（机械工程专业论文）城市轨道交通牵引逆变器控制方法的应用分析.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 地铁主传动系统由牵引逆变器、微机控制驱动装置、牵引电动机等部件组成。实 施地铁主传动系统设备国产化，其工程意义不仅在于能有效降低主传动设备自身投资， 还有助于“确保全部轨道车辆和机电设备的平均国产化率不低于7 0 ”总体目标的实 现，加快地铁设备国产化进程，促进我国地铁健康快速发展。 本文研究了异步电动机直接转矩控制的方法原理，详细阐述了电压空间矢量、磁 链和转矩的直接控制等基本理论，介绍了整个系统的结构框架，最后给出了定子磁链 运行区间的判断方法和区段电压的选择方法与逆变器的开关表。 论文设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制系统硬件电路和控制程序。应用p i d 的控 制方法设计了控制器。通过m a t l a b s i m u l n k 对整个控制系统进行了仿真，得到系 统各项参数的仿真结果，从仿真结果来看，使定子磁链轨迹成圆形，定子电流波形成 正弦波，定子电流波形、磁链波形、变化平稳，转矩波形脉动较小。为了更好的控制 电动机，直接转矩控制系统的磁链、转矩控制器采用滞环调节控制，速度控制器采用 了p i 调节器，达到了很好的调速效果。 介绍了广州地铁l 号线牵引逆变器的工作原理、技术参数、构成和有关器件的作用。 进行的实践运用表明该逆变器稳定可靠，性能优良。直接转矩控制技术在广州地铁一 号线车辆、厂、厂、，f 逆变器国产化项目中的运行情况，表明直接转矩控制技术较好地解决 了异步电机调速问题，并且国产化v v v f 逆变器与矢量控制的原系统匹配较好，具有 良好互换性，达到了国产化目的。 关键词：地铁；传动系统；步电动机；直接转矩控制 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h ed e v i c e so ft h em a i nd r i v e rs y s t e mi ns u b w a ym a i n l yc o n s i s to ft r a c t i o ni n v e r t e r 、 d r i v e re q u i p m e n tw i t hm i c r o c o m p u t e rc o n t r o la n dt r a c t i o nm o t o r t h ep r o j e c tm e a n i n g l o c a l i z a t i o no fd e v i c ef o rm a i nd r i v e rs y s t e mi sh u g e ，n o t o n l yc a nr e d u c et h ei n v e s t m e n to f m a i nd r i v es y s t e m ，b u ti su s e f u lf o rc a r r y i n go u tt h eg o a lo fa s s u r et h el o c a l i z a t i o nr a t i oo f t o t a lr a i l w a yv e h i c l ea n dm a c h i n e e l e c t r i cd e v i c en o tb e l o w7 0 1 0 c a l i z a t i o no fd e v i c ef o r m a i nd r i v e rs y s t e mc a na l s oa c c e l e r a t et h ep r o c e s so fl o c a l i z a t i o no f d e v i c ei nm e t r o ， b o o s t t h ed e v e l o p m e n to fs u b w a yi n d u s t r yt o o i nt h i sp a p e r ，t h ea s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o do ft h ep r i n c i p l eo f e x c h a n g eo ft h ea n a l y s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nt h e d e t a i l e dv o l t a g es p a c ev e c t o r ，f l u x1i n k a g ea n dt o r q u e ，s u c ha st h ed i r e c tc o n t r o lo fd i r e c t t o r q u e c o n t r o lo f h eb a s i ct h e o r y ，i n t r o d u c t i o nt h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e m f r a m e w o r k ，a n df i n a l l yg i v et h es t a t o rf l u xr u n n i n gb e t w e e nt h ej u d g ea n ds e l e c tt h es e c t i o n v o1t a g ea n di n v