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首页B2型地铁列车牵引电机的SVM-DTC控制策略研究
"这篇论文主要研究了B2型地铁列车牵引电机的直接转矩控制方法,通过对传统直接转矩控制(DTC)的改进,提出了一种结合空间矢量脉宽调制(SVM)的控制策略(SVM-DTC),旨在提高电机的调速性能和系统稳定性。" 在详细讨论中,论文首先概述了异步电机调速的历史和各种调速方法,为后续的研究奠定了理论基础。接着,论文深入探讨了直接转矩控制系统的两大类型:六边形磁链轨迹的DSC系统和圆形磁链轨迹的DTC系统。这两种系统的结构和工作原理被详尽地阐述,包括磁链与转矩计算、磁链自控制以及开关选择表等功能模块。 随后,论文指出了DTC技术存在的问题,如因电机温度升高导致的定子电阻变化和Bang-Bang调节器的局限性。为解决这些问题,作者提出了SVM-DTC控制策略,采用PI控制器替换Bang-Bang调节器,通过合成相邻电压矢量来实现更平滑的转矩控制。Matlab/Simulink仿真实验表明,SVM-DTC能显著降低电磁转矩脉动,提升系统响应速度和动态性能。 论文的最后部分,作者在TIA Portal V16软件中编程实现了SVM-DTC系统的SVPWM模块,并使用西门子1212C PLC、数字示波器和波形发生器等硬件设备进行了实物模拟实验,验证了改进方案的实际应用价值,证明了PLC能够有效地调节电机转速。 关键词:“三相异步电动机”、“直接转矩控制”、“空间矢量脉宽调制”、“Matlab/Simulink”、“PLC模拟实验”反映了这篇毕业论文的核心研究内容和技术工具。
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兰州交通大学硕士学位论文
- 9 -
第二章介绍了两种坐标变换的作用及变换公式,根据变换公式建立了不同坐标系下
的电机数学模型,并对逆变器的原理及与空间电压矢量的关系、直接转矩控制的基本思
想进行阐述,后续的研究奠定了理论基础。
第三章分别介绍了六边形磁链轨迹直接转矩控制方案(DSC 系统)和圆形磁链轨迹
直接转矩控制方案(DTC 系统)的基本原理和结构组成,并对磁链和转矩计算模块、磁
链自控制模块和开关选择表模块进行了详细阐述。在此基础上,运用 Matlab/Simulink
软件对 DSC 系统和 DTC 系统进行仿真研究,并将两种控制系统在不同速度下的电磁转
矩、定子电流、转速等进行对比分析。
第四章面对 DTC 系统的 Bang-Bang 调节器在调节上存在的不足之处,采用空间矢
量脉宽调制技术与直接转矩控制相结合的方式(SVM-DTC)来实现电机调速。首先对
脉宽调制技术(SVPWM 调制)的原理进行介绍,并对其主要模块进行了详述,在此基
础上对 SVPWM 模块以及整个控制系统进行仿真建模。最后将 DTC 系统与 SVM-DTC
系统的仿真结果进行对比,从磁链轨迹,转矩脉动,定子电流等几个方面分析 SVM-DTC
系统在性能上的优越之处。
第五章主要对 DTC 系统中 SVPWM 模块,以 S7-1200PLC 为核心,结合 STEP7 软
件上、示波器、变频器等设备来进行模拟实验,结合仿真结果和实验结果进行结论分析。
最后,对本文的研究内容和得出的结论进行总结,指出课题研究内容目前存在的不
足之处,进行下一步工作展望。
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B2 型地铁列车直接转矩控制方法研究
- 10 -
2 异步电机直接转矩控制原理
本章首先介绍了 Clark 变换和 Park 变换的作用、原理及变换公式,在此基础上建立
了不同坐标系下的异步电机数学模型,最后对逆变器的结构和工作原理、直接转矩控制
的基本思想进行阐述,为后文研究提供了理论基础。
2.1 坐标变换
异步电动机含有一个电感矩阵和转矩矩阵,所以它的数学模型很复杂,而引入坐标
变换,可以简化模型并降低运算量。坐标变换的数学表达式常用式(2.1)表示,其中
A
为变换矩阵。
Y X
A
(2.1)
坐标变换是一种线性变换,若没有条件进行限制的话,变换结果就会有很多种。在
电机的系统分析中,一般采用的约束条件有两种,即功率不变约束和合成磁动势不变约
束。一般当
A
为电流变换矩阵时,采用合成磁动势不变约束;当
A
为电压变换矩阵或阻
抗变换矩阵时,采用功率不变约束。
2.1.1 Clark 变换
因为异步电机是一个复杂的多耦合系统,其三相原始动态模型相当复杂,所以对其
系统方程求解或分解十分困难,将三相坐标系的坐标值转换到两相坐标系中,可以简化
