轨道交通无变压器牵引传动系统中双定子感应电机控制策略研究

摘要

多相电机牵引系统的转矩脉动频率高、脉动幅值小，可靠性高、容错能力强，并且可以利用现有低压功率开关器件实现大功率等级，特别适合于舰船电力推进系统、轨道交通牵引系统等低电压、大功率、高可靠性的领域。本文针对轨道交通无变压器牵引传动系统中双定子感应电机在控制和调制方面的关键问题进行了研究，主要包括以下内容:
　　利用矢量空间解耦变换理论，建立了双定子感应电机的解耦数学模型，并在此基础上，详细研究了双定子感应电机的电流控制策略，包括基波平面电流控制策略和谐波平面电流抑制策略。在基波平面，采用复矢量分析法建立电机的复矢量数学模型，利用零极点对消原理设计了复矢量电流调节器，能够实现电机的解耦控制;在谐波平面，推导了由逆变器或者电机的不对称性引起的谐波电流的物理意义，并对五种不对称电流抑制方法进行了对比分析。
　　针对两电平六相逆变器供电的双定子感应电机，提出了一种改进型24扇区SVPWM调制方法，该方法具有良好的电压输出性能，可以有效减少谐波平面的谐波电压分量。为了简化SVPWM方法的计算过程和实现过程，通过对改进型24扇区SVPWM方法与载波PWM方法的一致性关系进行推导和证明，提出了改进型24扇区SVPWM方法的等效载波PWM实现方法，可以大大简化算法的复杂程度，节省计算资源，更易于DSP等计算芯片的数字化实现。
　　为了满足低开关频率条件下双定子感应电机的调制要求，提出了两种同步调制策略:基于传统24扇区SVPWM方法的同步调制策略和基于改进24扇区SVPWM方法的同步调制策略，并对所有方法的输出电压性能进行了比较研究。除此之外，根据逆变器最高开关频率的限制，提出了双定子感应电机在全速度范围内的多模式SVPWM调制策略和不同调制模式之间的切换策略。
　　结合多模式SVPWM调制策略的特点，提出了双定子感应电机在全速度范围内的矢量控制策略，可以满足大功率牵引电机在低开关频率限制条件下的高性能控制要求。此外，为了解决由于各种原因引起的转子磁场定向不准确问题，分别采用了适用于非方波工况的基于q轴观测磁链的磁场定向校正策略和适用于方波工况的基于q轴电流偏差的磁场定向校正策略。
　　最后，设计并搭建了轨道交通无变压器牵引传动系统的四级实验平台。针对级联型H桥整流器有源前端的控制策略和各级直流母线电压的平衡控制策略进行了研究;通过分析级联型H桥整流器的稳定工作域，提出了两台双定子感应电机的协调控制策略，并利用实验平台进行了相关的实验验证。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 论文研究的背景和意义

1．1．1 多相电机牵引系统的特点

1．1．2 论文研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 多相电机控制技术的研究概述

1．2．2 轨道交通牵引系统的研究概述

1．3 目前存在的主要问题

1．4 论文的主要研究内容

2 双定子感应电机的数学模型和矢量控制策略

2．1 自然坐标系下的双定子感应电机数学模型

2．2 矢量空间解耦变换和解耦数学模型

2．2．1 双定子感应电机的矢量空间解耦变换

2．2．2 谐波坐标系下的双定子感应电机数学模型

2．3 双定子感应电机的矢量控制策略

2．3．1 矢量控制的基本原理

2．3．2 基于双d-q模型的矢量控制策略

2．3．3 基于矢量空间解耦模型的矢量控制策略

2．4 双定子感应电机电流控制策略

2．4．1 基波平面电流控制策略

2．4．2 谐波平面电流抑制策略

2．4．3 死区补偿策略

2．5 仿真和实验结果

2．6 本章小结

3 双定子感应电机的PWM调制策略

3．1 双零序注入载波PWM调制

3．2 空间矢量脉宽调制

3．2．1 六相SVPWM基本原理

3．2．2 传统12扇区SVPWM调制

3．2．3 传统24扇区SVPWM调制

3．2．4 改进24扇区SVPWM调制

3．3 改进型24扇区SVPWM方法的等效载波PWM实现

3．3．1 SVPWM24-C方法与载波PWM方法的一致性

3．3．2 SVPWM24-C方法的等效载波PWM方法实现

3．4 性能比较

3．4．1 每个基波周期的谐波磁链有效值计算

3．4．2 谐波磁链性能比较

3．5 仿真和实验结果

3．6 本章小结

4 低开关频率下双定子感应电机的SVPWM同步调制策略

4．1 SVPWM同步调制的基本原则

4．2 基于传统24扇区SVPWM方法的同步调制策略

4．2．1 传统空间矢量策略

4．2．2 基本母线钳位策略

4．2．3 基本母线钳位策略Ⅱ

4．2．4 性能比较

4．3 基于改进24扇区SVPWM的同步调制策略

4．3．1 传统空间矢量策略

4．3．2 基本母线钳位策略

4．3．3 性能比较

4．4 多模式SVPWM调制策略及切换策略

4．4．1 多模式SVPWM调制策略

4．4．2 多模式调制的切换策略

4．4．3 仿真和实验结果

4．5 本章小结

5 轨道交通无变压器牵引传动系统

5．1 轨道交通无变压器牵引传动模拟实验系统

5．1．1 牵引传动系统实验平台介绍

5．1．2 功率电路和控制电路设计

5．2 级联型H桥整流器的控制策略

5．2．1 基于PR调节器的双闭环控制策略

5．2．2 直流母线电压平衡控制策略

5．3 低开关频率下双定子感应电机的矢量控制策略

5．3．1 非方波工况下的双定子感应电机矢量控制策略

5．3．2 方波工况下的双定子感应电机矢量控制策略

5．4 系统协调控制策略

5．4．1 级联型H桥整流器的稳定工作域

5．4．2 级联型H桥整流器的最大容许负载不平衡度

5．4．3 两台电机的协调控制策略

5．5 仿真和实验结果

5．6 本章小结

6．1 本文取得的成果

6．2 需要进一步解决的问题

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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