e r t e rs w i t c h i n gt a b l e t h eh a r d w a r ea n dc o n t r o lp r o g r a m sa r ed e s i g n e db a s e do nt h ed s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h r o u g ht h em a t l a b s i m u l i n kc o n t r o ls y s t e mf o rt h ee n t i r es i m u l a t i o n ，t h ep a r a m e t e r s o ft h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t s ，s i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mt h ep o i n to fv i e w ，s ot h a t t h es t a t o rf l u xt r a j e c t o r yi n t oac i r c u l a r ，s t a t o rc u r r e n t ，f l u xc h a n g e si nas m o o t hw a v e f o r n l ， i no r d e rt ob e t t e rc o n t r o lm o t o r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo ff l u xa n dt o r q u eh y s t e r e s i s c o n t r o l l e rr e g u l a t i n gt h eu s eo fc o n t r o l ，s p e e dc o n t r o l l e ru s i n gt h ep ir e g u l a t o rt oa c h i e v ea g o o ds p e e dr e s u l t s w o r k i n gp r i n c i p l e ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，c o n f i g u r a t i o n sa n df u n c t i o n so fr e l a t i v e d e v i c e so ft h et r a c t i o ni n v e r t e rf o rt h ev e h i c l eo fg u a n g z h o um e t r ol i n ela r es e tf o r t h t h e o p e r a t i o n ss h o wt h a tt h ei n v e r t e ri ss t a b l e ，r e l i a b l ea n de x c e l l e n ti np e r f o r m a n c e s ：t h e b a s i cp r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fa s y n c h r o n o u s m o t o rf o ra l ls p e e dr a n g ea r ed e d u c e d as c h e l t l eo fd t co fa s y n c h r o n o u sm o t o ri sg i v e ni n g u a n g z h o um e t r ol i n elv e h i c l e sn a t i o n i n v e n t e dw v fi n v e r t e rs y s t e m g o o dr e s u l to f t h a tc o n t r o lo fa s y n c h r o n o u sm o t o ri sf o u n di nt h en a t i o n i n v e n t e dv v v fi n v e r t e r a n d p e r f e c tm a t c h i n gi sf o u n df o rl o c a t e dv v v fi n v e r t e rs y s t e ma n do r i g i n a ls y s t e m k e yw o r d s ：m e t r o ；d r i v e rs y s t e m ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酬使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 彳翁、恶 指导老师签名：玛吩谲 日期： 山f 口6 - 7 日期：a 刀矽 歹一 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 通过对我国各大城市的轨道交通牵引逆变器的调研， 确定研究方向和具体内容； 收集相关资料，研究再学习，确定了论文的研究方法，和实现的技术路线；研究直接 转矩控制系统，对地铁车辆逆变器主传动系统进行m a t l a b 仿真；对仿真结果进行分 析，得出逆变器国产化的发展方向。