低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术.pdf
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1、 第4 1卷 第8期2 0 2 3年8月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1 N o.8A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 1 0 1 4作者简介:刘 尧(1 9 8 7-),男,北京人,硕士,中级工程师,研究方向为地铁车辆车门、牵引、制动及网络维护和更新改造。低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术刘 尧(北京市地铁运营有限公司运营一分公司,北京 1 0 2 2 0 0)摘 要:降低开关频率造成地铁牵引电机定子磁链谐波较大,无法保证其安全稳定运行。为此,在低开关频率约束下,提出基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制技术。计
2、算旋转磁场和转子的转速差,利用定子电阻、电角速率等参数创建牵引电机等效电路,明确牵引电机运行情况;将定子静止坐标系中的电流与磁链视作变量创建滑模观测器,获得定子磁链当前观测值;运用间接定子量控制法增强牵引电机低速控制能力,推导定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量;面对中高速运行电机速率,采用连续多磁链控制策略,将磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,完成平滑的定子磁链闭环控制。实验结果表明,所提方法很好地控制了转矩波动与电流冲击,提高了牵引电机系统的整体控制能力,在长时间工作下依旧能保证地铁可靠运行。关键词:牵引电机;定子磁链控制;低开关频率;数据观测;等效电路中图分类号:TM 3 4 3 文
3、献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 8 0 0 7 1 0 5S t a t o r F l u x C o n t r o l T e c h n o l o g y o f M e t r o T r a c t i o n M o t o r a t L o w S w i t c h i n g F r e q u e n c yL I U Y a o(T h e F i r s t O p e r a t i o n C o m p a n y B r a n c h o f B e i j i n g S u b w a y O p e r
4、a t i o n C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 2 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e r e d u c t i o n o f s w i t c h i n g f r e q u e n c y c a u s e s l a r g e h a r m o n i c o f s t a t o r f l u x l i n k a g e o f m e t r o t r a c t i o n m o t o r,w h i c h c a n n o t e n s u r e i t s s a f
5、e a n d s t a b l e o p e r a t i o n.T h e r e f o r e,u n d e r t h e c o n s t r a i n t o f l o w s w i t c h i n g f r e q u e n c y,t h e s t a t o r f l u x c o n t r o l t e c h n o l o g y o f t r a c t i o n m o t o r b a s e d o n c o n t i n u o u s o p e r a t i o n i s p r o p o s e d.
6、T h e r o t a t i n g m a g n e t i c f i e l d a n d t h e s p e e d d i f f e r e n c e o f t h e r o t o r a r e c a l c u l a t e d,t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f t h e t r a c t i o n m o t o r i s c r e a t e d b y u s i n g t h e s t a t o r r e s i s t a n c e,e l e c t r i c a
7、l a n g u l a r r a t e a n d o t h e r p a-r a m e t e r s,a n d t h e o p e r a t i o n o f t h e t r a c t i o n m o t o r i s d e t e r m i n e d;t h e c u r r e n t a n d f l u x i n t h e s t a t o r s t a t i o n a r y c o o r d i n a t e s y s t e m a r e r e g a r d e d a s v a r i a b l e
8、s t o c r e a t e a s l i d i n g m o d e o b s e r v e r,a n d t h e c u r r e n t o b s e r v a t i o n v a l u e o f t h e s t a t o r f l u x i s o b t a i n e d;t h e i n d i r e c t s t a t o r c o n t r o l m e t h o d i s u s e d t o e n h a n c e t h e l o w s p e e d c o n-t r o l c a p a
