基于DTC的牽引傳動系統低速域仿真研究

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

基于DTC的牽引傳動系統低速域仿真研究

黃興傳 董文凱(江西省特種設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學模型，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，根據參考磁鏈與給定磁鏈的誤差，利用空間電壓矢量脈寬調制技術合成對應的指令電壓矢量。并在MATLAB仿真平臺上對牽引傳動系統在低速域時進行了仿真，仿真結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；低速域；仿真研究

牽引傳動系統控制技術是我國高速動車組國產化進程中的九大關鍵技術之一，而牽引異步電機是牽引傳動系統的重要組成部分，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矩脈動小、開關頻率恒定等優點。本文對牽引傳動系統的低速性能進行了探討，首先分析了脈沖整流器的工作原理及其數學模型，其次分析了間接定子量控制的基本原理和算法實現，最后，對牽引傳動系統進行了仿真研究。仿真結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學模型

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為負載。定義理想開關函數SA和SB,當SA為1時，T1或D1導通，SA為0時，T2或D2導通；當SB為1時，T3或D3導通，SB為0時，T4或D4導通。

因上橋臂和下橋臂不允許直通，所以在每相橋臂中，上橋臂的開關信號和下橋臂的開關信號必須相反。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，調節uab有效值的大小，來控制輸入電流的相位，從而實現對系統功率因數的控制。通過以上分析可得出兩電平脈沖整流器主電路數學模型如式(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：根據轉矩給定值、磁通給定值以及計算得出的當前PWM周期中磁通和轉矩值，來預測下一個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調制器得出逆變器所需的開關信號，使定子磁鏈沿圓形軌跡運動且保證轉矩為給定值[4-5]。

2.2 間接定子量控制的算法實現

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調節器得到。

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，則其為靜態相角增量Δθs、動態相角增量Δθr之和。靜態相角增量Δθs可以通過轉子角頻

率和轉差角頻率求得，而動態相角增量Δθr可通過轉差頻率的PI調節得到。

假設控制周期Ts足夠短，則可以認為k時刻結束時，所需輸出的電壓矢量為當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信號，從而實現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框圖如圖2所示：

圖2 間接定子量控制算法系統框圖

3仿真結果

為了驗證控制方案的可行性，本文針對牽引傳動系統，進行了基于Matlab的仿真研究，并給出了仿真結果。仿真系統中異步電機參數為：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，轉子電阻0.146Ω，轉子漏感1.294mH，互感32.848mH，電機極對數2個，給定磁鏈為1.7Wb。逆變器的開關頻率為800Hz。

圖3 電磁轉矩波形

圖4 定子磁鏈αβ坐標系下的運動軌跡

電機空載起動后，在恒定的額定轉矩928.05N?m作用下，在約t=0.59s電機速度達到給定轉速430r/min，此時電機輸出轉矩變為給定轉矩400N?m。

圖3為電磁轉矩波形，可以看到電機轉矩圍繞給定值400N?m波動，波動范圍為±200N.m，轉矩脈動較小。圖4為定子磁鏈αβ坐標系下的運動軌跡,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小范圍內抖動。仿真結果表明，在低速域，間接定子量控制方式具有較好的低速性能。

4 結語

本文針對牽引傳動系統，在低速域應用間接定子量控制方式控制異步牽引電機，并對牽引傳動系統進行了仿真研究。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，電機穩定運行，電磁轉矩脈動小，電流為正弦形，定子磁鏈矢量運動軌跡很好的保持著圓形，且開關頻率恒定。

[1]王堅,桂衛華,李祥飛,年曉紅,黃濟榮.基于恒定開關頻率空間矢量調制的異步電機間接轉矩控制[J].電工技術學報, 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-交傳動系統網側變流器預測電流控制方法的計算機仿真及實現[J].中國鐵道科學.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].電工技術學報,2007,22(2):22-27.