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基于比例谐振调节器的地铁车辆牵引电机谐波抑

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-10-08 16:07【
目前的城市轨道交通车辆主流牵引系统控制中,采 用 VVVF(VariableVoltageandVariableFrequency) 牵引逆变器给三相异步牵引电机供电,实现变频调速功 能。在空间矢量 PWM(PulseWidth Modulation)调制 策略控制下,大量的电压谐波施加在牵引异步电机绕组 上,产生了谐波电流及谐波磁通,谐波电流作用在电机绕组上产生脉动谐波转矩,并随之产生额外的噪声及 附加损耗,严重时会使异步牵引电机产生振动,导 致 电机内部温度升高,降低了电机的使用效率,最 终 影 响 了列车的动力学性能(平稳性和舒适度)。随着 城 市 轨 道交通的发展,乘客对地铁车辆运行的平稳性和舒适度 要求越来越高,通过改善 VVVF 逆变器控制牵引电 机 的电能质量,减小牵引电机中的谐波转矩,进 一 步 提 高 列车的动力学性能,将越来越有必要。 目前针对异步电机的谐波抑制,国内外学者进行了 大量的研究,提出了很多优化控制策略和谐波抑制 的实现 方 法。文 献通 过 建 立 采 用 PWM 调 制 的 VVVF逆变器模 型,得 出 了 稳 定 运 行 下 的 谐 波 分 布 特 点;文献对列车牵引电机的谐波转矩进行了计算分 析,指出在非正弦电源供电的情况下,牵 引 电 机 中 主 要 含有5、7、11、13次谐波转矩;文献中采用特定次谐 波消除 PWM 调制方 式,起 到 了 良 好 的 谐 波 消 除 效 果, 但其仅可消除指定次的谐波含量;文献[7]将特定次谐 波消除 PWM 调制应用于列车牵引逆变器中;] 分析了牵引电机的转矩脉动,并指出了特定次谐波消除 方式最大的应用障碍是开关角方程组的求解,对控制逻 辑要求较高,实现难度较大。为消除更多次数的谐波, 一种高效率的双谐振积 分 器(二 阶 广 义 积 分 器,Second OrderGeneralizedIntegrator,SOGI)被提 出[9],并成 为 了研究热 点。由 此 演 变 而 来 的 比 例 谐 振(Proportional Resonant,PR)调节器,目前广泛应用在风力发电、光伏 及智能电网 中。文献将 PR 调节 器 应 用 到了风力发电机机侧谐波抑制中,起到了较好的谐波抑 制效果;将SOGI应用在电网电压电流正负序 分量检 测 中,具 有 精 确、快 速 的 跟 踪 相 应 效 果。文 献 针对 PR调节器进行分析,并给出了其应用在电流 控制环节中的设计方法。

首先对牵引电机产生谐波的原理进行介绍,分析影 响牵引系统特性的主要谐波及转矩,而后介绍 PR 调节 器的原理及结构,并将其应用在目前的牵引系统控制策 略中,对主要谐波进行跟踪抑制,最后进行了试验验证。

1 异步牵引电机产生谐波的原理

1.1 空间谐波与时间谐波
可以将在异步牵引电机中存在的谐波分为空间谐 波和时间谐波。由于受异步牵引电机中绕组分布及 气隙不均等因素影响,在运行过程中,基 波 电 流 会 在 不 均匀的气隙中产生谐波,这种由于电机自身构造原因引 起的谐波称为空间谐波。而由于给牵引 电 机 供 电 的 逆 变器输出的电压和电流中含有一定成分的谐波,这部分 谐波电流会在电机中产生气隙磁势谐波,这种由于外部 原因引起的谐波称为时间谐波。一般情况下,异步电机 采用分布和短距绕组,其自身对基波电流产生谐波的影 响较小,因此在后续的分析中只考虑时间谐波造成的转矩。