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 徐毒 日期 如，。6 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 城市轨道交通发展的背景和发展概况 随着国民经济的迅猛发展，城市人口的迅猛增长，公共客运交通量急剧增大。城 市公交系统已越来越不能满足城市客运量需求。随着科学技术的发展，大运量的轨道 交通在现代大城市中显示出越来越重要的作用。作为城市公共交通系统的一个重要组 成部分，在我国国家标准城市公共交通常用名词术语中，将城市轨道交通定义为“通 常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通之总称。”目前国际轨道交 通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型，号称“城市交通的主 动脉”。 随着城市的规模不断扩大，人口不断增多，要求配置便捷、可达性强的客运交通 工具，以便人们高效率出行。世界上许多城市的发展经验告诉我们，城市轨道交通能 够有效缓解城市交通拥挤的状况，提高城市公共交通的服务水平，改善城市居民的出 行结构。城市轨道交通和其他公共交通相比，具有以下特点：用地省，运能大，轨道 线路的输送能力是公路交通输送能力的近l o 倍。每一单位运输量的能源消耗量少，因 而节约能源；采用电力牵引，对环境的污染小。噪声属集中型，人均噪声小，易于治 理；乘客乘座安全、舒适、方便、快捷。地铁的优势非常明显，其速度快、运量大、 污染小而且安全性高，是缓解交通堵塞的利器【l 】。 目前，城市轨道交通系统，从空间区域上可区分为：( 1 ) 地下城市轨道交通系统， 主流是采用轮轨车辆的交通系统，其次是采用胶轮自动导向的交通系统，还有缆车交 通系统；( 2 ) 地面城市轨道交通系统，传统的是有轨电车交通系统、最新的是低地板车 辆交通系统、也有缆车交通系统；( 3 ) 高架城市轨道交通系统，有城市快速铁道交通系 统、独轨交通系统、采用胶轮自动导向的交通系统、中低速磁悬浮交通系统。其中， 地下城市轨道交通的发展最快。 1 2 国内外技术现状 1 2 1 国外情况 文献【2 j 中指出，在国外，像伦敦、纽约、柏林和东京这样的城市的地铁都很发达， 一般在6 0 0 至1 0 0 0 公里之间，每天运送旅客上百万人次。 伦敦自1 8 6 3 年创建世界上第一条地下铁道以来，历经1 4 0 多年的发展，通过不断 提高技术水平，伦敦地铁系统已成为当今世界上的先进技术范例之，尤其是地铁实 现了电气化后，伦敦的地铁几乎每年都有新进展。目前，伦敦地铁线路总长度约4 1 0 k m ( 地下隧道1 7 1 k m ) ，共设置车站2 7 5 座，地铁车辆保有量总数约4 1 3 9 辆，年客运总 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 页 量已突破8 亿人次。 美国纽约于1 8 6 7 年建成了第一条地铁。随着纽约城市规模的扩大，城市人口不断 增加，到1 9 0 0 年市区人口已有1 8 5 万人，同时地铁建设也在不问断地发展。现在纽约 己发展成为世界上地铁线路最多、里程最长的一座城市。目前，纽约地铁线路总长度 约4 2 1 k m ，其中地下隧道2 5 8 k m ，共设黄车站4 7 6 座，地铁车辆保有量总数约6 5 6 1 辆， 年客运总量己突破1 0 亿人次。 德国柏林的第一条地铁开通于1 9 0 2 年。发展至今，市区地铁已四通八达，有的线 路己采用自动化运行技术。目前，柏林已有9 条地铁线路，线路总长度约1 4 2 k i n ( 其 中地下隧道约占1 0 4 k m ) ，共设置车站1 6 6 座，车辆保有量约2 4 1 0 辆，年客运总量约 6 6 亿人次。西班牙也是欧洲较早修建地下铁道的国家之一。1 9 1 9 年，马德罩的第一 条地铁线路开始运行，现在已发展到1 0 条地铁线路，线路总长度约11 5 k m ，共设车站 1 5 8 座，车辆保有量总数约1 0 1 2 辆，年客运总量约4 亿人次。 日本东京的第一条地铁线路于1 9 2 7 年建成通车。1 9 9 6 年，东京地铁已拥有1 2 条 地铁线路，线路总长度约为2 3 7 k m ，共设置车站1 9 6 座，车辆保有量总数约2 4 5 0 辆， 年客运总量己突破2 5 亿人次，使当今世界上地铁客运量最大的城市之一。 从上述世界地铁建设发展概况可以看出，世界范围内的城市轨道交通保持着迅速 发展。其主要原因一是在战后以和平发展为主流的年代里，亚洲、拉丁美洲、东欧的 城市化进程加快，数百万人口的城市不断增加；二是发达国家中的小汽车激增于城市 街道有限通行能力之间的矛盾日益突出，空气严重污染，使这些城市都面临着如何在 较长的距离内，以最有效而快速的方式来输送大量乘客的问题。实践证明，只有通过 建造地下铁道系统，才能解决这一难题。据统计，目前世界上已有4 8 国家和地区的1 4 2 座城市都建造了地下铁道，累计地铁线路总长度为5 2 6 3 9 k m ，年客运总量约为2 3 0 亿 人次。 1 2 2 国内情况 轨道交通工程的建设不仅能直接弥补城市的交通结构缺陷，而且可以为其空间布 局、功能、需求、产业等多方面内部结构的升级提供动力，使城市面貌大为改观，缩 小与发达国家大城市的差距。 我国城市轨道交通建设自建国以来，特别是改革开放以来发展极为迅速，继北京、 上海、广州、天斟3 j 等城市相继建成地铁之后，重庆、长春、南京、武汉、深圳等城市 的轨道交通也正在大规模的建设之中。