直线电机轨道交通牵引传动系统研究

论文摘要

直线电机轨道交通系统在我国的大力的发展,迫切需要对其牵引传动系统进行研究。本论文就直线牵引传动系统的几个重要问题进行了深入研究。研究的问题包括直线感应电机高性能控制策略、直线牵引传动系统的能量互馈试验技术、直线感应电机效率优化控制方法和直线电机轨道交通制动模式优化问题等4个方面。本文首先利用有限元分析的方法对直线感应电机边端效应及垂向力特性进行了研究,得到了滑差变化吋直线感应电机电磁力变化曲线。针对直线感应电机运行时气隙参数容易变化导致电机控制性能受到影响的问题,提出了一种基于复合型滑模变结构控制器的直线感应电机矢量控制策略。仿真和试验结果表明:采用所提出的基于复合型滑模变结构控制器的矢量控制策略时,在直线感应电机气隙参数动态变化的条件下电机仍具有良好的稳态性能和动态调节速度、负载推力的能力。本文分析了国内外直线电机试验系统的发展现状,提出了一种新型的能量互馈式直线感应电机综合试验台系统。详细阐述了直线电机互馈试验台系统的工作原理和节能原理,在此基础之上,设计搭建了直线电机互馈试验台系统的机械结构系统及载运工具系统,并设计完成了一套基于DSP控制板、IGBT驱动板等的变流器控制系统。接着在分析互馈双电机推力平衡关系的基础上,提出了基于矢量控制的互馈双电机联合控制策略,仿真和试验结果表明:采用互馈双电机联合控制策略的直线电机互馈试验系统具有良好的稳态性能和动态调节速度、负载推力的能力,能够模拟直线电机轨道交通车辆的牵引、制动工况试验。本文分析了直线感应电机的功率流程、损耗组成及效率特性,同时对牵引传动系统中逆变器的损耗模型进行了推导分析。结合直线感应电机损耗模型,提出了一种基于矢量控制的直线感应电机效率优化控制策略,为了减小对系统动态性能的影响,提出了一种切换控制方法保证了所提出效率优化控制策略具有良好的动态性能;并对所提出的效率优化控制策略的稳定性进行了分析。仿真结果表明,所提出的效率优化控制策略与传统的矢量控制方法相比具有明显的效果,特别是在轻载工况下,效率有明显的提高。试验结果表明本文所提出的效率优化控制策略与传统的矢量控制方法相比有一定的效果,但是由于电机参数的不精确导致了效率提高的效果没有仿真结果明显;此外稳态和动态试验表明本文所提出的效率优化控制策略具有良好的稳态性能和动态特性。本文最后对直线电机轨道交通中几种常用制动方案进行了比较研究,并对制动过程中的能量损耗进行了理论推导。在此基础上,提出了一种将再生制动与直流能耗制动相结合的复合制动控制策略,并对复合制动过程中的能量损耗进行了分析。仿真结果表明本文所提出的复合制动控制策略应用到直线电机轨道交通中时在制动工况下可以有效的抑制直流侧电压的泵升。结合北京奥运机场线的特点及先前所提出的复合制动控制策略的思想,本文给出了优化北京奥运机场线制动模式的建议。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 直线电机轨道交通系统的发展和现状
• 1.2 电牵引传动系统的发展概况
• 1.2.1 牵引供电方式
• 1.2.2 电牵引传动控制方式
• 1.2.3 牵引变流器及其控制方式
• 1.3 牵引传动系统效率优化控制技术发展和现状
• 1.3.1 效率优化控制的新思路和新方向
• 1.3.2 制动技术在轨道交通牵引传动系统效率优化中的应用
• 1.4 本论文的提出及研究内容
• 第二章 考虑边端效应、垂向力的直线感应电机控制策略研究
• 2.1 直线感应电机边端效应及垂向力研究
• 2.1.1 直线感应电机边端效应分析
• 2.1.2 直线感应电机垂向力分析
• 2.1.3 直线感应电机电磁场有限元分析
• 2.2 考虑边端效应、垂向力的直线电机空间矢量模型
• 2.2.1 考虑边端效应的直线感应电机稳态等效电路
• 2.2.2 垂向力补偿策略研究
• 2.2.3 直线感应电机空间矢量模型
• 2.3 直线感应电机矢量控制方案研究
• 2.3.1 直线感应电机矢量控制原理
• 2.3.2 基于滑模变结构控制的直线感应电机矢量控制策略研究
• 2.4 仿真与试验研究
• 2.4.1 仿真研究
• 2.4.2 试验研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 直线电机牵引传动综合试验台系统研究
• 3.1 直线电机试验系统的现状
• 3.2 直线牵引互馈试验系统的工作原理
• 3.2.1 系统运行的基本原理
• 3.2.2 试验系统的节能原理
• 3.3 直线牵引互馈试验系统的构成
• 3.3.1 载运工具系统的设计
• 3.3.2 试验系统主电路结构
• 3.3.3 试验台控制系统设计
• 3.3.4 控制系统硬件抗干扰设计
• 3.4 直线牵引传动互馈试验系统控制策略研究
• 3.5 仿真与试验研究
• 3.5.1 仿真研究
• 3.5.2 试验研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 直线感应电机效率优化控制策略研究
• 4.1 直线牵引传动系统效率优化模型
• 4.1.1 直线感应电机功率流程
• 4.1.2 直线感应电机的损耗组成
• 4.1.3 直线感应电机的效率特性
• 4.1.4 牵引传动系统逆变器损耗分析
• 4.2 变频调速系统效率优化控制策略分析
• 4.2.1 基于损耗模型的最优励磁控制策略
• 4.2.2 电机输入功率最小控制策略
• 4.2.3 最小定子电流控制策略
• 4.3 基于矢量控制的直线牵引传动系统效率优化控制
• 4.3.1 基于矢量控制的直线电机效率优化控制策略
• 4.3.2 效率优化控制策略稳定性分析
• 4.4 仿真与试验研究
• 4.4.1 仿真研究
• 4.4.2 试验研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 直线感应电机制动过程的效率优化控制
• 5.1 直线电机轨道交通常用制动方案研究
• 5.1.1 常用的制动方案
• 5.1.2 制动过程中的能量损耗
• 5.2 制动过程的效率优化
• 5.2.1 直线牵引传动系统的复合制动方案
• 5.2.2 复合制动过程中能量损耗分析
• 5.2.3 仿真研究
• 5.3 奥运机场线直线电机轨道交通系统的制动模式优化研究
• 5.3.1 国外直线电机轨道交通制动模式研究
• 5.3.2 奥运机场线直线电机轨道交通制动模式优化研究
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集