城軌列車永磁同步牽引電機控制與逆變器直流側(cè)振蕩抑制研究.pdf

1、永磁同步電機具有功率密度高、效率高、能夠全封閉設計減小維護等優(yōu)點;隨著社會節(jié)能環(huán)保意識的提升，在國內(nèi)外軌道交通牽引領域逐漸被廣泛關注。本文圍繞城軌列車永磁同步牽引傳動系統(tǒng)控制技術，針對系統(tǒng)性能提升的關鍵問題，選取方波工況永磁同步電機閉環(huán)控制、采用特殊同步調(diào)制時系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)化以及牽引傳動系統(tǒng)阻抗不匹配引起的逆變器直流側(cè)振蕩問題展開研究，并通過仿真與實驗對各研究點進行驗證。
　　城軌列車牽引逆變器在高速域采用方波單脈沖調(diào)制，此時逆變

2、器輸出電壓基波幅值達到最大，只有電壓相位一個控制自由度，常規(guī)永磁同步電機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，只需一個控制自由度，且能夠保證逆變器輸出電壓調(diào)制度恒定，實現(xiàn)了方波工況永磁同步電機的電流閉環(huán)控制。本文給出了原理清晰、工程可靠的方波工況進出判據(jù)。針對牽引電機轉(zhuǎn)矩控制需求，建立了該控制策略轉(zhuǎn)矩閉環(huán)小信號模型，根據(jù)零極點分布確定了系統(tǒng)穩(wěn)定性，給出了控制器參數(shù)設計原則，

3、研究了電機轉(zhuǎn)速、負載等因素對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。
　　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)制的開關角計算基于穩(wěn)態(tài)傅里葉分析，適用于電機穩(wěn)態(tài)運行。在動態(tài)運行中系統(tǒng)性能下降，可能出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩脈動甚至過流。本文采用永磁同步電機定子磁鏈軌跡跟蹤策略，根據(jù)目標與實際定子磁鏈間的誤差微調(diào)開關序列，保證電機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器觀測電機實際磁鏈，采用電壓積分法得到系統(tǒng)目標磁鏈，給出了在α-β兩相靜止坐標系下進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程。
　　城軌列車牽引傳動系統(tǒng)由于LC濾波環(huán)節(jié)輸出阻抗與逆變器-電機系統(tǒng)輸入阻抗的不匹配，隨著系統(tǒng)輸出功率的增大會出現(xiàn)逆變器直流側(cè)電壓、電流振蕩的不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文推導了內(nèi)置式永磁同步電機采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制與改進型交直軸電流耦合調(diào)節(jié)弱磁控制時的逆

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