截止2 0 0 5 年2 月，中国投入运营的地铁线路罩 程超过4 0 0 公里，其中地铁线路运营里程约为2 9 3 公里。技术装备水平不断提高，装 备工业发展很快，多渠道融资的局面初步形成。几十年来国内外大城市规划和交通发 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第3 页 展的经验表明：城市轨道交通在历史名城保护、减少土地供给压力、缓解城市交通压 力、促进城市经济发展等方面具有不可替代的作用。 目前全国将近5 0 个城市都具备了地铁建设的需求和条件。从国务院已经批准和即 将批准的城市轨道交通规划来看，共涉及2 0 多个城市。2 0 2 0 年之前，轨道交通投资规 模将超过1 万亿元，其中主要是地铁投资。根据国家己审批2 5 个城市的轨道交通发 展规划，未来1 0 年国内将新建城市轨道交通2 5 0 0 公里。如果我国大城市都按与国际 接轨水平建设城市轨道交通网络，那么我国至少要建设2 0 0 0 公里以上的城市轨道交通 网络，需用车辆将达1 2 0 0 0 辆以上。由此可见，城市轨道交通在我国有着巨大的市场 潜力。 1 3 城市轨道交通交流传动系统的发展 随着电机控制理论、电力电子技术和微电子控制技术的的发展，交流传动已广泛 应用于交通运输、工业、农业及同常生活中。在牵引领域中，与直流牵引电机调速系 统相比，交流电机有电机功率密度、价格低、维修量少、防空转和防滑性能好等优点， 使得交流传动牵引系统得到长期的关注和发展，目前正在全面取代直流牵引系统，成 为牵引传动系统的主角。 1 3 1 电力电子器件的发展作为支持 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速技术 的发展。 2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用半控型的电力电子器件晶闸 管，所组成的装置其效率、可靠性、成本和体积均无法与当时同容量的直流调速装置 相比。2 0 世纪8 0 年代中期以后用，采用了第二代g t r 、g t o 、i g b t 等全控型电力电 子器件所创造的变频装置，在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大 电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，2 0 世纪9 0 年代制造变频器的 主流产品，中、小功率的变频调速装置主要是采用第三代电力电子器件i g b t ，中、大 功率的变频调速装置采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代至今，电力电子器件的发展进入 了第四代。主要使用的第四代器件为：高压i g b t 、i g c t 、i e g t 和s g c t 。 我国第一代轨道交通采用的是快速晶闸管，变流机组复杂、效率较低、可靠性和 可维修性等均不理想。上世纪8 0 年代中后期，新研发的功率g t o 器件被迅速应用于 大功率交流传动轨道车辆上，技术性能又有新的提高。进入上世纪9 0 年代，中高压i g b t 相继问世，器件品质进一步提高，变流机组又开始更新换代。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第4 页 1 3 2 交流传动自身的优势 交流传动系统成为现代轨道交通发展的方向，交流传动系统成为各国牵引传动领 域的追求目标，其优势主要有： ( 1 ) 交流传动系统输出功率大、粘着系数高、恒功区宽。现代交流传动机车最大轮 周功率可达1 6 0 0 k w 二1 8 0 0 k w ，制动功率可做到与额定牵引功率相等，恒功速度比2 5 3 ， 粘着系数达到o 3 5 0 4 5 ，因此交流传动系统不仅仅运用于城市轨道交通，还可适用于 高速客运，重载货运和山区困难区段的牵引要求。 异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转 矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同 步转速，与原工作点的转速差不会超出5 以上。串激电动机则不然，转矩变化一点， 转速就有很大的变化。 ( 2 ) 节能效果显著。交流传动系统采用四象限变流器，可以使轨道机车的功率因数 接近于1 ，接触网电流减少2 0 左右；并可反馈回电网一部分的能量，其反馈的能量 大小取决于线路再生制动情况，一般为1 0 一4 0 。交流传动系统的总效率约为0 9 0 ， 而交直流传动系统的总效率约为0 8 6 。e 1 2 0 交流传动机车在长期应用对比中发现，客 运作业时可节能3 6 ，货运作业时可节能8 1 0 。由可靠性、耐久性和易于维修 的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，b b c 交流传动机 车的利用率提高了1 0 。对铁路运营管理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着 重要作用，对所需投资有决定性的影响。 ( 3 ) 维修保养简单。交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件， 密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均 为h 级或f 级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。