程序,减少运算量,这就是 Clark 变换(3/2 变换)的作用
[59]
。如图 2.1 所示,将
A B C−−
三相静止坐标系中的
A
轴和
−
两相静止坐标系中的
轴相互重合,利用三相绕组与
两相绕组的瞬时磁动势沿
、
轴投影相等,可以得到 Clark 变换矩阵如下所示。
两相沿
轴的磁动势为:
2
N
i
三相沿
轴的磁动势为:
3 A 3 B 3 C
N N cos N cos
3 3
−−i i i
2 3 A 3 B 3 C
3 A B C
3
A B C
2
π
N N N cos N cos
3 3
1 1
N - -
2 2
N
1 1
= -
N 2 2
− −
−
则
i i i i
i i i
i i i i
(2.2)
2
N
、
3
N
为两相、三相绕组的每相有效匝数
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兰州交通大学硕士学位论文
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0
B
3 B
N i
3 C
N i
A
C
2
N
i
2
N
i
3 A
N i
图 2.1 Clark 变换空间位置图
同理得
( )
3
B C
2
N
3
= -
N 2
i i i
,将上式中
i
、
i
写成矩阵形式,可得:
A
3
B
2
C
1 1
1
N
2 2
=
N
3 3
0
2 2
−−
−
i
i
i
i
i
(2.3)
考虑变换前后总功率不变,则变换矩阵应为正交矩阵,可得匝数比
3
2
N
2
=
N 3
A
B
C
1 1
1
2
2 2
=
3
3 3
0
2 2
i
i
i
i
i
−−
−
(2.4)
则 Clark 变换的变换矩阵
3/ 2
C
为:
3 2
1 1
1
2
2 2
=
3
3 3
0
2 2
C
−−
−
(2.5)
同理从
−
坐标系到
A B C−−
坐标系的变换矩阵
2/3
C
为:
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B2 型地铁列车直接转矩控制方法研究
- 12 -
2 3
1 0
2 1 3
=
3 2 2
1 3
2 2
C
−
−−
(2.6)
2.2.1 Park 变换
因为电机的电压方程是一组变系数的微分方程,将其等效到直轴和交轴上去,可以
在转子回路建立微分方程的同时,将变系数矩阵转化为常数矩阵,这样一来可以简化电
机电磁关系的微分方程
[60]
,这便是 Park 变换(
2s / 2r
变换)。如下所示,将
−
坐标
系的电流等效到
d q−
坐标系中,利用变换前后气隙磁动势保持不变原则来得到变换矩
阵。
0
2 q
N i
2
N
i
2
N
i
2 d
N i
d
q
F
1
图 2.2 Park 变换空间位置图
由上图 2.2 通过几何变换可以得出:
d
q
cos sin
sin cos
−
i i i
i i i
(2.7)
转换成矩阵形式为:
d
q
cos sin
sin cos
−
i
i
i
i
(2.8)
故 Park 变换的变换矩阵
2s/ 2r
C
为:
2s/2r
cos sin
sin cos
−
C
(2.9)
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兰州交通大学硕士学位论文
- 13 -
将 Park 变换矩阵求逆,得反变换矩阵为:
2r/2s
cos sin
sin cos
−
C
(2.10)
2.2 异步电机模型
2.2.1 异步电机三相静止坐标系下的数学模型
数学模型一般是具体事物的一种数学简化,即为了使描述更具科学性、逻辑性、客
观性和可重复性,按照某种事物的特征或数量关系来建立的模型,包含各种公式、概念
和理论
[61]
。异步电机在调速时需要电压、电流和频率的协调控制,而输出变量有转速、
磁通等独立变量,这些变量之间又相互影响,是一个强耦合的多变量系统。再加上磁饱
和因素、电磁惯性和机械惯性对异步电机系统的影响,造成其模型具有多阶非线性的特
点
[62]
,在建立异步电机数学模型时,需做以下假设:
(1) 绕组相互间以 120°均匀分布,忽略谐波影响;
(2) 不考虑频率和温度的影响;
(3) 不计铁芯损耗;
(4) 自感互感恒定,不考虑磁路饱和。
a
i
c
i
b
i
A
i
B
i
C
i
A
B
C
a
b
c
r
A
+ -u
C
−u
B
−u
图 2.3 三相异步电机数学模型
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