控制自由度，且能夠保證逆變器輸出電壓調(diào)制度恒定，實(shí)現(xiàn)了方波工況永磁同步電機(jī)的電流閉環(huán)控制。本文給出了原理清晰、工程可靠的方波工況進(jìn)出判據(jù)。針對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制需求，建立了該控制策略轉(zhuǎn)矩閉環(huán)小信號(hào)模型，根據(jù)零極點(diǎn)分布確定了系統(tǒng)穩(wěn)定性，給出了控制器參數(shù)設(shè)計(jì)原則，

3、研究了電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載等因素對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。
　　城軌列車牽引逆變器在中速域廣泛采用特殊同步調(diào)制。特殊同步調(diào)制的開(kāi)關(guān)角計(jì)算基于穩(wěn)態(tài)傅里葉分析，適用于電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中系統(tǒng)性能下降，可能出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)甚至過(guò)流。本文采用永磁同步電機(jī)定子磁鏈軌跡跟蹤策略，根據(jù)目標(biāo)與實(shí)際定子磁鏈間的誤差微調(diào)開(kāi)關(guān)序列，保證電機(jī)定子磁鏈與電流矢量軌跡平穩(wěn)變化，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能，減小電流沖擊。同時(shí)還將該方法用于保證特殊同步調(diào)制與基于載波調(diào)制策略

4、的平滑切換。本文采用基于拓展磁鏈模型的最小階觀測(cè)器觀測(cè)電機(jī)實(shí)際磁鏈，采用電壓積分法得到系統(tǒng)目標(biāo)磁鏈，給出了在α-β兩相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行磁鏈誤差消除的原則，得到更為快速精確的磁鏈誤差消除過(guò)程。
　　城軌列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由于LC濾波環(huán)節(jié)輸出阻抗與逆變器-電機(jī)系統(tǒng)輸入阻抗的不匹配，隨著系統(tǒng)輸出功率的增大會(huì)出現(xiàn)逆變器直流側(cè)電壓、電流振蕩的不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文推導(dǎo)了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制與改進(jìn)型交直軸電流耦合調(diào)節(jié)弱磁控制時(shí)的逆

5、變器-電機(jī)輸入導(dǎo)納模型，為研究系統(tǒng)振蕩機(jī)理與抑制方法提供了更為精確的模型。提出了基于主動(dòng)阻尼補(bǔ)償?shù)娜儆蚍€(wěn)定方案。電機(jī)中低速域采用雙電流環(huán)控制時(shí)容易發(fā)生振蕩，此時(shí)基于交軸電壓指令進(jìn)行主動(dòng)阻尼補(bǔ)償，匹配系統(tǒng)阻抗，抑制系統(tǒng)振蕩。方波工況采用改進(jìn)型交直軸電流耦合調(diào)節(jié)弱磁控制時(shí)系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。
　　本文搭建了7.5kW和300kW兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在300kW永磁同步電機(jī)上完成了全速域電流閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的方波工況單電流環(huán)控制策