控制装置是模 块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完 成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。 由于交流传动异步牵引电机重量轻、无换向器并且大量的有触点电器被无触点电路所 取代，使其运营费用仅有直流机车的7 0 ，维修费用仅为直流机车的l 3 1 2 。 ( 4 ) 谐波干扰小。交流传动系统等效干扰电流值在2 a 左右，远远小于直流传动系 统，可大大减轻对通信信号的干扰。 上述优点使得很多国家已经停止生产直流传动机车，目前在欧、美、同等发达国 家与地区，批量生产交流传动产品的价格已经低于直流传动产品，正式完成了向交流 传动的里程碑式的转换。我国交流传动技术研究始于2 0 世纪7 0 年代初期，起步比较 晚，但是近来由于中国国情的需要，我国自主研制步伐不断加快，应用交流调速系统 著名的有d j 2 、“先锋”、“中华之星”、s s j 3 等型机车和动车组的相继问世，标志着我 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第5 页 曼皇曼曼曼蔓! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼i i i im。m o 舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓! 鼍曼曼曼曼量曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼! 曼皇曼皇曼 国铁路交流传动机车技术正进入实用化、产业化发展新阶段。 1 3 3 交流传动系统的控制方式 交流传动系统的各种不同的控制方法，包括标量控制、矢量控制( 磁场定向控制) 和直接转矩控制。标量控制基于稳态思想，只对变量的幅值进行控制，忽略电机的耦 合效应，其动态性能较差，但实现起来较为方便。与标量控制不同，矢量控制中变量 的幅值和相位都被控制。采用矢量控制可以使异步电动机像他励直流电动机那样实现 高性能的解耦控制，因此矢量控制也被称为解耦控制或矢量变换控制。矢量控制既可 以应用于异步电动机控制系统，也可以应用于同步电动机控制系统。 矢量控制在交流拖动中的优势是明显的，然而也存在一系列不能忽视的问题。在 矢量控制过程中，转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，以及 在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以 达到理论分析的程度。 直接转矩控制于1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提出，并获得 了令人满意的控制效果。不同于矢量控制，直接转矩控制不需要估计转子磁链，只需 要估计定子磁链，涉及到的电动机参数只有定子电阻，因而对电动机参数的依赖性大 大减弱【4 】。相比矢量控制，直接转矩控制省去了复杂的矢量旋转变换，其控制思想新颖、 控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，因而是一种具有高静、动态性能的交 流调速方法【5 1 。目前广泛应用于三相异步电动机、单相异步电动机、开关磁阻电动机和 永磁同步电动机中，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等工业生产中也发挥着巨 大的作用。 1 4 我国城市轨道交通主交流传动系统的牵引逆变器 1 4 1 我国目前普遍采用的牵引逆变器 北京的地铁列车一、二号线采用国产电动车组，牵引控制装置为凸轮调阻和斩波 调阻方式，牵引电机为直流电机。复八线( 复兴门一八王坟) 线长1 6 7 k m ，已于1 9 9 9 年 l o 月1 同通车，牵引控制装置采用g t o 元件的w v f 逆变器，牵引电机为鼠笼式交 流电机，主机由日本东洋电机公司制造。 天津的地铁列车采用国产电动车组，牵引控制装置为凸轮调阻器方式，牵引电机 为直流电机。 上海的地铁列车采用德国进口的电动车组，牵引控制装置为调压斩波器，牵引电 机为直流电机。新建的新线，也将采用v w f 逆变器的交流传动装置。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第6 页 广州地铁列车于1 9 9 7 年6 月投入运行，全部采用进口电动车组，牵引控制装置为 g t o 元件的直交v w f 逆变器，牵引电机为鼠笼式交流电机。 由上可见，我国目前城市轨道交通的牵引传动系统的普遍采用、厂、厂、，f 逆变器和鼠 笼式异步电机的交流传动系统。 目前国内所采用的牵引逆变器均为两电平电压型逆变器，然而，在很多发达国家， 如德国、日本，三电平电压型逆变器被普遍应用于地铁主传动系统中，在国内却很少 见，三电平牵引逆变器有很多的优点，与两电平逆变器相比，三电平拓扑结构的主要 优点是：器件电压等级为二电平1 2 ；开关频率是两电平的1 5 ，电压变化率比两电平 降低一半；输出电流中含有的脉动成分少，转矩脉动和电磁噪声低。因此对三电平牵 引逆变器的研究意义重大。 1 4 2 我国牵引逆变器的控制方案 城市轨道交通牵引列车中，交流传动系统常见的逆变器一电机控制方案有两种：第 一种是1 台逆变器控制4 台电机；第二种是1 台逆变器控制2 台电机。