9、b i l i t y o f t r a c t i o n m o t o r,a n d t h e s p a c e v e c t o r o f s t a t o r f l u x a n d e l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e i n s t a t i c c o-o r d i n a t e s y s t e m i s d e r i v e d;i n t h e f a c e o f m e d i u m a n d h i g h s p e e d r u n n i n g m o t o r s p
10、e e d,t h e c o n t i n u o u s m u l t i f l u x c o n t r o l s t r a t e g y i s a d o p t e d t o s m o o t h t h e f l u x t r a c k f r o m c i r c l e t o p o l y g o n a n d c o m p l e t e t h e s m o o t h s t a t o r f l u x c l o s e d l o o p c o n t r o l.T h e e x p e r i m e n t a l
11、r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d c a n e f f e c t i v e l y c o n t r o l t h e t o r q u e f l u c t u a t i o n a n d c u r r e n t i m p a c t,i m p r o v e t h e o v e r a l l c o n t r o l c a p a b i l i t y o f t h e t r a c t i o n m o-t o r s y s t e m,a n d
12、e n s u r e t h e r e l i a b l e o p e r a t i o n o f t h e s u b w a y u n d e r l o n g w o r k i n g h o u r s.K e y w o r d s:t r a c t i o n m o t o r;s t a t o r f l u x c o n t r o l;l o w s w i t c h i n g f r e q u e n c y;d a t a o b s e r v a t i o n;e q u i v a l e n t c i r c u i t172
13、 0 2 3(8)0 引言列车牵引电机控制1系统是保证轨道交通建设的核心技术之一。地铁编组的增多、轴重的持续加大和运行速率的提升,对地铁牵引功能有了更高标准。牵引系统为增强输出效率,一般要减少器件的开关频率2,地铁牵引系统内开关器件的开关频率较小,通常低于4 0 0 H z,无法在全速范围完成圆形定子磁链轨迹控制3,导致牵引电机运行时稳定性不高。定子磁链控制是凭借牵引电机系统回馈的定子电压电流与转子速率,推算磁链大小与方位,再和磁链给定值实施对比,挑选恰当的电压向量,完成磁链可靠运行,减少规定误差引发的转矩变化。为增强定子磁链控制技术的可靠性,文献4提出改进型自抗扰控制器下定子磁场控制策略创建
14、磁链、电流形态空间并组建线性观测器,检测磁链与电流的相关范围,实现定子磁链定向控制,但该方法极易引发电流振荡,造成电机过流保护,影响其使用寿命;文献5 把磁链控制变换成对定子磁链向量控制,探究不同扇区基本电压向量对系统运行的影响,构建占空比优化原则输出定子磁链控制结果,但在计算时该方法无法在限制条件下得到电机的最高转矩输出值,定子磁链控制精准度有待提升;文献6 提出了一种测量同步磁阻电机磁链和电感直流静止的方法,通过调整控制器参数修改机器的时间响应,从而提高瞬态期间可用测量样本的数量,同时,在自动调谐测量过程,对电流控制器进行了优化,从而实现了磁链测量,但该方法主要优化的是磁链测量过程,对其控
15、制效果还需进一步研究。本文在考虑低开关频率影响的前提下,提出一种基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制方法。1 牵引电机模型构建地铁牵引电机由定子、转子和轴承等部件组成,安装于车体下面,利用弹性悬挂于车体上,齿轮传动设备和轮对相连,如图1所示。牵引电机转动是在法拉第电磁感应定律与电磁力作用下共同实现的,在定子中导入三相交流电后,可以在气隙内生成同等速率旋转的圆形反向转动磁场。转子的转速要小于气隙旋转磁场(定子)转速7,且二者不可能相等。由此,旋转磁场与转子?图1 牵引电机结构之间就具备了转速差,也能计算出转差率。转差表示磁场转速a1和转子转速a之间的差值,转差率表示转差和转速二者的比例,是体现牵
16、引电机运行状态与性能的变量,计算公式为w=a1-aa1(1)地铁运行过程中,牵引电机工作将电能变换成机械能,生成牵引力8,这时0aa1,0wa1,w0。d q为转子同步旋转坐标系,将牵引电机在d、q轴的等效电路如图2所示。()?a(?)b?Rid+-+-udB iq qBdRiq+-+-uq(B id d+)fBq图2 牵引电机等效电路为便于实现定子磁链控制,需要推算牵引电机处于同步旋转坐标系的状态解析式,即构建牵引电机模型模为ud=R id+Bdp id-Bqiquq=R iq+Bqp iq+Bdid+f(2)R为定子电阻;p为微分算子;为电角速率;Bd为d轴电感;Bq为q轴电感;f为永磁体
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