1.2 谐波电磁转矩
通过建立三相异步牵引电机谐波等效电路来分析 谐波电磁转 矩 的 产 生因为谐波电流本身有效值较小,其产生的稳定谐波 转矩数值也很小,同时正向与负向的转矩相互抵消,所 以稳定谐波转矩对电机转矩造成的影响可忽略,以下的 分析主要考虑脉动谐波转矩的影响。

2 谐振调节器消除谐波原理

2.1 谐振调节器介绍
PR 调节器可由 SOGI演变而来,根据内模原理可 知,在控制系统的反馈回路中引入交流量相同的动力学 模型,则该系统可对输入的交流量进行无静差跟踪控 制。

2.2 异步牵引电机谐波抑制控制策略
将在传统的异步电机矢量控制策略中引入非理想 谐振调节器,对逆变器谐波电流进行控制。在异步电机 转子同步旋转坐标系(dq坐标系)下,对异步电机定 子 电流中含有的6次及12次谐波分量进行抑制。由上述 分析可知,5、7次谐波在dq坐标系中为6次正序、负序 分量,11、13次谐 波 在dq坐标 系 中 为12次正 序、负 序 分量。在控制回路中,将传统的比例积分(Proportional integral,PI)调节器与抑 制6次、12次正 负 序 分 量 的 谐 振调节器并联,可得到 PI+PR调节器的表达

3 实验研究

为验证 PR 调节器在异步牵引电机谐波抑制控制 策略的可行性,搭 建 了25kW 小功 率 的 列 车 牵 引 系 统 试验平台,试验平台主要由 TMS320F28335为 CPU 的 牵引逆变器、异步牵引电机及相关变压器、断路器、线缆 组成。当仅采用传统的 PI调节器控制策略时,从图4、图 5可以得知,定 子 电 流 畸 变 率 较 大,电流中含有大量的 低次谐波,THD值为7.24%。其中5次谐波含量为4. 26%,7 次 谐 波 含 量 为 3.92%,11 次 谐 波 含 量 为 1. 48%,13次谐波含量为1.28%。采用 PI和 PR 调节器 共同对异步电机 定 子 电 流 进 行 控 制 后,由 图6、图7可 见,定子电流正弦度得到了较大的改善,电 流 谐 波 含 量 较小,THD值减小至3.81%。其中,5、7次谐波含量得 到较大改善,分别减小至0.51%和0.50%;11、13次谐 波电流也减小至0.74%和0.58%。当仅采用传统的 PI调节器控制策略时,从图4、图 5可以得知,定 子 电 流 畸 变 率 较 大,电流中含有大量的 低次谐波,THD值为7.24%。其中5次谐波含量为4. 26%,7 次 谐 波 含 量 为 3.92%,11 次 谐 波 含 量 为 1. 48%,13次谐波含量为1.28%。采用 PI和 PR 调节器 共同对异步电机 定 子 电 流 进 行 控 制 后,由 图6、图7可 见,定子电流正弦度得到了较大的改善,电 流 谐 波 含 量 较小,THD值减小至3.81%。其中,5、7次谐波含量得 到较大改善,分别减小至0.51%和0.50%;11、13次谐 波电流也减小至0.74%和0.58%。

4 结 论

对牵引电机产生谐波的原理进行介绍,分析影响牵 引系统特性的主要谐波及转矩特性,而后改进目前的牵 引系统控制策 略,引 入 比 例 谐 振 调 节 器(PR)对主 要 谐 波进行跟踪抑制,得出以下结论: 针对 VVVF逆变器控制列车牵引电机的电流谐波 含量较高问题,在 传 统 的 控 制 策 略 中 引 入 PR 控制 器, 研究了基于 PR 调节器的牵引异步电机谐波抑制控制 策略,通过在实验平台上进行测试,模拟列车运行速度, 采用 VVVF逆变器控制异步电机转速及定子电流幅 值,该控制策略对异步牵引电机的定子电流谐波具有良 好的抑制效果,可减小电机的谐波转矩脉动、噪 声 以 及 附加损耗。