针对北京复八 线地铁列车来说，l 台电机的额定容量为1 8 0 k w ，故第一种方案逆变器容量需要 1 0 0 0 k v a 左右，第二种方案逆变器容量需要5 0 0 k v a 左右即可。建议采用第二种控制 方案，即1 台逆变器控制2 台电机的方案。理由如下：城市轨道交通车辆一般都是 四轴车，第二种方案是1 台逆变器控制一个转向架的2 台电机，与第一种方案1 台逆 变器控制两个转向架上4 台电机相比，第二种方案能更充分利用轮轨之间的粘着系数， 更有利于列车牵引力的发挥；采用第二种方案，每台逆变器需要从散热器上移走的 热量减少一半，这使得散热的处理更加容易；对于现行的三动三拖六辆编组的列车 来说，如果列车上1 台逆变器发生故障，被切除运行，那么对于第一种方案列车的牵 引动力将损失l 3 ，而对于第二种方案列车的牵引动力只损失1 6 。由此可见，采用第 二种方案列车故障时的运行能力优于第一种方案；若采用i g b t 器件的电流是 1 2 0 0 a ，第一种方案至少需要4 只i g b t 并联，第二种方案只需两只i g b t 并联。i g b t 两只并联均流比4 只并联均流更容易些。 1 5 本文的研究意义和主要研究内容 目前，我国的许多城市仍然采用单的地面交通系统。同世界大城市的地上高架 路、地铁、地面交通所组成的联合交通方式、多层次立体交通系统相比。存在着许多 不足，在单一的平面路网中，大量的自行车流与人流，对公交车的干扰极大，使机动 车的速度降低，加重了交通拥挤和乘车困难。城市交通是城市经济发展的动力，发展 又带来严重的环境污染问题，影响人民的身心健康。车辆排放出大量的一氧化碳、碳 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7 页 氢化物、氮氧化物以及各种可吸入颗粒物，严重污染城市的环境，使城市自然生态环 境日益恶化。中国的国情决定了解决城市交通问题的出路在于优先发展公共交通。城 市公共交通是大众交通，为大众服务，是以人为本的交通系统；公共交通也是绿色交 通，它以最低的能源消耗、最小的环境污染为大众服务，是可持续发展的交通系统。 发展城市公共交通的重点应放在发展快速轨道交通系统。要从根本上解决城市交通问 题，依靠地铁交通是一种选择，本文对地铁供电系统和传动系统的研究对我国国民经 济的发展和人民生活水平的提高有重要的意义。 中国地铁设备在全面建设初期主要依靠进口，价格昂贵，地方财力难以承受。尤 其是一些通过国外贷款建设地铁的城市，限于贷款条件规定，必须要用相当一部分贷 款用于购置贷款国的设备产品。 主传动系统由牵引逆变器、微机控制驱动装置、交流牵引电动机等部件组成。主 传动系统设备国产化的实施，其工程意义不仅在于能有效降低主传动设备自身投资， 还有助于“确保全部轨道车辆和机电设备的平均国产化率不低于7 0 总体目标的实 现，加快地铁设备国产化进程，促进地铁业健康发展。同时，主传动系统设备国产化 还具有发展我国民族工业的长远历史意义。 本文从以下几个方面对地铁主传动系统进行了研究： ( 1 ) 总结了地铁主传动系统的现状和发展，指出了我国目前采用的地铁牵引逆变 器和地铁主传动系统的控制方法。本文比较了直接转矩控制技术和矢量控制技术，并 分析了直接转矩控制的优势； ( 2 ) 在第2 章中，分析了三种坐标系下的异步电机数学模型和其等效原理，最后 得出结论，只要进行坐标变换，交流电机的转矩控制就可与直流电机一样简单； ( 3 ) 第3 章中，根据交流电机的参数指标设计主电路和驱动电路。基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片设计控制系统的硬件电路和控制程序。 ( 4 ) 第4 章，对地铁车辆逆变器主传动系统m a t l a b 仿真，仿真分析了异步电 机矢量控制系统的调速性能，采用了两种控制方式，并进行比较，指出了传统直接转 矩控制方法的不足，提出了将三电平逆变器与直接转矩控制方法相结合，达到减小转 矩脉动和改善输出电压电流波形效果的目的； ( 5 ) 第5 章中以广州地铁一号线传动系统为例，对原v w f 逆变器和国产化v v v f 逆变器进行比较分析。讨论国产化逆变器的发展方向。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章直接转矩控制原理及改进 2 1 城市轨道交通v v v f 逆变器 城市轨道交通牵引逆变器是将d c 7 5 0 v 或d c l 5 0 0 v 的直流电压通过牵引逆变器变 换为v v v f 的交流电。牵引驱动交流电机，将电能转化为机械能，产生牵引力；制动 时，将机械能转为电能，同时产生制动力。按电源的模式分电压型逆变器和电流型逆 变器，早期多用电流型逆变器，随着大功可关断电力电子器的出现，电压型器件的谐 波储含量小、控制方便的优点更能充分发挥，因此现在电压型逆变器在轨道交通中普 遍采用。 2 1 1 逆变电路的基本工作原理 图2 1 三相全桥二极管钳位式逆变器 三相全桥二极管钳位式三电平逆变器如图2 1 所示，每一相桥臂4 个开关元件有3 种j 下常的开关模式，以a 相为例，t 1 和t 2 导通时，a 相输出正电平，t 3 和t 4 导通 时，a 相输出负电平，t 2 和t 3 导通时，a 相输出零电平。变频器a 相4 个功率元件 的驱动信号为s 1 、s 2 、s 3 和s 4 ，应满足下列条件：s 1 和s 3 、s 2 和s 4 相反。 2 1 2v v v f 逆变器控制模式 北京地铁列车一、二号线的最高运行速度是8 0 k m b ，平均速度为3 5 - - 4 0 k m h 。其 速度控制由逆变器来实现。牵引电机的转速、直流侧电压、逆变器三相输出电压等检 测信号送入逆变器的控制电路中，由逆变器控制器按照运行指令和电机牵引特性的要 求计算出电压和频率指令，并转化为p w m 开关信号来控制逆变器的开关器件，从而 实现电机( 电动车组) 的速度控制。对于轨道交通牵引来说，逆变器一电机系统应该满足 下列要求：平稳典型起动、抑制滑行和空转、再生制动、调速范围宽【6 1 。为此，电动车 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第9 页 组从起动到停车的调速控制模式如下： ( 1 ) 恒转矩牵引控制阶段。该阶段转差频率一定、电压频率定，逆变器输出频 率按速度要求逐渐增大，对逆变器输出电压实行p w m 控制，可以保持牵引力恒定， 电机电流基本不变。该阶段对电机零速到基速之间调速适用。 ( 2 ) 恒功率牵引控制阶段。逆变器输出电压达到最大值后保持不变，使电机的转差 频率随逆变器频率增加，维持电机电流不变，从而得到恒功率控制。该阶段电机牵引 力随逆变器输出频率的上升成反比减少，相当于直流电机的弱磁控制。该阶段从电机 基速一直持续到转差频率达到所给定的最大值。 ( 3 ) 自然特性牵引控制阶段。这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变，转差频率 也保持最大值不变，逆变器输出频率随速度要求逐渐增大，电机电流与频率成反比逐 渐减少，直到最高运行速度。该阶段电机牵引力与逆变器频率的平方成反比减少，相 当于串激直流电机在最弱磁场下的自然特性。 ( 4 ) 再生制动自然特性控制阶段。这一阶段与控制模式( 3 ) 的阶段相同，只是速度 变化由高到低。电机电流随逆变器输出频率的减少成反比增大，本应持续到下一个阶 段，但由于逆变器容量的限制，决定了电机电流的上限，当电机电流达到最大值后将 实行恒流控制。这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增加，相当于直流复励电 机的电流限制区。 ( 5 ) 再生制动恒转矩控制阶段。逆变器电压仍保持最大值，控制时使转差频率的绝 对值与逆变器频率的平方成正比，逆变器频率随着电机的速度逐渐下降。该阶段电机 电流基本上与逆变器频率成反比减少，使得制动力矩保持恒定。 2 1 3 牵引传动控制策略的发展 异步牵引电动机控制方法经历了转差电流控制、磁场定向控制和直接转矩控制3 个发展过程，其间又派生了许多发展分支。早期的转差电流控制方法基于异步电动机 的稳态数学模型，其动态性能远不能与直流调速系统相媲美；7 0 年代推出了磁场定向 控制理论，它基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量解耦，实现磁链和 转矩独立调节，达到了与直流调速系统同样的动态响应性能；最新的直接转矩控制基 于定子磁场定向，数学模型简单，有更优良的动、静态性能，其优势越来越明显。 ( 1 ) 滑差频率控制方法 早期，用电流型或电压型逆变器供电异步牵引电机的交流传动系统都是采用滑差 频率控制方法来实现调速。其要点是保持压频比u f 恒定，控制滑差就可以调节转矩。 由调速理论知道，u f 恒定，即保持气隙磁通近似不变，当滑差不变时，便可实现恒转 矩起动与调速，为充分发挥电机功率，达额定转速后再维持额定电压不变，速度继续 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 0 页 上升，就进入弱磁恒功区。滑差频率控制是属标量或稳态量控制，因而调节时都有一 个进入稳态的过渡过程，因此动态性能不够好。 ( 2 ) 转差电流控制 转差电流控制思想是在稳态条件下，建立定子电流幅值、转差频率与电动机转速、 转矩的控制函数由此推算各种运行条件下的转差频率，并与电动机转速相加，可得到 定子频率。根据电压与频率的线性关系得到电动机端电压( 即逆变器输出电压) 的基波幅 值同时由转速、转矩计算出的定子电流给定值与实际反馈值形成闭环控制，补偿电动 机端电压基波幅值。 转差电流控制实现了电动机调速控制过程中对电压、频率的平稳调节。控制原理 简单，易于实现。但该方法不能对动态过程解耦，动态响应不理想。这种控制方法只 在早期的交流传动机车上得到应用，我国第l 台交流传动电力机车a c 4 0 0 0 原型车也采 用了这种控制方法。 ( 3 ) 磁场定向控制 磁场定向控制是模拟直流电动机的控制原理，通过磁场定向方式，借助矢量变换， 将交流电动机三相动态方程变换为旋转坐标系下的两相正交模型，从而控制变量分解 成磁链分量和转矩分量。在控制系统中，通过前馈解耦，实现磁链、转矩分量的独立 控制。 2 2 异步电动机的数学模型 2 2 1 异步电机调速性能的特点 三相笼型异步电动机，由于坚固耐用、便于维护，价格便宜，在工业上得到广泛 应用，但长期以来在调速性能上却远不如直流电动机。 分析三相异步电动机的情况： ( 1 ) 定子磁场是一个随时间和空间变化的旋转磁场： ( 2 ) 转子磁势与旋转磁场之间不垂直； ( 3 ) 异步电动机转子是短路的，只能在定子侧调节电流，定子电流由两部分组成一 励磁电流和转矩电流，因而无法分开调节两个分量。 研究异步电动机的数学模型可知，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 如果采用一些常见的调速方法并不能实现直流调速的调速效果并恶化了电机效率和功 率因数【7 】。使用开环恒压频比的变频调速系统虽能取得较宽的调速范围，其动静态性能 又不够理想，因为这是一种对交流电机的定子电压幅值和频率或电流幅值和频率的控 制，还不能控制相位。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 2 2 异步电动机的数学模型 认真研究异步电动机的动态数学模型，是实现高性能的异步电动机直接转矩控制 系统的保证。异步电动机的动态数学模型和直流电动机的动态数学模型相比有着本质 上的区别。 在研究异步电动机的动态数学模型时，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波； ( 2 ) 忽略磁路饱和； ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 忽略频率变化和温度变化对绕组电阻的影响； 无论异步电动机的转子是绕线型还是鼠笼型，都将它等效成三相绕线型，并折算 到定子侧，折算后的定、转子绕组匝数相等。这样，电机绕组就等效成图2 2 所示的 三相异步电动机的物理模型【8 1 。图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的， a 轴与参考坐标轴的x 轴重合；转子三相绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和 定子a 轴间的电角度臼为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符 合电动机惯例和右手螺旋定则。 j y 口 l 户 口 6 越x 护一 丫 cc 图2 2 三相异步电动机的物理模型 直流电动机的数学模型比较简单，其主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流 决定，这是直流电动机的动态数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。为了能将 异步电动机的动态数学模型等效变换成类似直流电动机的形式，需要引入坐标变换。 坐标变换包括三相一两相变换和两相一两相旋转变换。不同电动机模型彼此等效的原 则是：在不同坐标系下所产生的磁动势完全相同。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第12 页 皇曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼! ! 曼曼! 量鼍曼皇曼! 曼曼皇! 曼曼曼皇皇曼皇曼皇鼍寡孽曼曼皇曼曼鼍曼皇舅皇皇m m ! m m 曼曼曼鼍曼曼皇皇 c - ， ， 夕 o 爻 | 芦 f 移 秋 弋 一 ( a ) 三相交流绕组( b ) 两相交流绕组( c ) 旋转的直流绕组 图2 - 3 等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型 以产生相同的旋转磁动势为原则，图2 3 中的三种物理模型彼此等效。通过坐标 变换，可以得到异步电动机在两相任意速旋转坐标系、两相静止坐标系、两相同步坐 标系三种不同坐标系下的数学模型【9 1 。 2 2 3 异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型 设两相坐标d 轴与三相坐标彳轴的夹角为只，而p 以= 为两相任意速旋转坐标 系( 由坐标系) 相对于定子的角转速，数学模型由以下方程表述： ( 1 ) 磁链方程 y 叫 y 叼 vr d y 啊 ，0上。0 0 。0。 上。0l ，0 0 l 。0三， 式中 y 耐、y 川、y 一、y w 一由坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量； 屯、k 、0 、i 唧一由坐标系下定子电流与转子电流的两个分量； 三。一定子与转子同轴等效绕组间的互感； 三，一定子等效两相绕组的自感； 三，一转子等效两相绕组的自感； ( 2 - 1 ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第13 页 ( 2 ) 电压方程 “耐 “田 1 3 r d “川 r + l ，p 郎l s 三。p 国姆l m 一向s l s r s + ls p 一d q l r l m 。p l 研p 姆l m r ，+ l ，p 如r l r 一蛔s l m l ，。p 一曲r l r 尺，+ ，p 式中 “耐、“卵、“耐、“唧一由坐标系下定子电压与转子电压的两个分量； r ，、尺，一定子电阻与转子电阻； 、一由坐标系分别相对于定子、转子的角转速； 屯、0 、如、三m 、三，、三，一同上； ( 3 ) 转矩方程 疋= n p l 。( f w f 耐一i , d i w ) 式中 乏一电动机转矩；n p 一电动机极对数； 。、i 耐、i s 口、i 耐、f w 一同上； ( 4 ) 运动方程 t 瑚丢等 式中 瓦一负载转矩；国一电动机转速；，一电动机转动惯量； 疋、，z p 一同上； 以上构成异步电动机在两相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型。 动机在三相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型简单，阶次有所降低， 性、多变量、强耦合的性质没有改变。 2 2 4 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 它比异步电 但是其非线 异步电动机在两相静止坐标系( 筇坐标系) 下的数学模型是在任意速旋转